基于級(jí)聯(lián)型變流器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬研究

0 引言
    近幾十年來，隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，單機(jī)容量越來越大，但由于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的控制非常復(fù)雜，要提高其控制性能，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，最理想的實(shí)驗(yàn)方法是將發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接相連，但是這樣的實(shí)驗(yàn)既耗時(shí)間又浪費(fèi)金錢。所以針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境研究而言，往往需采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)實(shí)際的風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等進(jìn)行仿真模擬，并不斷修正改進(jìn)控制策略，以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際環(huán)境下的運(yùn)行性能。因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行模擬仿真研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    目前，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)，可以劃分為直流電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和交流電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。在以交流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，目前的模擬方法大都只能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬，即使有動(dòng)態(tài)模擬的，也都是直接模擬氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，讓原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等。本文提出一種基于異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)模擬方法。這種模擬方法是通過模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的加速度來達(dá)到模擬風(fēng)力機(jī)的目的。采用該方法，模擬不同的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪不需要更換復(fù)雜的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置，直接更改軟件參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪。

1 風(fēng)力機(jī)和風(fēng)速模型
1．1 風(fēng)力機(jī)模型
    在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)力機(jī)模型可用其輸入風(fēng)力轉(zhuǎn)矩特性來描述，

   
    式中：Ta為風(fēng)輪產(chǎn)生的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；p為空氣密度，kg·m-3；A為槳葉掃掠的面積，m2；R是風(fēng)輪半徑，m；CT(λ)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)；λ為葉尖速比；v為風(fēng)速，m·s-1。
    根據(jù)文獻(xiàn)所述，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨角速度的變化而變化且呈非線性關(guān)系。CT(λ)曲線的峰值為系統(tǒng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定的分界點(diǎn)，在最大風(fēng)能捕獲時(shí)應(yīng)考慮不要越過此點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域。
    假設(shè)風(fēng)輪的慣量為Ja，kg·m2；阻力系數(shù)為Da，kg·m2·s-2。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ωa，rad·s-1。等效阻力矩為Tc，N·m；輸出轉(zhuǎn)矩為TL，N·m；則

   
1．2 風(fēng)速模型
    根據(jù)文獻(xiàn)所述，風(fēng)速由四部分組成，即基本風(fēng)速，漸變風(fēng)速，陣風(fēng)和噪聲風(fēng)。其中基本風(fēng)速用于描述特定風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)能量，漸變風(fēng)用于描述風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)能量隨時(shí)間的緩慢變化過程，陣風(fēng)和噪聲風(fēng)用于描述風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能的擾動(dòng)和不確定因素。在MATLAB／simulink中，由于白噪聲與風(fēng)速的相似性，故用下列方程來代表風(fēng)速：

   
    式中：vwind是模擬的風(fēng)速；m(t)是白噪聲；Tv=9sec是時(shí)間常數(shù)；a=10．5m／s時(shí)是基本風(fēng)速。建立了風(fēng)速發(fā)生器仿真模型，由風(fēng)速發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)風(fēng)波形如圖l所示。

2 設(shè)計(jì)方案及仿真研究
2．1 模擬思想
    關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)所具有的特性不同，又可劃分為靜態(tài)特性模擬系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)特性模擬系統(tǒng)。風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)模擬離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況相差較大，不利于控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究。目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的模擬主要有兩種方式：其一是通過附加硬件進(jìn)行模擬；其二是通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬。
    采用附加硬件進(jìn)行模擬的如采用附加飛輪的辦法模擬風(fēng)力機(jī)較大的慣性作用。但這種方法建立的一套硬件模擬系統(tǒng)僅能模擬一種型號(hào)的風(fēng)機(jī)，缺乏靈活性。
    采用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，主要是在根據(jù)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩或者功率時(shí)，加入了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系數(shù)、彈性等動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)原動(dòng)機(jī)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)修正，進(jìn)而使其模擬風(fēng)力機(jī)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)于塔影效應(yīng)和風(fēng)剪效應(yīng)的模擬，通常是通過對(duì)模擬風(fēng)速進(jìn)行修正或?qū)υ瓌?dòng)機(jī)指令轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正的方法實(shí)現(xiàn)的。本文所用的方法不是直接模擬其輸出氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而是模擬其加速度。在模擬裝置中用一臺(tái)直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)，如果負(fù)載和風(fēng)速不變，在實(shí)際風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)中，他們?cè)谙嗤霓D(zhuǎn)速下具有相同的加速度，那么模擬系統(tǒng)就可以達(dá)到模擬風(fēng)力機(jī)機(jī)械特性的目的。這就是本文提出的模擬思想。
    在風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中，由式(2)可得

   
    J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；np為極對(duì)數(shù)，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；ωr為電角速度。

    在模擬裝置中，由檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速，在給定的風(fēng)力機(jī)特性曲線中查到風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在該風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ta，代入式(7)，計(jì)算出異步電機(jī)的指令電磁轉(zhuǎn)矩。只要滿足式(7)，那么模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和加速度就與實(shí)際風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中的一樣。
2．2 控制實(shí)現(xiàn)方法
    由式(7)知，要計(jì)算Te需知道Ta和TL，Ta可由轉(zhuǎn)速查表得到，而總負(fù)載TL不能直接測(cè)得，只能采取間接檢測(cè)的方法。t2時(shí)刻電機(jī)的電磁指令為：

   
    由式(8)可知，只要測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以得到電機(jī)的指令電磁轉(zhuǎn)矩，不用另測(cè)總負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此，在模擬系統(tǒng)和實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有相同的風(fēng)速、初始轉(zhuǎn)速和負(fù)載的情況下，原動(dòng)機(jī)與風(fēng)力機(jī)就具有相同的速度和加速度。
2．3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究
    建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬系統(tǒng)的仿真，仿真過程為帶載啟動(dòng)，電機(jī)附加一定值的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速給定變化采用給定50N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的示意圖如圖2所示，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的理論示意圖如圖4所示。圖3波形表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，也就表征了異步電機(jī)對(duì)風(fēng)輪機(jī)的模擬情況，與理論情況相一致，通過仿真結(jié)果說明模型的建立是正確的。

3 硬件部分設(shè)計(jì)
    本實(shí)驗(yàn)所采用的是單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型級(jí)聯(lián)型變頻器，采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。
    變頻器分為A、B、C三相，每相有5個(gè)功率單元，整體采用的是核心板加功率單元的控制結(jié)構(gòu)，兩部分均是DSP+FPGA的主控制板，核心板與功率單元通過光纖相連。功率單元的主控板與IGBT采用光耦隔離器件相連，這樣可以有效防止線路串?dāng)_以及其它各種干擾。變頻器控制示意圖見圖5。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)本文提出的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模擬系統(tǒng)以及控制方法進(jìn)行了模擬。實(shí)驗(yàn)所模擬的是風(fēng)速為12m／s的風(fēng)機(jī)，變頻器輸出電壓的頻率變化如圖6所示。三相線電壓的波形如圖7所示。

5 結(jié)束語
    本文在總結(jié)目前風(fēng)輪模擬器的基礎(chǔ)上提出了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模擬裝置，仿真結(jié)果表明本文所提出的方法可以很好地模擬風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性，而且該方法只需在改變軟件參數(shù)的情況下模擬不同類型的風(fēng)機(jī)。基于異步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬方法，可為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。