采用直流电动机的风力机特性模拟实验平台研究∗

张文娟

（宝鸡文理学院电子电气工程学院 宝鸡 721007）

1 引言

风能，被公认为是世界上除水能之外最接近商业化的可再生能源之一［1］。但由于自然环境及风力机造价成本较高等原因，限制了户外风力发电实验的广泛开展［2］。为此，如何研制一套与真实风力机运行特性相似的室内风力机模拟平台，解决风电研究过程中的原动机问题，就显得尤为重要。

目前，风力机模拟设备主要有［3］：直流电动机、异步电动机和永磁同步电动机三种。相比于直流电动机，异步电动机和永磁电动机的控制需要经过矢量变换，控制较为复杂［4］。而直流电动机的控制简单，动态相应好，且其运行特性与风力机很相似，因此，在实验室风力机原动机的模拟上，较多采用直流电动机。文献［2］通过控制直流电动机电枢绕组电流来实现风力机转矩特性的模拟，模拟结果与理论数据达到了高度的吻合。文献［5］利用可编程逻辑控制器研究了实验模拟系统的工作原理及控制流程通过实验分析验证了直流电动机模拟风力机的可行性。文献［6］介绍了直流电动机模拟风力机的总体方案，但具体实施算法及过程并未充分给出。

本文在上述理论及实验研究基础上，结合目前风电场普遍使用的变桨距风力发电机组，研究其最大风能捕获原理，制定基于直接转矩控制的直流电动机模拟风力机运行方案，采用PC机、传感器、数据采集卡、直流调速器等构成风力机模拟平台，并给出具体的实施过程。实验结果表明，该平台可模拟风力机最大风能捕获转速-转矩特性，为实验室研究风力发电技术提供了参考依据。

2 最大风能捕获下的风力机模型

对于目前风力发电场普遍采用的三叶片、水平轴风力发电机，贝茨理论指出，风力机单位时间输入、输出的风能及转矩为［7～8］

式中，P0为不考虑风能损耗时的输入功率；ρ为空气密度；R为风力机扫掠半径；v为风速；P和T分别为经过实际机组损耗后的风力机输出功率及转矩；Cp为风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数；CT为转矩系数；w为风力机叶片旋转角速度。

观察式（2）可以发现，在风力机参数及风况确定的情况下，风能利用系数Cp的大小直接影响输出功率及转矩。 Cp的关系可定义为［9～10］：

其中：C1=0.517 6，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

叶尖速比λ可表示为

其中，n为w所对应的转速。

图1给出了风速不同时，风能利用系数与叶尖速比的关系。可以看出，随着桨距角β的增大，Cp减小。对于某一个确定的β角，存在一个最佳风能利用系数点［11～12］。

图1 Cp与λ的关系

图2 给出了桨距角最小，即 β=0°，风速不同时，风力机输出功率与角速度的曲线。

图2 风力机输出功率与角速度关系

在图中，将不同风速时的最佳功率点连接起来构成的线，称为最佳风能利用系数曲线。目前，为了提高发电效率，风力发电系统均采用最大风能捕获控制。也就是说，通过调整风力机角速度w，使其工作在最大功率点。

3 直流电动机的风力机模拟实验平台

3.1 风力机模拟算法

直流电动机的数学模型可写成如下形式［13］：

其中，Udcm、idcm分别为直流电动机的电枢电压和电枢电流；Ce为电动势常数，Ct为转矩常数，Tde为电磁转矩，φ为主磁通，ωm为直流电机角速度。

模拟算法应当遵循两个原则［14～15］：其一，直流电动机的转矩及转速应准确模拟风速的突变性，某一风速下，直流机的转速与风力机的转速应保持一致；其二，在转速随风速的变化过程中，应能模拟最大风能捕获点。基于以上两方面的需求，对直流电动机的控制采用性能优良的直接转矩控制。具体控制算法结构如图3所示。

图3 风力机模拟算法结构图

由图3可以看出，整个算法由风力机模拟部分及直流电动机的控制部分组成。首先，通过风力机的最大风能捕获数学模型计算出直流电动机的参考转矩，再根据转矩与电流的关系式计 算 出 直 流电动机的电枢参考电流i*dcm，最后，通过直流调速器控制直流电动机按规定转速运行。转矩控制的实质即转化为电枢电流控制。

3.2 风力机模拟系统组成

上述的风力机模拟系统由PC机+数据采集卡+直流调速器组成。下面分部分介绍各自的组成。

3.2.1 直流调速器

直流电机与风力发电机同轴相连，因此，直流电机转速控制的准确性直接关系到风力发电机控制性能的优劣。实验平台中风电机组功率为15kW，直流调速器选择西门子公司的6RA70，为内置PI调节模块的全数字式紧凑型调节器。且具有很强的抗干扰能力。

3.2.2 数据采集卡

数据采集卡起着与PC机和直流调速器通信的作用。实验中选用西安达泰电子有限责任公司为西安205所军用光学测量系统而开发的多通道高速数据采集板DTE3216，如图4所示。其拥有USB2.0接口，32路输入输出通道，集成了先进的FPGA技术，可以对100kHz的信号进行连续采集，并且实时记录。

图4 DTE3216数据采集卡

直流调速器6RA70的模拟量输入输出接口接收的电压等级为0～10V，DTE3216采集板接口的模拟量电压范围是0～5V。为了使两者实施有效的信号传输，设计了如图5所示的放大倍数为2的直流电压放大电路，其中放大器采用LF353芯片。图中，放大器采取负端输入的方式，这是因为输入的模拟量电压幅值较小，若从正端输入，放大过程中电阻损耗增大，这势必影响输出端电压的准确性。

图5 直流放大电路

3.3 风力机模拟系统软件设计

单片机控制流程如图6所示。整个控制以风力机的工作特性曲线为基础，其中，风能利用系数CT的拟合是必不可少的，本文中，采用NACA型风采用一个6次多项式，其中，a0=0.051，a1=-0.002，a2=0.005，a3=-5.142e-4，a4=-2.795e-5，a5=4.631e-6，a6=-1.331e-7。为了准确反映出风力机的工作特性，采用线性插值法解出曲线上的未知点再进行拟合。

图6 模拟系统控制流程图

4 实验测试

在上述理论基础上，搭建了直流电动机模拟风力机实验平台，机组实物如图7所示。平台中直流电机的型号为Z4-132-3，参数详见表1所示。风力机叶轮半径为4.3m，齿轮箱变比为7.846。数据监测界面采用Visual C++6.0开发环境实现。

表1 直流电动机参数

图7 双馈机组

1）直流电动机空载起动测试。

在直流调速器中，给定转速设为1000r/min，采集的数据如图8所示。可以看出，起动过程的转速超调大概在13%左右，起动时间约为2s，且稳态性能较好，证明了直流电机控制采集系统的有效性。

图8 直流电动机起动采集数据

2）定风速模拟实验。

模拟风速为8m/s时，风力机的转速-转矩输出特性曲线如图9所示。其中，曲线代表理论计算值，35个点代表数据采集卡采集的模拟数值。可以看出，经过拟合之后，实际模拟曲线与理论计算曲线基本吻合。验证了风力机模拟算法及模拟平台的有效性。

3）变风速最大风能捕获模拟实验。

图10给出了风速为6m/s（曲线下）和10m/s（曲线上）时，模拟的风力机转速-转矩特性曲线。其中，灰色的代表不同风速下的最大风能捕获曲线。可以看出，实验平台可实现最大风能捕获下的风力机特性模拟。

图9 模拟风速为8m/s时的转速-转矩特性曲线

图10 变风速最大风能捕获特性曲线

5 结语

本文首先分析了风力机的运行特性，搭建了以直流电动机+直流调速器+数据采集卡+PC机的风力发电模拟实验平台。利用控制简单、性能优良的直接转矩控制，将风力机的参考转矩转化为直流电动机的电枢电流进行控制，从而实现了实验室环境下风力机的单风速、变风速及最大风能捕获运行特性模拟。该模拟实验平台开发周期短，控制简单，具有一定的实用价值。