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（wind turbine simulator，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的參數(shù)就可以實現(xiàn)，應用簡單、方便。

2  風力機特性研究

    根據(jù)空氣動力學可以知道，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:


 

    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，與之相對應的是風力機輸出功率與機械角速度之間的關系曲線，如圖2所示。 
 

3  風力機模擬器原理

     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。
 

    實驗中采用芬蘭Vacon NX系列變頻器來對異步電動機進行控制，Vacon NX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)設定，動態(tài)補償負載波動，能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的快速響應和準確控制，具有極高的穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應，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Vacon NC1131 3 Engineering是一個符合IEC611131-3標準的圖形化的編程工具,它可以用來設計Vacon NX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。NC l131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應用相關的特性。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ProfiBus DP、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變化。圖7為異步電動機輸出的轉(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Vacon NX變頻器良好的調(diào)速性能和快速的相應能力。
 

4  結(jié)束語

    本文搭建了風力機的數(shù)學模型，介紹了一種基于異步電動機的由Vacon NX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)學模型支撐下，給定正確的參考力矩，Vacon NX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Vacon NX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參數(shù)即可，大大方便了實驗室應用。