基于直流电动机的风力机特性模拟

Po v1> v2> v3> v4> v5 popt v1 v2 v3 v4 v5 0 ω (a) po = f (v, ω w ) w 0 v5 v4 v3 Tl v1> v2> v3> v4> v5 Topt v2 v1
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风力机与直流电动机的特性比较
要进行风力机特性的直流电动机模拟，首先要 从风力机和直流电动机的基本原理出发，探讨两者 在运行特性和运行本质上的差异。 由风力机的空气动力学可知，风力机输出的机 械功率[12]为 Po = πρ Dw2 v3 C p /8 (1) 式中： ρ 为空气密度； Dw 为叶片的直径； v 为风 速； C p 为风能利用系数。 C p 是表征风力机效率的重要参数，定桨距风 力机的 C p 与叶尖速比 λ 有关。 λ 是风力机的运行参 数，为叶片的叶尖线速度与风速之比 λ = Dwω w /(2v) 式中 ω w 为风力机的角速度。 其关系如图 1 所示。 对于 λ 决定着 Cp 的大小， 一个特定的风力机，具有唯一一个对应 Cp 最大的 叶尖速比，称之为最佳叶尖速比，用λopt 表示，对 应的 Cp 称为最大风能利用系数，用 Cp,max 表示。当 λ大于或小于λopt 时，Cp 都会偏离 Cp,max，引起机组 效率的下降。 根据图 1 和式(1)， 可以导出不同风速下风力机
Rf Lf if Ra La idcm
+ Uf − ea
Ra 、 La、 Rf 和 Lf 分别为直流电动机电枢绕组和励磁绕组的电阻、 电感；udcm、i dcm 分 别为电枢绕组端电 压和电流 ；uf、if 分别为 励磁绕组端电压和电流；ea 为电枢绕组的反电势。
图 1 风力机 Cp-λ曲线 Fig.1 Cp-λ curve of a wind-turbine
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引言
风能是一种无污染、可再生的绿色能源。开发 风能，大力发展风力发电，对于解决全球性的能源 危机和环境危机具有重要的意义，成为各国学者研 究的热点[1-7]。 近几十年来， 风力发电技术得到了飞 速的发展，变桨距控制、变速恒频发电、无齿轮箱 直接驱动等众多先进技术从实验室走向现场，得到 了广泛的应用[3]。实验室的先期探讨对风力发电技 术的发展起着重要的引导作用，伴随着科研人员的 艰辛探索，更多的新技术和新理论将在实验室里被 孕育和验证。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 验研究带来了很大的困难。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[8]。介绍风力机特 性模拟的国内外文献比较少，并且缺乏深入的分析 和具体的实现方案。 文献[9]采用了电动机模拟风力 机拖动双馈异步发电机，但只重点介绍了发电机和 变 换 器的控制，对风力机特性模拟缺乏深入 的探 讨；文献[10] 给出了用于风力机模拟的电动机总体 控制策略，但缺乏具体的实现方案和模拟算法。文 献[11]通过控制直流电动机的端电压对风力机最优 运行时的特性进行模拟，但不能模拟非最优运行区
3 Pmax = k wω w 2 Topt = kw ω w
(3)
其中 kw = 0.25 ρ S w ( Dw / λopt )3 C p ,max 由上式可知，风 力机的 最 大功率和最 佳 转矩分 别 与转速的三次 方 和二次方成正比。 图 3 为他励式直流电动机的等效电路图。
图 3 他励式直流电机的等效电路 Fig.3 The equivalent circuit of separately excited DC motor
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 26 卷
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2001AA512023)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program(2001AA512023)．
速变化两种典型运行条件下的风力机运行特性进行了模拟 实验， 模拟结果与理论数据达到了高度的吻合。 基于转矩模 拟算法的风力机特性模拟方案， 可方便地应用于实验室条件 下风力发电技术的研究。 关键词：风力机；直流电动机；模拟；特性；风力发电
Cp Cp,max
(b) Tl = f ( v, ω w )
ωw
Fig.2
图 2 风力机特性曲线 The characteristic curve of wind turbine
(2)
图 2(b) 表示了风力机的转矩特性( 转速为零时 转矩应为零)。 类似地， 各种风速下转矩曲线上的最 佳运行点形成的 Topt 曲线称为风力机的最佳转矩曲 线，运行在此曲线上，风力机同样能捕获到最大风 能。风力机的转矩特性与功率特性实质是一致的， 只是从不同的角度反映了风力机的运行特性。根据 式(1)、 (2)可导出， 风力机的最大功率和最佳转矩为
LIU Qi-hui1, HE Yi-kang2, ZHAO Ren-de2
(1. Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China; 2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: In order to imitate wind turbine in laboratory, this paper firstly analyzed the operation principles and power & torque characteristics of wind turbine and direct current(DC) motor, then it investigated the operation characteristics of wind turbine contrast to those of DC motor. The torque imitation scheme was provided, which imitates the torque characteristics of wind turbine by controlling the armature current of DC motor. The scheme has good performance and high feasibility. The whole wind turbine imitation system, which includes not only hardware platform comprising PC, datum-collection board and thyristor velocity-regulator, but also wind turbine imitation software. At last, the imitation experiments of wind turbine operation characteristics were performed, The experiments were done under two typical conditions of variable wind speed and variable machine velocity. The experimental results are highly consistent with theoretical datum. The torque imitation scheme of wind turbine characteristics can be conveniently used in the study of wind power generation in laboratory. KEY WORDS: wind turbine; direct current motor; imitation; characteristic; wind-power generation 摘要： 为采用直流电动机模拟风力机特性以满足实验室风力 发电研究的需要，分析了风力机和直流电动机的运行原理， 探讨了各自的功率及转矩特性， 对比研究了两者运行特性的 异同。制定了实现简单、特性优良的转矩模拟方案，它通过 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。建立了由 PC 机、数据采集卡和晶闸管调速器构成的风 力机模拟硬件平台， 开发了风力机模拟监控软件， 在此基础 上组成了完整的风力机特性模拟系统。 对风速变化及机组转
第 26 卷 第 7 期 2006 年 4 月 文章编号：0258-8013 (2006) 07-0134-06
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM310 文献标识码：A
Vol.26 No.7 Apr. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
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第7期
刘其辉等： 基于直流电动机的风力机特性模拟
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域的运行特性，不具有代表性。直流电动机模型简 单， 控制性能优越， 是进行风力机模拟的有效工具。 为了对风力机的普遍运行特性进行模拟，本文首先 分析了风力机和直流电动机的运行原理，给出了两 者的功率特性和转矩特性，在此基础上对它们的运 行特性进行了对比分析。提出并比较了功率模拟方 案和转矩模拟方案，重点研究了实现简单、性能优 良的转矩模拟方案。构建了包括硬件平台和监控软 件在内的完整的风力机模拟控制系统，并对不同运 行条件下风力机的运行特性进行了模拟实验。实验 结果证明，本文的风力机特性模拟方案实现简单， 模拟效果优良，为实验室条件下进行风力发电技术 的深入研究创建了条件。