风力机特性的直流电机模拟

1、风力机特性的直流电机模拟 黄海，康勇，柳彬（华中科技大学电气学院， 武汉 430074 ）摘 要：分析了风力机运行特性，通过仿真及实验验证了采用直流电机的输出特性模拟风力机特性的可行性，给出了一种实现的系统和方法，为在实验室条件下模拟风力机运行提供了一个实用的方法。 关键词：风力机；直流电机；特性；模拟 1 引言     风能是一种清洁的可再生能源，我国幅员辽阔，海岸线长，风力资源十分丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。风力发电的研究、开发利用，也成为各国学者研究的热点。 要进行风力发电技术的研究，最理想的方法是将发电机与风车直接相连、在现场做实验。

2、但这样做所需的研究经费比较多、研究时间比较长。因此有必要在实验室构造风力发电试验平台（能模拟风车特性的驱动系统），从而解决在实验室里进行风力机发电技术研究的问题。本文在分析实际风力机特性后认为，可以采用经过特性改造和控制的直流电动机来模拟实际风机的输出特性。通过理论分析和计算机仿真及实验结果验证了控制方案的可行性。 2 风力机特性与风力机最佳运行原理     1 台风轮半径为 R 的风力机，在风速 下运行时，它所产生的机械功率 Pm ：         式中 空气密度

3、60;   风轮半径     风速     风力机的功率系数     风力机的功率系数 Cp 反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮半径均有关系的量。为了便于讨论可以定义出风力机的一个重要参数叶尖速比 ：         式中 风轮旋转的角速度， rad/s     风力机的转速， r/min 图 1 关系

4、曲线     风能功率系数 不是一个常数，它随着叶尖速比 的变化而变化，其具体关系如图 1 所示。实质上， 就是风能即将能转化为机械能的效率，它是 的函数。在任何风速下，如果风力机都能在 下运行，便可以增加其输出功率，而只要求得风轮的叶尖速比是最大的 m ，就可以维持风力机在 下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使之保持不变，就可获得最佳的功率系数，这就是风力机的最佳运行原理，即在不同风速下可得到最大的输出功率 。     在不同风速下风力机的输出功率与转速的关系是 曲线如图 2 。   

5、;  式中：     Te 电机电磁转矩     Te 负载转矩     Cm 电磁转矩系数     Ra 、 La 电机电枢回路电阻、电感     电机转自转动贯量     、 电机电枢回路外加电压、电枢电流     电机转子转速（ ） 3 直流电动机模拟风力机的运行机理   

6、  直流电动机的动态特性可用下列方程表述：         式中 电机电磁转矩     负载转矩     电机电磁转矩系数     、 电机电枢回路电阻、电感     电机自转动贯量     、 电机电枢回路外加电压、电枢电流     电机转子转速（ ） &#

7、160;   如果保持磁通 不变，则通过调节电枢电压来实现对电动机的调速，就可以使电动机的电磁转矩（即电枢电流）与电机转子转速保持一定的关系，而直流电动机输出机械功率的特性为：         电机输出功率与电枢电流、转子转速成一定关系。由此可见，对于任何已知的输出功率，只要知道电枢电流或转子转速中的一个，就可以算出另一个状态量，并通过电机的调压调速来实现。     对于风力机而言由 和 可知，在一定的风速下，输出功率只与风轮转速有关，且由于线性

8、关系，风力机输出功率与风轮转速的关系曲线形状与 曲线相似，即只要知道了转速，就能通过 曲线算出在该转速下对应的风力机输出功率，对直流电机而言由此就能得到所需电枢电流，如图 3 所示，从而通过调节电枢电压来调节 的关系，从而实现对风力机功率曲线 的模拟。 （图中 为发电机转子转速与风机叶轮转速之比） 图 3 模拟风力机特性得到 的关系 4 模拟风力机功率特性的运行机理及计算机仿真波形     实验室运行时，将直流电动机与一台交流励磁双馈发电机相连来模拟风力机的最佳功率输出特性。直流电机模拟模拟风力机功率特性的过程如图 4 、图 5 所示。 图 4 直流电机

9、模拟风力机系统框图 图 5 直流电机模拟风力机系统框图     限于实验室的条件，选用额定功率 、额定电压 、额定电流 、额定转速 的并励直流发电机作为直流电动机来模拟风力机特性。     为了使直流电机在运行时，其各项参数能尽可能满足额定值，应对参照风力机特性和直流电机参数选取适当的 、 。对直流发电机进行测量并估算其参数，这里选取 、 。在模拟风机特性时，假设风力机起动风速 ，额定风速 ，空气密度 ，将 、 代入可得，直流电机最大输出功率 （假设风速 ），对应转速 ；最大电枢电流 ，对应转速 ；最大空载电压 ，

10、对应空载转速 。     假设在理想状况下（忽略各种损耗， buck 电路输出电流无谐波），参照上述条件和参数构造数学模型并在计算机上进行 matlab 仿真，得到如图 6 的转速功率特性，与实际风力机特性基本一致。 图 6 由 matlab 仿真得到的风机功率特性 曲线     仿真的结果说明用直流电机模拟风力机特性是可行的，在启动电机后转入到风力机特性模式的过渡是时间也不长。但是由于系统是只对电机转子的转速进行跟踪检测，由此得到该转速对应的风力机转矩，因此在模拟风力机特性时，相当于风力机在无速度反馈的开环状态下

11、运行。因此在模拟风力机特性时，当负载变化时，电机的调速的响应速度比较慢。图 7 、图 8 中电机转子转速和输出功率很快就达到风力机特性曲线上，但在实现风力机调速时响应速度则较慢。 图 7 仿真的电机转速 曲线 图 8 仿真的电机输出功率 曲线 5 直流电机模拟风机特性的实验运行     由以上分析我们可以按照图 3 的框图搭建电路，采用 buck 降压直 - 直变换来对直流电机进行调压调速。采用 buck 电路的好处是只是用一个可控硅，控制简单，缺点是输出电压断续，输出电流谐波较大，为保电机电枢电流连续，需要串接较大的平波电抗器。 参考文献：     1 卞松江，潘再平，贺益康 . 风力机特性的直流电机模拟 J. 太阳能学报， 2003 ，（ 3 ）； 360-363.     2 郑康，潘再平 . 变速恒频风力发电系统中的风力机模拟 J. 电工技术， 2003 ， 20 （ 6 ）； 40-43.     3 许洪华，倪受元 . 独立运行风电机组的最佳叶间速比控制