基于VaconNX系列變頻器實現(xiàn)風力發(fā)電模擬系統(tǒng)的設(shè)計

作者：李建林 ， 高志剛 ， 付勛波

1 引言

目前風能是發(fā)展最快、最具競爭力的新能源之一。因此，風力發(fā)電成為各國學(xué)者研究的重點。近年來，風力發(fā)電技術(shù)的各個方面都得到了迅速的發(fā)展，各種新式的風力發(fā)電機、功率變流器、最大功率跟蹤算法、先進控制技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)實驗室都沒有風電場或風力機，這很不利于對一些新式理論和技術(shù)的驗證，為了加強風力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，有必要發(fā)展一種能在實驗室模擬風力機特性的技術(shù)來簡化目前風力發(fā)電系統(tǒng)研究的實驗過程，加速新方法、新技術(shù)的研究周期。風力機模擬器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于環(huán)境和風力機的情況下模擬風力機特性，可以模擬不同的特性的風力機，而且可以任意設(shè)定風速的變化曲線，方便了實驗室對風力發(fā)電系統(tǒng)的研究。風力機模擬裝置可以用于風力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的開發(fā)和測試。

由于異步電動機具有穩(wěn)定性好，維修費用低，工作時間長，且價格相對便宜等優(yōu)勢，因此，實驗室采用異步電動即進行風力機模擬器的載體。然而，異步電動機的控制相對復(fù)雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實現(xiàn)了對異步電動機的“理想控制”，從而使異步機輸出曲線與風力機輸出曲線吻合，達到了模擬風力機特性的目的，同時，借助與Vacon公司變頻器的強大編程能力，模擬不同的風力機只需要改變相應(yīng)的參數(shù)就可以實現(xiàn)，應(yīng)用簡單、方便。

2 風力機特性研究

根據(jù)空氣動力學(xué)可以知道，風力機的輸入功率是：

其中：ρ為空氣密度，A為風力機葉片掃掠面積，RW為葉片的半徑，v為風速。

風力機的輸出功率為：

其中CP為風能利用系數(shù)：

風能利用系數(shù)CP為風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能的效率，它與風速，葉片轉(zhuǎn)速，葉片直徑和槳葉節(jié)距角均有關(guān)系，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。

葉尖速比λ是風輪葉尖速度與風速之比：

圖1風力機葉尖速比與風能利用系數(shù)關(guān)系曲線

由圖1可以看出，對于一臺確定的風力機，在一定風速和槳距角時，存在一個最大風能轉(zhuǎn)換系數(shù)，此時風力機輸出功率最佳。因此，在某一風速下，調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使其運行在最佳葉尖速比條件下，就可以達到最大風能捕獲的目的。

對于風力系統(tǒng)來說，輸入機械轉(zhuǎn)矩特性非常重要，與之相對應(yīng)的是風力機輸出功率與機械角速度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2風力機輸出機械功率和機械角速度間的關(guān)系曲線

3 風力機模擬器原理

圖3風力機數(shù)學(xué)模型

將此時的轉(zhuǎn)矩給定作為異步電動機的轉(zhuǎn)矩給定，保持異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩與給定相同，即可實現(xiàn)此時的風力機模擬功能，因此風力即模擬器的原理框圖可以用如下圖4所示的框圖表示。

圖4風力機模擬器原理框圖

實驗中采用芬蘭VaconNX系列變頻器來對異步電動機進行控制，VaconNX系列變頻器是高性能矢量控制通用變頻器。它具有如下特點：

（1）采用先進的矢量控制算法，對電機磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行解耦控制，配合電機參數(shù)設(shè)定，動態(tài)補償負載波動，能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準確控制，具有極高的穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應(yīng)，能滿足各類高性能場合的傳動控制要求。

（2）VACON變頻器具有開放的可編程功能，編程工具VaconNC11313Engineering是一個符合IEC611131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計VaconNX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NCl131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。自帶LCD鍵盤，不僅能夠顯示運行數(shù)據(jù)和故障代碼，還能進行參數(shù)的拷貝和下載功能，非常方便調(diào)試和后期維護。

（3）多種擴展卡滿足用戶需要。

（4）內(nèi)置RS-485接口，通過擴展板可以接入符合國際標準的ProfiBusDP、ModBus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，滿足日后組網(wǎng)要求。

（5）瘦長、節(jié)省空間的設(shè)計，安裝靈活，集成了RFI濾波器能夠滿足工業(yè)等級斜坡防護要求。

實驗中，模擬風速為4、5、6、7和8m/s風力機特性如圖5所示，圖6為相應(yīng)的參考轉(zhuǎn)矩曲線，可以看出，參考轉(zhuǎn)矩隨風速的不同而作相應(yīng)變化。圖7為異步電動機輸出的轉(zhuǎn)矩曲線。

圖5風速曲線

圖6參考轉(zhuǎn)矩曲線

從圖7可以看出，該方案能很好的模擬最佳轉(zhuǎn)速曲線，能很快的響應(yīng)風速的變化，除了在啟動時有一些波動外，對風力機最佳轉(zhuǎn)矩曲線模擬得很好。這一結(jié)果依賴于VaconNX變頻器良好的調(diào)速性能和快速的相應(yīng)能力。

圖7轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)束語

本文搭建了風力機的數(shù)學(xué)模型，介紹了一種基于異步電動機的由VaconNX變頻器控制的風力機模擬器方案。實際運行結(jié)果表明，在正確的數(shù)學(xué)模型支撐下，給定正確的參考力矩，VaconNX變頻器便可以精確、高性能控制后續(xù)異步電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，達到了良好的風力機模擬效果。為實驗室對風力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)場問題的研究提高了條件，且由于VaconNX變頻器出色的編程能力，在模擬不同的風力機特性時只需要改變相應(yīng)參數(shù)即可，大大方便了實驗室應(yīng)用。

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