基于异步电机的风力机模拟实验平台的方案设计摘要：提出一种风力机模拟研究和实验平台的设计方案，利用异步电动机矢量控制方式驱动发电机运行。
利用DSP完成风力机数学模型的数学模拟，并提出矢量控制的方案，最终给出硬件实现的设备选择，为下一步完成实验平台的建设做好铺垫。
关键词：风力机数学模型；三相异步电动机；矢量控制；设备选择1 引言风能是一种无污染可再生的绿色能源，为各国政府的重要选择。
实验室的先期探索对风力发电技术的发展起着重要的引导作用。
但是由于条件的限制大多数实验室不具备风场环境或风力机，这为风力发电技术的实验研究带来了很大困难。
因此探讨在实验室条件下，如何模拟风力机特性是深入研究风力发电技术的前提，具有重要的现实意义。
本实验平台设计以异步交流电机模拟风机的方案，构建包括硬件平台和控制软件在内的完整的风力机模拟控制系统。
通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统符合实际的风力机特性，用其驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。
2 风力机模拟系统的构成实际的风力发电系统如图1所示。
图1 实际风力发电系统在实验室中模拟风力机，也就是将图1中的实际的风力机用风力模拟系统取代，如图2所示。
图2 实验室内风力发电系统图风力机模拟系统主要包括以下部分：（1） 实时软件模拟器。
用于实现风力机数学模型的数字化模拟。
（2）机电随动系统。
用以接受来自实时软件模拟器的给定信号，并提供可测量的输出变量作为系统对实时软件模拟器的响应。
图3为实时风力机发电模拟系统结构简化框图。
图中输出量x 是机电随动系统的参考信号。
如果x 是转矩参考值，则回馈值为电动机的输出转矩信号；如果x 是功率参考值，则回馈值为电动机的输出功率信号。
M 为原动机，G 为发电机。
图3 实时风力机发电模拟系统控制结构图风力机模拟的本质是通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统运行符合实际的风力机特性，用来驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。
3 风力机的特性由空气动力学可知，风力机捕获的风能可表示为：31(,)2T T w indP P A vC ρλβ=（1）T T w indw R v λ=式中TP —风力机输出功率; ρ—空气密度；TA —风轮扫掠面积； windv —风速；λ—叶尖速比；β—浆叶节距角；T w —风轮转速； TR —风轮半径；(,)P C λβ—风能利用系数。
由风力机从风中捕获的功率为：T T TP T w =可得到风力机输出机械转矩为：212T T T T w indT C A R vρ=（2）式中，TT —风力机的机械输出转矩；TC —转矩系数，(,)T P C C λβλ=.风能利用系数PC 反映了风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，是表征风力机效率的重要参数，即单位时间内风轮所吸收的风能与穿过叶轮扫掠面的全部风能之比。
不同的风力机所对应的(,)P C λβ曲线是不同的，一般PC 的值由风机厂家给定，作为设计和计算的依据。
风能利用系数PC 是叶尖速比λ和浆距角β的函数，即:5/21346(,)()ic P ic C c c c ec λλββλλ-=--+其中，3110.0350.081iλλββ=-++针对本实验系统1234560.5176;116;0.4;5;21;0.0068c c c c c c ======。
风力机可以分为定浆距与变浆两种，通常，定浆距即0β=风力机的P C与λ的关系如下图4所示，图4 风力机的PC 与λ曲线对于一个特定的风力机，具有唯一的一个对应P C 最大的叶尖速比，称为最佳叶尖速比o p tλ，对应的P C 称为最大风能利用系数m axp C 。
由图可见，当λ大于或小于o p tλ时，PC 都小于m axp C ，使机组效率降低。
由式（1），（2）推导出风力机不同风速下的转矩曲线如下图5a 所示，图中不同风速下（v5>v4>v3>v2>v1）的对应转矩—转速曲线簇，把每个风速下的最佳转矩点optT 相连，得到风力机的最优转矩曲线，只要运行在该曲线上，风力机即可捕获到最大风能。
图5b 为风力机的功率特性，把功率—转速曲线簇上的最大功率点o p tP 相连，构成最佳功率曲线，运行在该曲线亦可捕获最大的风能。
图5 风力机特性曲线4 风力机模拟系统的模拟方法在实验室进行风力机特性模拟，主要就是模拟风能转化为机械能这一过程，但在实验室条件中并不具备风场环境或风力机，因此往往采用通过控制直流电机或交流电机转矩来模拟实际的风力机运行情况。
4.1 风速模型风力作为风力发电机组的原动力，它的变化情况实时影响着整个风力机组的运行状况，因此在实验室开展相关的模拟风力发电系统实验，需要对实际风场的风场风速情况进行准确有效的模拟。
从可实现角度出发，将自然风速简化为4种典型成分，即基本风W B V 、阵风W GV 、渐变风W R V 和随机风W N V 。
在风力机正常运行过程中基本风一直存在，它决定了风力发电机向系统输送额定功率的大小，基本上反映了风电场平均风速的变化。
在风速变化的过程中，阵风描述风速突然变化的特性。
渐变风反映风速的渐变特性。
随机风反映风速变化的随机特性。
综合这4种风速成份，可以用4种叠加的风速模型模拟实际作用在风力机上的风速W W B W G W R W NV V V V V =+++在以上对风速模型进行理论分析的基础上，可以再MATLAB 环境下进行仿真验证。
4.2 异步电机模拟风力机的实现方法4.2.1 异步电机模拟风力机的实现原理风力机是能量转换装置，风力机输出特性模拟的本质是能量或转矩的控制，而非简单的速度调节。
因此，正确的模拟思路应该是根据当前风速、机组转速和给定的浆距角，计算出风轮机的输出功率或转矩，将其作为异步电机的控制指令加以执行，本设计采用转矩控制方式来模拟风力机的输出特性。
本平台采用异步电动机在实验室中代替风力机拖动风力发电机，其结构如下图6所示。
此处，暂时未考虑变速箱。
图6 风力机模拟实验平台示意图按照给定的风速和实测的发电机转速，根据上述风力机特性可计算出风力机的输出转矩，并作为异步电动机的控制指令，来控制异步电机的转矩输出。
计算转矩用的风力机模型如下图7所示。
图7 风力机数学模型当风速一定时，风力机输出功率（转矩）与系统转速n有确定的对应关系，在风力机模拟系统中，如果异步电机在稳态时输出功率（转矩）与转速之间的关系符合实际风力机的特性（如图5）即让异步电机运行在风力机的特性曲线上，则达到模拟风力机的目的。
具体实现的基本原理如下图8所示：图8 风力机模拟的原理图假设当前风速为v2,所带负载为P1,则系统稳定运行于A点，此时系统转速为n1，风力机输出功率为p1，此时要对风力机的当前状态进行模拟，则只需控制异步电机的转速为n1，输出功率为p1，从而有效模拟了风力机在v2下的一个稳定点A；当风速由v2变到v3，此时若负载还未变化，则风力机加速，最终稳定运行于B点，从而调节异步机，使其输出特性符合B点特性；当负载由p1变为p2，则风力机减速，最终稳定运行于C点，通过调节控制系统使系统最终稳定运行于C点。
所以对于风力机特性曲线上的每一点，都可以用一个P-n来表示，控制异步机运行于该点上，即可表现出风力机的特性。
4.2.2 异步电机的矢量控制策略异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，不像直流电动机可以通过控制电枢电流来灵活控制电磁转矩。
随着矢量控制的发展，异步电机的控制越来越灵活，已达到可与直流机相媲美的性能。
矢量控制就是将定子电流的励磁分量与转矩分量解耦，然后通过对转矩分量的控制完成电机转矩的控制，达到调速目的。
本实验平台采用矢量控制策略框图如下图9所示：图9 基于矢量控制的异步电机模拟风力机控制框图电机转矩由转矩电流q i确定，故利用转矩电流可方便地控制电机的转矩，实现风力机的模拟。
4.2.3 风力机特性模拟的仿真分析本平台主要要针对风速变化（此时转速保持不变）以及转速变化（此时风速保持不变）两种情况，在MATLAB∕SIMULINK仿真环境下对风力机系统的运行特性进行仿真分析。
相关仿真参数，电机参数：（1）风速变化，转速不变情况的仿真。
风速分别是8m/s、10m/s、9m/s仿真图形如下图10所示：图10a 输出转速图10b 输出转距5 风力机模拟实验平台的硬件实现5.1 模拟系统的构成模拟系统由DSP控制面板、变频器、异步电机、光电编码器、联轴器等主要器件构成。
具体构成图如下图10所示。
图11 模拟系统构成图本实验平台是由风力机数学模型所给出的气动转矩信号作为整个系统的给定，控制异步电机运行在风力机特性曲线上。
风力机模拟实验平台主要包括以下部分：（1）风力机数学模型通过对风力机特性曲线的分析，经由编程在DSP2812中建立风力机输出特性数学模型，输出气动转矩信号作为矢量控制系统的转矩给定。
（2）矢量控制系统该部分实现①变频器完成，风力机数学模型计算出的转矩信号作为变频器的控制信号。
此变频器应可以采用空间矢量PWM方式完成对原动机转矩的控制，以拖动原动机实现风力机模拟。
②利用逆变器控制，DSP2812通过采集到的风速与转速，查表得到相应转矩，作为矢量控制的输入，通过SVPWM 模块产生六路控制脉冲，作用于电压型逆变器功率元件，输出三相交流电压，使原动机按照给定的转矩运行，即模拟出风力机的特性。
（3）原动机由一台2.2KW异步电动机作为风力机模拟器的原动机，来拖动同轴连接的发电机。
（4）发电机异步电动机与发电机同轴相连，所以稳态时两者具有相同的转速和转矩。
发电机通过控制面板给定转速来控制两台电机转速。
此实验平台可先选用与原动机同型号的异步机作为发电机进行初步试验研究探索，暂时不进行并网研究。
后续工作中可进行以下工作：①采用AC/DC/AC变流器并网发电，发电机同样采用实现间接磁场定向控制实现转速调节，而并网逆变器采用电网电压定向的矢量控制实现直流电压和功率因数的控制；②更换电机，完成双馈发电机发电并网的实验研究。
风力机数学模型输出的气动转矩是由原动机部分的光电编码器所测转速和给定风速经由数学模型计算得到，给定风速可由基于DSP2812控制面板给定，也可通过编程来模拟阵风等较为复杂的实际情况。
5.2 硬件设备选择根据系统控制功能，硬件平台分成交流电机拖动系统、驱动系统、控制系统。
交流电机拖动系统由2台三相异步电动机、接触器、断路器、熔断器、光电编码器、联轴器组成。
驱动系统：变频器或由逆变器及相应驱动隔离电路组成。
控制系统：F2812控制板、继电器等组成。
具体设备选择如下：（1）2台同型号三相异步电动机（2.2KW），1台异步机作为原动机，1台异步机作为发电机。
