基于直流調速和實時組態的風力機模擬器設計

張計科，王生鐵，劉廣忱

(內蒙古工業大學，內蒙古呼和浩特010051)

0 引 言

風力發電是新能源中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，對于改善能源結構，實現能源可持續發展具有重要的現實意義。在風力發電技術的研究中，需要隨時驗證不同工況下風力發電系統及控制策略的性能。如果用真實的風力發電機進行實驗驗證，不僅受到季節變換、氣象條件等因素的限制，難以隨時隨地驗證各種工況，而且成本高。目前普遍采用以各種電動機作為原動機，根據給定風速和電機轉速控制電動機的輸出特性與實際風力機特性相同的風力機模擬器，從而達到不依賴于自然風資源而具有實際風力機特性的模擬效果。這種模擬方法不僅可以在同一模擬平臺上模擬不同特性的風力機，風速的變化也可隨意設定，可大大縮短研究周期，降低開發成本。

風力機模擬器根據原動機所采用的電動機不同，一般有直流電動機［1-7］、異步電動機［8-9］、永磁同步電動機［10-11］三類。直流電動機具有調速范圍寬、過載能力強、動態響應特性好、機械特性為線性且控制簡單的優點，多用于10 kW以下的小功率風力機特性模擬;異步電動機具有結構簡單、成本低、可靠性高及經久耐用和較同功率直流電動機體積小等優點，通過矢量控制、直接轉矩控制來實現對風力機轉矩的模擬，也可以達到與直流電動機相媲美的控制性能，較多應用于大功率風力機特性模擬;永磁同步電動機不需要勵磁裝置，不僅結構簡單、維護工作量小，而且效率高、工作可靠、調速性能好，采用轉子磁場定向的矢量技術和直接轉矩控制來模擬風力機特性，也可以實現風力機靜態和動態特性較為理想的模擬。目前國內外所提出的風力機模擬器根據功率及使用需求不同，三種電動機都有應用，而且不同的模擬方法，控制對象、驅動方式、控制器、控制策略也不盡相同，甚至使用RT-LAB、dSPACE等半物理實時仿真平臺進行風力機特性模擬。這些風力機模擬器盡管取得了較好的模擬效果，但大多存在風力機特性和風速模型及參數調整不便、軟硬件開發周期較長的問題。本文從研究小型風力發電系統控制的需求出發，針對以上問題，本著硬件標準化和軟件組態化的原則，設計了基于直流調速系統和實時組態環境的風力機模擬器，不僅可以不依賴于自然風資源而模擬自然風條件下實際風力機的輸出特性，而且可以使離線仿真和在線運行統一在MATLAB/Simulink平臺下組態和運行，模型及參數調整方便，軟件開發效率高。

1 風力機模型及特性

1.1 數學模型

由空氣動力學及貝茨理論可知，風力機軸上輸出的機械功率:

式中:ρ為空氣密度;R為風輪半徑;v為風速;Cp為風能利用系數，是關于葉尖速比λ的函數。

葉尖速比λ:

式中:ωt為風力機旋轉角速度。

由式(1)和式(2)可知，風力機的輸出轉矩:

式中:CT為風力機的轉矩系數

對于某種特定型號的風力機，其Cp-λ曲線和CT-λ曲線分別如圖1(a)和1(b)所示。

圖1 風力機風能利用系數與轉矩系數曲線

1.2 輸出特性

根據Cp-λ和CT-λ曲線，可計算得到在不同風速下風力機的轉矩-轉速和功率-轉速特性曲線。圖2為不同風速下風力機輸出特性曲線，其中風速關系為:v1＜v2＜v3＜v4。風力機的轉矩-轉速特性與功率-轉速特性實質是一致的，只是從不同的角度反映了風力機的運行特性。

圖2 風力機輸出特性曲線

2 風力機模擬器總體結構及工作原理

2.1 設計要求

本文主要從研究小型風力發電應用需求出發，設計結構簡單、模型及參數調整方便、軟件開發效率高的高性能小型風力機模擬平臺。為此，以包頭天隆永磁電機公司的FF-1kW/360r/DC56V型風力發電機為風力機模擬器設計參考，采用基于直流電動機的轉矩控制方案模擬小型風力機的輸出特性。該風力機構型為三葉片、水平軸、上風向、尾翼對風。發電機是采用高效稀土釹鐵硼永磁材料的三相永磁交流同步發電機，具有超低起動力矩、結構緊湊、體積小、重量輕、運行平穩、效率高的特點。風力機、直流電動機和永磁同步發電機具體參數如表1所示。

表1 風力機與電動機、發電機機組參數

2.2 總體結構及工作原理

風力機模擬器由直流電動機、直流調速裝置和控制器等組成，其總體結構如圖3所示。風力機模擬器工作原理為:控制器實時檢測直流電動機轉速，并根據給定風速和實時檢測結果由風力機模型計算得到對應風力機的機械轉矩值，再將該轉矩換算為相應的直流電動機電樞電流作為給定電流，送給直流調速裝置;直流調速裝置工作在電流控制模式，通過電流閉環調節將直流電動機電樞電流調節到給定參考電流值，實現電動機轉矩對風力機模型輸出轉矩的跟蹤，進而實現風力機的輸出特性模擬。

圖3 風力機模擬器總體結構

3 風力機模擬器的硬件設計

為簡化系統結構，提高開發效率及可靠性，本著硬件標準化的原則，進行風力機模擬器的硬件設計。

3.1 直流調速系統

風力機模擬器采用西門子SIMOREG DC Master 6RA70全數字直流調速裝置驅動直流電動機。該調速裝置為全數字控制，可向直流電動機電樞和勵磁供電，組成單象限或四象限調速系統，具有完善的控制、監測、保護和通信功能。其控制功能模塊化，通過組態可以靈活方便地構成各種控制系統，可進行調節器參數自動整定及系統優化。同時，它還可以進行勵磁電流恒流調節及工作電壓自動補償，具有較強的抗干擾性，從而獲得良好的控制性能。

3.2 PC機及I/O接口

采用個人計算機和研華PCI-1710數據采集卡構成風力機模擬器的控制器及I/O接口，可以方便地利用計算機豐富的軟件資源完成控制算法及界面的組態及數據采集。

PCI-1710數據采集卡為低成本多功能PCI總線卡，可以實現16路單端或8路差分模擬量輸入、2路模擬量輸出、數字量輸入和輸出各16路以及1路可編程計數/定時功能。該板卡支持即插即入功能，可靈活地設定輸入類型和范圍，采樣速率高，具有FIFO(先入先出)存儲器，方便連續高速的數據采集和傳輸。

3.3 轉速檢測及信號調理電路

測速發電機把風力機模擬器中直流電動機的轉速轉換為電壓信號，再經過霍爾電壓傳感器及信號調理后，轉換為0～10 V電壓信號送入數據采集卡模擬量輸入通道進行數據采集。信號檢測及調理電路原理圖如圖4所示。

圖4 信號檢測及調理電路

4 風力機模擬器的實時組態控制軟件設計

為了便于風力機、風速模型及參數調整，提高編程效率及可靠性，風力機模擬器基于實時組態環境進行控制軟件設計。

4.1 實時組態開發環境

Real-Time Workshop(RTW)是一個基于Simulink的MATLAB實時控制開發工具箱，不僅可以直接從Simulink的模型中產生優化、可移植和個性化的代碼，并根據目標配置自動生成在不同的快速原型化實時環境或產品目標下運行的實時控制程序，而且可以利用其內置的Real-Time Windows Target組件通過I/O接口設備將Simulink環境與外部設備無縫連接，使個人計算機轉變為實時系統，Simulink成為實時組態開發環境和圖形化實時控制平臺。Real-Time Windows Target使用的實時內核運行在計算機CPU的零環區，在Windows操作系統之前從計算機截取中斷，觸發Simulink實時運行模型執行，保證Simulink實時任務及數據存儲和傳輸的最高優先級。

本文基于Simulink的外部模式調用Real-Time Windows Target組件組成實時組態開發環境開發風力機模擬器的實時組態控制程序。

4.2 實時組態控制程序

為了增加控制程序的可讀性，風力機模型和D/A補償環節封裝為子系統，在Simulink環境下調用Real-Time Windows Target組件開發的風力機模擬器的實時組態控制程序如圖5所示。程序采取定步長采樣控制方式，采樣周期為1 ms。

圖5 風力機模擬器實時組態控制程序框圖

4.3 主要模塊實現方法

圖6 風力機模型程序框圖

風力機模擬器實時組態控制程序中的風機模型依據式(1)～式(3)搭建，如圖6所示。其中，為了精確表示不同葉尖速比下的轉矩特性系數GT值，采用15次多項式擬合的方法獲得數據，該多項式系數如表2所示。

此外，為了補償D/A輸出的零點漂移及量程調節，程序中增加了D/A輸出補償模塊。

表2 轉矩特性多項式系數

5 風力機模擬器系統實現及實驗結果

5.1 系統實現

加工制作完信號檢測及調理電路板后，將計算機、西門子直流調速裝置、直流電動機、永磁同步發電機、測速發電機等連接起來分別進行模塊級及系統級軟硬件調試。為便于測試，這里采用電子負載恒壓控制模式調節直流電動機-永磁同步發電機機組轉速，實現風力機模擬器輸出特性工作點的求取。風力機模擬器實驗系統如圖7所示。

圖7 風力機模擬器實驗系統

5.2 靜態輸出特性

在額定風速及以下，對應恒定風速5 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s的風力機輸出特性曲線如圖8所示。通過實驗數據可以看出，風力機模擬器的轉速調節范圍較寬，其轉矩-轉速和功率-轉速特性曲線與理論計算結果相吻合。

圖8 風力機模擬器靜態輸出特性曲線

當風速高于額定風速，假定小型風力機具有折尾翼特性或其他調節裝置時，風力機輸出功率被限制在額定功率以內或附近。對于這些風力機特性曲線本文未模擬。

5.3 動態實驗波形

由于自然風是隨機變化的，本文采用風速四風量組合模型模擬自然風來驗證風力機模擬器的動態特性［12］。風速模型中，基本風速 Vwb=7 m/s;陣風最大風速Vwg=2 m/s，陣風開始時間tg1=50 s，結束時間tg2=80 s;漸變風最大風速Vwr=2 m/s，漸變風開始時間tr1=120 s，上升終止時間tr2=160 s;保持時間tr=10 s，隨機干擾風擾動幅度為2 m/s。實驗中通過電子負載的恒壓模式保持永磁同步發電機輸出電壓恒定，來控制直流電動機-永磁同步發電機機組轉速基本恒定，從而測取風力機模擬器輸出功率。

風速曲線和風力機模擬器輸出功率曲線如圖9所示。由圖9中可知，風力機模擬器的輸出功率隨著風速的變化也有規律地發生變化，表明風力機模擬器具有良好的動態響應。

圖9 風力機模擬器動態特性曲線

6 結 語

本文主要從研究小型風力發電應用需求出發，設計并實現了基于直流調速系統和實時組態環境的風力機模擬器，并對恒風速下風機模擬器的輸出靜態特性和風速變化情況下風機模擬器的輸出動態特性進行了實驗研究。實驗結果表明，該風力機模擬器可以不依賴于自然風資源而較為精準地模擬實際風力機的輸出特性，具有良好的靜態和動態性能，并且具有結構簡潔、控制簡單、編程方便、界面友好的優點，為實驗室研究小型風力發電提供了一個不依賴于自然風資源而具有實際風力機特性模擬效果的高性能、高效率的風力機模擬平臺。

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