基于級聯(lián)型變流器的風力發(fā)電系統(tǒng)模擬研究

0 引言
    近幾十年來，隨著風電技術的進步，單機容量越來越大，但由于風力機系統(tǒng)的控制非常復雜，要提高其控制性能，進行風力發(fā)電技術的研究，最理想的實驗方法是將發(fā)電機與風機直接相連，但是這樣的實驗既耗時間又浪費金錢。所以針對實驗室環(huán)境研究而言，往往需采用計算機仿真技術，對實際的風力機、風力發(fā)電機等進行仿真模擬，并不斷修正改進控制策略，以提高風力發(fā)電機組實際環(huán)境下的運行性能。因此對風力發(fā)電機組進行模擬仿真研究，具有重要的現(xiàn)實意義。
    目前，關于風力發(fā)電的實驗室模擬系統(tǒng)，可以劃分為直流電機模擬試驗系統(tǒng)和交流電機模擬試驗系統(tǒng)。在以交流電機作為原動機的模擬試驗系統(tǒng)中，目前的模擬方法大都只能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬，即使有動態(tài)模擬的，也都是直接模擬氣動轉矩，讓原動機輸出轉矩與風輪氣動轉矩相等。本文提出一種基于異步電動機直接轉矩控制的風力機風輪動態(tài)模擬方法。這種模擬方法是通過模擬風力機風輪的加速度來達到模擬風力機的目的。采用該方法，模擬不同的風力機風輪不需要更換復雜的機械聯(lián)動裝置，直接更改軟件參數就可以實現(xiàn)動態(tài)的模擬風力機風輪。

1 風力機和風速模型
1．1 風力機模型
    在現(xiàn)實實驗中，風力機模型可用其輸入風力轉矩特性來描述，

   
    式中：Ta為風輪產生的氣動轉矩，N·m；p為空氣密度，kg·m-3；A為槳葉掃掠的面積，m2；R是風輪半徑，m；CT(λ)為風輪轉矩系數；λ為葉尖速比；v為風速，m·s-1。
    根據文獻所述，風輪轉矩系數隨角速度的變化而變化且呈非線性關系。CT(λ)曲線的峰值為系統(tǒng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定的分界點，在最大風能捕獲時應考慮不要越過此點進入不穩(wěn)定區(qū)域。
    假設風輪的慣量為Ja，kg·m2；阻力系數為Da，kg·m2·s-2。轉動角速度為ωa，rad·s-1。等效阻力矩為Tc，N·m；輸出轉矩為TL，N·m；則

   
1．2 風速模型
    根據文獻所述，風速由四部分組成，即基本風速，漸變風速，陣風和噪聲風。其中基本風速用于描述特定風場的穩(wěn)態(tài)能量，漸變風用于描述風場穩(wěn)態(tài)能量隨時間的緩慢變化過程，陣風和噪聲風用于描述風場風能的擾動和不確定因素。在MATLAB／simulink中，由于白噪聲與風速的相似性，故用下列方程來代表風速：

   
    式中：vwind是模擬的風速；m(t)是白噪聲；Tv=9sec是時間常數；a=10．5m／s時是基本風速。建立了風速發(fā)生器仿真模型，由風速發(fā)生器產生的隨機風波形如圖l所示。

2 設計方案及仿真研究
2．1 模擬思想
    關于風力發(fā)電的實驗室模擬系統(tǒng)，根據系統(tǒng)所具有的特性不同，又可劃分為靜態(tài)特性模擬系統(tǒng)和動態(tài)特性模擬系統(tǒng)。風力機的靜態(tài)模擬離風力發(fā)電機的真實運行情況相差較大，不利于控制系統(tǒng)動態(tài)特性研究。目前，對風力發(fā)電機動態(tài)特性的模擬主要有兩種方式：其一是通過附加硬件進行模擬；其二是通過計算機軟件進行模擬。
    采用附加硬件進行模擬的如采用附加飛輪的辦法模擬風力機較大的慣性作用。但這種方法建立的一套硬件模擬系統(tǒng)僅能模擬一種型號的風機，缺乏靈活性。
    采用軟件進行動態(tài)模擬，主要是在根據風力機空氣動力學特性產生原動機的轉矩或者功率時，加入了轉動慣量、摩擦系數、彈性等動態(tài)環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)了對原動機響應的動態(tài)修正，進而使其模擬風力機的實際動態(tài)響應特性。對于塔影效應和風剪效應的模擬，通常是通過對模擬風速進行修正或對原動機指令轉矩進行修正的方法實現(xiàn)的。本文所用的方法不是直接模擬其輸出氣動轉矩，而是模擬其加速度。在模擬裝置中用一臺直接轉矩控制的異步電動機作原動機，如果負載和風速不變，在實際風力機系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)中，他們在相同的轉速下具有相同的加速度，那么模擬系統(tǒng)就可以達到模擬風力機機械特性的目的。這就是本文提出的模擬思想。
    在風力機系統(tǒng)中，由式(2)可得

   
    J為電機的轉動慣量，kg·m2；np為極對數，TL為負載轉矩，N·m；Te為電機電磁轉矩，N·m；ωr為電角速度。

    在模擬裝置中，由檢測到的電機轉速，在給定的風力機特性曲線中查到風力機風輪在該風速和轉速下的氣動轉矩Ta，代入式(7)，計算出異步電機的指令電磁轉矩。只要滿足式(7)，那么模擬系統(tǒng)的轉速和加速度就與實際風力機系統(tǒng)中的一樣。[!--empirenews.page--]
2．2 控制實現(xiàn)方法
    由式(7)知，要計算Te需知道Ta和TL，Ta可由轉速查表得到，而總負載TL不能直接測得，只能采取間接檢測的方法。t2時刻電機的電磁指令為：

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

3 硬件部分設計
    本實驗所采用的是單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型級聯(lián)型變頻器，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器對電網諧波污染小，輸入功率因數高，不必采用輸入濾波器和功率因數補償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪聲，可以使用普通的異步電動機。
    變頻器分為A、B、C三相，每相有5個功率單元，整體采用的是核心板加功率單元的控制結構，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擾以及其它各種干擾。變頻器控制示意圖見圖5。

4 實驗結果
    根據本文提出的風力機風輪模擬系統(tǒng)以及控制方法進行了模擬。實驗所模擬的是風速為12m／s的風機，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 結束語
    本文在總結目前風輪模擬器的基礎上提出了基于直接轉矩控制的異步電動機的風力機風輪模擬裝置，仿真結果表明本文所提出的方法可以很好地模擬風機的機械特性，而且該方法只需在改變軟件參數的情況下模擬不同類型的風機。基于異步電動機的風力機模擬方法，可為實驗室環(huán)境下進一步研究風力發(fā)電系統(tǒng)提供基礎。