基于风机特性模拟的风力发电系统
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究创 造 了条 件 。
１ 直 流 电动 机模 拟 风 力 机 特 性 的理 论 依据
直流 电动机 之 所 以能 用 来模 拟风 力 机特 性 ， 是 因为两者 在运行 特性 和运行 本质上 存在很 大 的
相似性 。下 面从两 者 的基本原 理 出发寻找 直流 电
图 １ 风 机 的 Ａ ｃ 特 性 曲 线 －
速 ， Ａ始终 为 Ａ ， 使 就可使 风力 机 运行 在最 佳 功 率 点上 ， 获得最 大 的风 能转 换 效 率 。风力 机 的功 率 一转速 曲线 组成 了 曲线簇 ， 每条 曲线 上最 大 功
率 点 的连 线 （ 曲线 ） 称 为风 力 机 的最 佳 功 率 Ｐ ， 曲线 ， 只要运行 在这 条 曲线 上 ， 风力 机就 能捕 获到 最 大风 能 。风 力机 的转矩 特性 和功率特 性实 质是
ｔｔ ｈ ｐ ｒｔ ｎ ｓａｅ ｅ ｎ ｕ ｂ ｎ ｐ ｒｔ ｄ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔｗ ｎ ｅｏ ｉ ｎ ｉ ｅ ｅ ｔｒ ｔｒ ｓ ｅ ｄ，ｔ ｅ ｃ ｒ ｃ — ａ ｅ ｔｅ ｏ ｅ ａｉ ｔ ｔｓｗｈ ｎ ｗｉ ｄ ｔ ｒ ｉｅ ｏ ｅ ａｅ ｎ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉ ｄ ｖ ｌｃｔ ａ ｄ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏｏ ｐ ｅ ｏ ｆ ｙ ｆ ｈ ｏｒ ｔ ｅ
献 ［ ］ 出了直 流 电动 机模 拟 风 力 机 运行 在 一 系 ６给
自然 风力 资 源 和 具 有 实 际 风 力 机 特 性 的 受 控 环 境， 以便进 行 风力 机 驱 动 控 制 等方 面 的研 究 和 设
列最大 功 率点 时 的情 况 ， 而没 有 模 拟 非 最 优 运行
基金项 目： 台达环境 与教育基金会《 电力 电予科教发展计划》 Ｄ Ｅ ２０ ０ ２） （ Ｒ Ｓ ０ ７０
０ 引 言
目前 ， 风力 发 电技术 在 全球得 到 了迅猛 发展 ，
计 ， 高研 发 的效 率 十分 必要 … 。 提
风 力机 模拟 系统 应具 有 与实 际风 力机 相 同的
许 多先 进技 术不 断从 实验 室走 向应 用 现场 。要进 行 风力 发 电技术 的研 究 ， 想 的试 验 方 法是 将 发 理 电机与 风力 机 相 连 ， 现 场做 试 验 。但 多数 实 验 在
迫 札 西才 刮 应 用 ２１， ３ 望 ０１ ８（ ） ３
新能源与风力发电 ｉ № Ａ Ｅ
基 于 风 机 特 性 模 拟 的风 力 发 电 系统 术
赵梅 花 ， 阮 毅’ 沈 阳 叶斌 英 ， 赵 方平 ， ， （ ． 海 大学 机 电工程 与 自动化 学 院 ， 海 １上 上
１ １
动机模 拟风 力机 特性 的理论依 据 。
１ １ 风机 特性 ．
根据 贝兹 （ ｅ ） Ｂ ｔ 理论 ， 轮 机实 际得 到 的 功 ｚ 风 率 与风速 的三 次 方有 关 。在 风 速 下 运行 时 ， 单 位 时间 内捕 获 的风能 为
ＰＴ ＝ １ ２ ￣ ｐ ／ ｏｒ Ｃ ｐ Ｒ
摘
２ ０ ７ ２ 洛 阳理 工学 院 ， 南 洛 阳 ４ １ ２ ０ ０ ２； ． 河 ７ ０ ３）
要 ： 析了风力机和直流 电动机 的运行原理 ， 分 给出 了直流 电动机模拟风力 机的理论依据 。提 出 了实
现简单 、 特性 优 良的转速 、 转矩控 制模 拟方案 ， 通过控制直 流 电动机 电枢 电流来 实现风 力机转矩 特性的模 拟。 搭建 了基 于风力机特性模拟 的直驱式变速恒频风力发 电系统 试验平 台 ， 实现了模拟 风力机在 不同风速 、 转速 下系统的稳定运行状态 ， 验证 了模拟方案 的可行性 和正确性 ， 满足 了该 风力发 电系统并 网逆变和最 大风能追
室不具 备风 厂环 境 ， 供 具 有 实 际 风 力 机特 性 的 提
受 控对 象是 风力 发 电技术 实验 室研 究 的前提 。 因 此， 研究 一种新 颖 的风 力机 模拟 系统 ， 拟不 依赖 模
等 。其 中文献 ［ ］ 用 直 流 电 动机 模 拟 了风 力 机 ５应 的转 速 ～功率 曲线 ， 但仅 为单 一 风速下 ＼
静 雷
（） １
式 中 ：— — 空气密 度 ； ｐ
— —
风 轮 叶片半径 ；
图 ２ 不 同风速和转速下功率特性
Ｃ — — 风能利 用系数 ， 映了风 轮机利 用风 反 能 的效 率 ， 是 叶 尖速 比 Ａ和 叶 片节 距 角 ａ 函 它 的
数。
Ａ ： Ｒ Ｔ ｏ ｔ／ （ ２）
ｎ ｓ ｎ ｅ ｓｂ ｌ ｙｏ ｈ ｍｉａｉｎ ｓ ｈ ｍｅｓｗａ ｅ ｉ ｅ ｅ ｓ ａ ｄ ｆ ａ ｉ ｉｉ ｆｔｅ ｉ ｔ ｔ ｃ ｅ ｔ ｏ ｓｖ ｒｆ ｄ，ｗｈ ｃ ａ ｉｆｅ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ｅ ｎ ｌｂｏ ａｏｙ ｃ ｎｄｔｏ ｄ ｏ ｉ ｉ ｈ ｓ ｔｓ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｄ ｉ ａ ｒｔ ｒ ｏ ｉｉｎ ｆ ｉ ｔ ｎ ｏ ｒｓ ｓｅ ｆ ｒｔａ ｋｉｇ ｔｅ ｍａ ｍｕｍ ｎ ｎ ｒ ｙ ａ ｄ ｇ ｉ ｃｏ ｅ ｔｄ ｉ ｅｔ ｒ ｈｅ ｗｉ ｄ ｐ ｗｅ ｙ ｔｍ ｏ ｒｃ ｎ ｈ ｘｉ ｗｉｄ ｅ ｅ ｇ ｎ ｒｄ— ｎｎ ｃｅ ｎｖ ｒｅ ． Ｋ ｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ：ｗｉ ｄ ｎ ｐｏｗｅ ｅ ｒ ｔｏ ｒ ｇ ｎｅ ａ ｉ ｎ； ＤＣ － ｏ ｏｒ；ｃｈ ａｃ ｅ ｉｔｃ ｍ ｉ ｔｏｎ； ｔａｃ ｎｇ ｔ ｅ ｍ ａｘｍ ｕｍ ｎｄ ｍ ｔ ａｒ ｔ ｒｓｉ ｓ ｉ ￣ ｉ ｒ ｋｉ ｈ ｉ ｉ ｗ ｅｅｇ ｎ ｒ ｙ； ｇ ｄ— ｏｎ ｃ ｅ ｎｖｅ ｔ ｒ ｉ ｒ ｃ ｎｅ ｔ ｄ ｉ ｒ ｅ
所 示 。由 图 １可知 ， 对于一 个 特定 的风速 ， 总存 在 一个最 佳 的 叶 尖 速 比 Ａ ， 应 着 一 个 最 大 的 对
风能转 换 系数 Ｃ 。从 图 ２可 以看 出 ， 同一 个 … 在 风速下 ， 同的转速会 使风 力机输 出不 同的功 率 。 不 只要 能够 根据风 速 的变化 ， 当地 调 整风 力 机转 适
ｔ ｒ ｉ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｉ ｕ ｂ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｎ ＤＣ— ］ｔｒ ｗａ ｏ ｎｄ Ａ ｉ ｐ ｅ ａ ｄ ｅ ｆｃｉ ｅ ｓ ｈｅｎ ｓ ｐｒｐｏ ｅ ａ ｅｄ ｏ ｈｅ ｓ ｅ ｄ ａｎ ｎｏｏ ｓｆ ｕ ． ｓｍ ｌ ｎ ｆｅ ｔｖ ｃ ｌｅ ｗａ ｏ ｓ ｄ ｂ ｓ ｎ ｔ ｐ ｅ ｄ ｔｒ ｅ，ｗｈ ｃ ｍ ｉ ｔｄ ｔｅ ｔｒ ｅ ｃ ｒ ｃｅ ｓｉｓｏ ｎｄ ｔ ｂｎｅｂｙｃ ｎ ｒ ｌｉｇ ｔ ｅａ ｎ ａｕ ｕ ｒ ｎ ｆＤＣ— ｔ ｒ Ａ — ｏｑｕ ｉ ｈ ｉ ｔ ｅ ｈ ｏｑｕ ｈａ ａ ｔｒ ｔ ｆｗｉ ｕｒ ｉ ｏ ｔｏｌｎ ｈ ｒ ｌｔ ｒｃ ｒｅ ｔｏ ａ ｉ ｃ ｍｏ ｏ ． ｄｉ ｒ ｅ— ｉｅ ｙ ｎ ｏ ｒｓ ｓｅ ｐ ａｆｒ ｂ ｓ ｉ ｗｉ ｕ ｂ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓｉ ｔｔｏ ｅ ｐ，Ｉ ｏ ｄ ｉ — ｅ ｔｄｒｖ ｎ ｔｐｅ ｗｉ ｄ ｐ ｗｅ ｙ ｔｍ ｌ ｔｏｍ ａ ｅｄ Ｏｌ ｎｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔｃ ｍｉａｉ ｎ ｗａｓｓ ｔｕ ｉ ｔｃ ｕｌ ｍｉ
１２ 直流 电动机模 拟风 力机 的运行原 理 ．
（ ）直流 电动机 的静态数 学模 型 删 ： １
Ｗ ｉ ｄ ｗｅ ｅ ｒ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｎ Ｗ ｉ ｎ Ｐｏ ｒ Ｇ ｎｅ ａ ｉ ｎ Ｓ ｓｅ Ｂａ ｅ ｏ ｎｄ Ｔｕｒ ｉ ｂ ｎｅ Ｃｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｍ ｉａ ｉｎ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ Ｉ ｔ ｔｏ
ＺＨＡＯ ｅ— ｕ 一 Ｍ ｉｈ ａ’
，
ＲＵＡＮ ｉ Ｙ ， Ｓ ＨＥＮ ａ ｇ ， Ｙｎ
致的， 只是从 不 同 的角 度 反 映 了风 力机 的运 行 特性 。
系统应 用于 直驱式 混合励 磁发 电机变 速恒频 并 网
风力发 电 系统 的 实 验 室研 究 。系 统 试 验 结 果 表
明： 风力 机 特 性 模 拟 方 案 实 现 简 单 、 拟 效 果 优 模
良， 为实验 室条 件下 进 行 风力 发 电 技术 的深 入研
踪 等 方 面 实 验 室 研 发 的需 要 。
关 键 词 ： 力 发 电 ： 流 电动 机 ； 性 模 拟 ；最 大 风 能 追踪 ； 网逆 变 风 直 特 并
中图 分 类 号 ： Ｍ ３ ５ 文 献 标 志 码 ： 文 章编 号 ：６３６ ４ （０ １ ０ －０ １０ Ｔ １ Ａ ｌ７ － ０ ２ １ ）３０ ５ －６ ５
一
了简单有 效 的转 速 一转 矩 控 制模 拟 方 案 ， 建 了 搭 基 于 数 字 信 号 处 理 器 （ ｉｔ ｉｎｌＰｏｅｓｒ Ｄｇａ Ｓｇ ａ ｒｃｓ ， ｉｌ ｉ ｏ
ＤＰ （ Ｃ６Ｃ） Ｓ ） Ｘ １７ Ｉ 的风力 机模 拟 平 台 ， 构建 了包括
硬件 平 台和 监控软 件在 内的完 整 的直 驱式 风力机 控制 系统实 验平 台。本 文开发 的风力 机特性 模拟
机 械特性 ， 可用 于设计 、 价 和测试 实 际 的风力发 评 电系统 。近 几年 ， 风 力 机 模 拟 技 术 的研 究 逐 渐 对 发展 起来 ， 要 包 括 对 风 速 的模 拟 、 浆 距 的 主 变
模拟 和对 风力 机特 性 的模拟 。其 中风力 机特性 的
模拟 以 电 机 划 分 有 直 流 电 机 和 交 流 异 步 电 机 ， 以控 制 对 象 划 分 有 电 流 、 电磁 转 矩 和 转 速
２ Ｌ ｏａ ｇＩｓ ｔｔ ｏ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｕ ｙｎ ７ ３ Ｃ ｉａ ． ｕｙｎ ｔｕｅ ｆ ｉ ｅａ ｄＴ ｃ ｎｌ ｙ Ｌ ｏａ ｇ４ ２ ， ｈｎ ） ｎｉ Ｓ ｎ ｏ １ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｐ ｒ ｔ ｎ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｎ ｕ ｂｎ ｎ — ｔ ｒｗａ ｎ ｌ ｚ ｄ，ｔ ｅ ｒ ａ ｅ ｎ ｉ ｔｔ ｎ ｗ ｎ ｅ ｏ ｅ ａｉ ｒｎ ｉ ｌ ｆｗｉｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ａ ｄ ＤＣ ｍｏ ｏ ｓ ａ ａｙ ｅ ｏ ｈ ｏ ｙ ｂ ｓ ｄ ｏ ｍｉ ｉ ｉ ｄ ａｏ
１ 直 流 电动 机模 拟 风 力 机 特 性 的理 论 依据
直流 电动机 之 所 以能 用 来模 拟风 力 机特 性 ， 是 因为两者 在运行 特性 和运行 本质上 存在很 大 的
相似性 。下 面从两 者 的基本原 理 出发寻找 直流 电
图 １ 风 机 的 Ａ ｃ 特 性 曲 线 －
速 ， Ａ始终 为 Ａ ， 使 就可使 风力 机 运行 在最 佳 功 率 点上 ， 获得最 大 的风 能转 换 效 率 。风力 机 的功 率 一转速 曲线 组成 了 曲线簇 ， 每条 曲线 上最 大 功
率 点 的连 线 （ 曲线 ） 称 为风 力 机 的最 佳 功 率 Ｐ ， 曲线 ， 只要运行 在这 条 曲线 上 ， 风力 机就 能捕 获到 最 大风 能 。风 力机 的转矩 特性 和功率特 性实 质是
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自然 风力 资 源 和 具 有 实 际 风 力 机 特 性 的 受 控 环 境， 以便进 行 风力 机 驱 动 控 制 等方 面 的研 究 和 设
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目前 ， 风力 发 电技术 在 全球得 到 了迅猛 发展 ，
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风 力机 模拟 系统 应具 有 与实 际风 力机 相 同的
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赵梅 花 ， 阮 毅’ 沈 阳 叶斌 英 ， 赵 方平 ， ， （ ． 海 大学 机 电工程 与 自动化 学 院 ， 海 １上 上
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动机模 拟风 力机 特性 的理论依 据 。
１ １ 风机 特性 ．
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摘
２ ０ ７ ２ 洛 阳理 工学 院 ， 南 洛 阳 ４ １ ２ ０ ０ ２； ． 河 ７ ０ ３）
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现简单 、 特性 优 良的转速 、 转矩控 制模 拟方案 ， 通过控制直 流 电动机 电枢 电流来 实现风 力机转矩 特性的模 拟。 搭建 了基 于风力机特性模拟 的直驱式变速恒频风力发 电系统 试验平 台 ， 实现了模拟 风力机在 不同风速 、 转速 下系统的稳定运行状态 ， 验证 了模拟方案 的可行性 和正确性 ， 满足 了该 风力发 电系统并 网逆变和最 大风能追
室不具 备风 厂环 境 ， 供 具 有 实 际 风 力 机特 性 的 提
受 控对 象是 风力 发 电技术 实验 室研 究 的前提 。 因 此， 研究 一种新 颖 的风 力机 模拟 系统 ， 拟不 依赖 模
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式 中 ：— — 空气密 度 ； ｐ
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１２ 直流 电动机模 拟风 力机 的运行原 理 ．
（ ）直流 电动机 的静态数 学模 型 删 ： １
Ｗ ｉ ｄ ｗｅ ｅ ｒ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｎ Ｗ ｉ ｎ Ｐｏ ｒ Ｇ ｎｅ ａ ｉ ｎ Ｓ ｓｅ Ｂａ ｅ ｏ ｎｄ Ｔｕｒ ｉ ｂ ｎｅ Ｃｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｍ ｉａ ｉｎ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ Ｉ ｔ ｔｏ
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系统应 用于 直驱式 混合励 磁发 电机变 速恒频 并 网
风力发 电 系统 的 实 验 室研 究 。系 统 试 验 结 果 表
明： 风力 机 特 性 模 拟 方 案 实 现 简 单 、 拟 效 果 优 模
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踪 等 方 面 实 验 室 研 发 的需 要 。
关 键 词 ： 力 发 电 ： 流 电动 机 ； 性 模 拟 ；最 大 风 能 追踪 ； 网逆 变 风 直 特 并
中图 分 类 号 ： Ｍ ３ ５ 文 献 标 志 码 ： 文 章编 号 ：６３６ ４ （０ １ ０ －０ １０ Ｔ １ Ａ ｌ７ － ０ ２ １ ）３０ ５ －６ ５
一
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硬件 平 台和 监控软 件在 内的完 整 的直 驱式 风力机 控制 系统实 验平 台。本 文开发 的风力 机特性 模拟
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模拟 和对 风力 机特 性 的模拟 。其 中风力 机特性 的
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