基于VaconNX系列变频器实现风力发电模拟系统的设计

作者：李建林 ， 高志刚 ， 付勋波

1 引言

目前风能是发展最快、最具竞争力的新能源之一。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。近年来，风力发电技术的各个方面都得到了迅速的发展，各种新式的风力发电机、功率变流器、最大功率跟踪算法、先进控制技术等都得到了广泛的应用。大多数实验室都没有风电场或风力机，这很不利于对一些新式理论和技术的验证，为了加强风力发电技术的研发能力，有必要发展一种能在实验室模拟风力机特性的技术来简化目前风力发电系统研究的实验过程，加速新方法、新技术的研究周期。风力机模拟器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于环境和风力机的情况下模拟风力机特性，可以模拟不同的特性的风力机，而且可以任意设定风速的变化曲线，方便了实验室对风力发电系统的研究。风力机模拟装置可以用于风力发电系统及其部件的开发和测试。

由于异步电动机具有稳定性好，维修费用低，工作时间长，且价格相对便宜等优势，因此，实验室采用异步电动即进行风力机模拟器的载体。然而，异步电动机的控制相对复杂也是为大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列变频器，实现了对异步电动机的“理想控制”，从而使异步机输出曲线与风力机输出曲线吻合，达到了模拟风力机特性的目的，同时，借助与Vacon公司变频器的强大编程能力，模拟不同的风力机只需要改变相应的参数就可以实现，应用简单、方便。

2 风力机特性研究

根据空气动力学可以知道，风力机的输入功率是：

其中：ρ为空气密度，A为风力机叶片扫掠面积，RW为叶片的半径，v为风速。

风力机的输出功率为：

其中CP为风能利用系数：

风能利用系数CP为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速，叶片转速，叶片直径和桨叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。

叶尖速比λ是风轮叶尖速度与风速之比：

图1风力机叶尖速比与风能利用系数关系曲线

由图1可以看出，对于一台确定的风力机，在一定风速和桨距角时，存在一个最大风能转换系数，此时风力机输出功率最佳。因此，在某一风速下，调节风力机转速，使其运行在最佳叶尖速比条件下，就可以达到最大风能捕获的目的。

对于风力系统来说，输入机械转矩特性非常重要，与之相对应的是风力机输出功率与机械角速度之间的关系曲线，如图2所示。

图2风力机输出机械功率和机械角速度间的关系曲线

3 风力机模拟器原理

图3风力机数学模型

将此时的转矩给定作为异步电动机的转矩给定，保持异步电动机输出转矩与给定相同，即可实现此时的风力机模拟功能，因此风力即模拟器的原理框图可以用如下图4所示的框图表示。

图4风力机模拟器原理框图

实验中采用芬兰VaconNX系列变频器来对异步电动机进行控制，VaconNX系列变频器是高性能矢量控制通用变频器。它具有如下特点：

（1）采用先进的矢量控制算法，对电机磁通电流和转矩电流分别进行解耦控制，配合电机参数设定，动态补偿负载波动，能实现电机转矩的快速响应和准确控制，具有极高的稳速精度和快速动态响应，能满足各类高性能场合的传动控制要求。

（2）VACON变频器具有开放的可编程功能，编程工具VaconNC11313Engineering是一个符合IEC611131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计VaconNX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PI控制器和积分器。NCl131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。自带LCD键盘，不仅能够显示运行数据和故障代码，还能进行参数的拷贝和下载功能，非常方便调试和后期维护。

（3）多种扩展卡满足用户需要。

（4）内置RS-485接口，通过扩展板可以接入符合国际标准的ProfiBusDP、ModBus现场总线控制系统，满足日后组网要求。

（5）瘦长、节省空间的设计，安装灵活，集成了RFI滤波器能够满足工业等级斜坡防护要求。

实验中，模拟风速为4、5、6、7和8m/s风力机特性如图5所示，图6为相应的参考转矩曲线，可以看出，参考转矩随风速的不同而作相应变化。图7为异步电动机输出的转矩曲线。

图5风速曲线

图6参考转矩曲线

从图7可以看出，该方案能很好的模拟最佳转速曲线，能很快的响应风速的变化，除了在启动时有一些波动外，对风力机最佳转矩曲线模拟得很好。这一结果依赖于VaconNX变频器良好的调速性能和快速的相应能力。

图7转矩曲线

4 结束语

本文搭建了风力机的数学模型，介绍了一种基于异步电动机的由VaconNX变频器控制的风力机模拟器方案。实际运行结果表明，在正确的数学模型支撑下，给定正确的参考力矩，VaconNX变频器便可以精确、高性能控制后续异步电动机的转速和转矩，达到了良好的风力机模拟效果。为实验室对风力发电技术现场问题的研究提高了条件，且由于VaconNX变频器出色的编程能力，在模拟不同的风力机特性时只需要改变相应参数即可，大大方便了实验室应用。

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