大功率风能转换实验系统的建模与仿真

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在能源日益紧张，环境污染 日益严重的今天，可再生能源的开发利用逐渐提上人类可持续发展的日程，其中作为绿色能源风能的利用更以其突出的优点而受到格外的关注l1。中国风能资源丰富，可开发利用的风资源 14亿kW，其中陆上6亿kW、海上8亿kW。2008年中国累计装机容量达到1221万kW，其中并网发电的有894万kW。到2020年我国风电装机将达到 1.5亿kW。随着国家对风电产业的政策扶持和政策导向力度的加大，近年来，我国风电市场高速发展。但同时，我国风电国产化率有待提高，大型风力发电机组主要依赖进口，创新能力不足已经成为制约我国风力发电产业持续、快速发展的瓶颈之-。如何提高转化效率、获取更多风能，实现风能规模化利用，-直为学者及业界所关注目。

风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。风能转换系统中，由于- 些不确定因素的存在而表现出强非线性特征，风机产生的能量随着风速和风向的连续波动而快速变化，此外，能源系统要求满足电能质量和可靠性指标，-般传统线性定池制器会引起超调和损失系统的稳定性。国内外对风能转换系统的研究热点是系统优化设计和先进控制策略。文献为了实现额定风速以下风能转换系统风能捕获率的最大化 ，根据风速的多时间尺度特性 ，基于频率分离原理建立了风能转换系统的双频环模型。并针对低频环和高频环分设优化控制器，实现了风能转换系统双频环滑呢制，实现了风能捕获率最大化p。文献提出变桨距风电系统功率控制的逆系统鲁棒方法，可以在风速任意波动条件下有效地控制风电系统的输出功率，并且对系统参数的大范围扰动具有较强的鲁棒性It]。文献开发了基于无源性的双馈风力发电机控制系统，能够高速 、有效实现最大风能捕获 ，同时对电机参数摄动及负载转矩变化具有很强的鲁棒性 〖虑到风能转化系统的实际研究中，存在硬件平台支持不够，现场实验无法进行的缺点，提出以MATLAB/Simulink为研究工具，进行犬功率风能转换系统的建模与仿真，通过设计转矩环、速度环和功率环控制器，实现大功率风能转换系统的最优控制特性跟踪，以期为风电系统投入实际运行打下理论基矗来稿日期：2012-03-14基金项目：河南势技厅科技攻关计划资助项目(122102210416。112102210339)作者简介：杨 飞，(1981-)，男，河南许昌人，硕士，讲师，主要从事光电技术教学、光信息科学技术方向的研究；张元敏，(1963-)，男，河南南阳，教授，主要从事电子技术研究第1期 杨 飞等：大功率风能转换实验系统的建模与仿真 1632风能转换系统的数学模型 ( )王 (7)风能转换系统是可以将捕获的气流能量转换成电能的装 町置，包含四个子系统构成，空气动力子系统、传动链系统、电磁子 式中：.，l、 -增速齿轮的惯量；厶-风轮的惯量；J -发电机的惯系统和电力子系统，典型的定速变桨距风能转换系统框图在 量。

MATLAB环境下结构，如图1所示句。 2.3鼠笼式感应电机模型图 1 MATLAB环境 F定速变桨距 l能转换系统框图Fig.1 Block Diagram of Constant SpeedVariable Pitch Wets under Matlab2.1风力机模型风力机的叶尖速度比表示叶片速度与风速之比f)1：A--RI-Il (1)式中：JR-叶片长度；Q.-风轮角速度； -风速。

功率系数 表示风力机的风能利用效率，风力机的捕获功率可表示为：. 订尺2)3c(A) (2)式中：p-空气密度。

转矩系数 C 表征风轮输出转矩 ，可表示为：CF (3)22传动装置模型风力发电系统的刚性传动系统连接风轮和发电机，负责机械能的传递，其主要机械部件为增速齿轮嘲。忽略粘性摩擦，其模型包含-个高速轴或低速轴提供的-阶运动方程，表示为：手 (n，， )- ( ，c) (4) (n )- i-(1h，c) (5)式中：书动比； 率； (Q ， )-空气动力转矩，以风速作为参数； (n，c)-电磁转矩，以表示的负荷变量作为参数；五、 -高速轴和低速轴的惯量，其计算表达式为：，(.，IL)手 (6)设状态向量为 ： [ 。( ) ： (f) [ ] (8)输人向量为：u[ 跗 ]r (9)则鼠笼式感应电机的数学模型可描述为：f A(n)· 曰。

1 ： ： )r2令：or1-≠ ，则矩阵 ( )为： lJJ-A ffth 1-等 箍- J-鲁Lm Rs pnLo-LsLR o-LRpnL LmRs仃LR LsLR1。去 。

。 1 。 -Lm p hLm LmRRoLs LsLR- - 击(12)式中：p-电机的极对数江， 定 、转子互感； 、 、ira、i聒-定、转子在d-q轴坐标下的电流分量； 、V -定子在dg轴坐标下电压分量；Q -发电机的旋转角速度；to广-定子的场频；R 、 -定子电阻和转子电阻； 、 广-定子电感和转子电感。

忽略静态和粘性摩擦，发电机高速运动轴的方程可描述为：jd l，h- ： - (13)式中： 高速轴的转动惯量；n -高速轴的旋转角速度；- 机械转矩；- 电磁转矩。

3风能转换系统优化跟踪控制器设计3.1鼠笼式感应电机矢量控制结构鼠笼式感应电机矢量控制结构由两个解耦环组成，-个是保证感应电机磁场导向的转子磁通环，用以控制转子磁通，另-个是转矩控制环用以控制定子电流。MATLAB环境下构建的鼠笼式感应电机矢量控制结构1q，如图2所示。

164 机械设计与制造No.1Jan.201 3图 2 MATLAB环境 F鼠笼式感应电机矢量控制结构图Fig.2 Structure Diagram of Scig Vector Control under Matlab3.2控制器设计转矩环由鼠笼式感应电机矢量控制结构图得出，目标参考转矩可设为： ( )： p耵 (15)A∞ 式中：A -叶尖速比最优值；矿-功率传动的总机械效率。

速度环 PI控制器设计为：Gs(s) (1 1) (16)控制器参数为：望-士 叫n ∞ n t(17) 2式中：∞ 、 -二阶系统的自然频率和阻尼系数； 、K。 -功率传动模型的时间常数和增益。

功率环同样有-个 PI控制器实现，实现对有功功率的跟踪控制。

4风能转换系统优化跟踪控制仿真根据系统所构建的鼠笼式感应电机风能转换系统，风力机模型中，选择风轮叶片长度R-40，功率系数最大值 0.47，叶尖速比最优值A 7；传动链模型中，选取传动比ilO0，传动效率71-0.95，高速轴转动惯量AO.5、低速轴转动惯量 1；鼠笼式感应电机参数选择为：电机极对数p2，定 、转子互感 L 0.005：，定子电阻 R 0.0025、转子电阻 0.005，定子电感 s0.o052 转子电感L 0.0052，发电机转动惯量 90。

在 MATLAB环境下进行系统仿真，功率系数变化曲线(图略)∩见大部分运行在0.4到功率系数最大值 cD：o.47之间，最优控制特性曲线(图略)。仿真中同时给出了电磁转矩、钉子电流和功率输出特性曲线，风别(图略)。

5结术语实际的大功率风能转换系统研究中，直接立足风电工程项目进行研究是-个难点，并且难于实施，在项目前期进行仿真建模研究是较好的研究手段。以大功率变速定桨距风能转换控制系统为研究背景，以鼠笼式感应电机为发电系统，详细分析了风能转换系统的空气动力学特生和建模，给出了传动链数学模型和感应发电机的数学模型；以MATLAB/Simulink为研究工具 ，实现了大功率风能转换系统的建模和鼠笼式感应发电机的矢量控制，给出了转矩环、速度环和功率环控制器的设计方法，通过仿真表明，该系统能实现大功率风能转换系统的最优控制特性跟踪，为风力发电系统的优化控制进行了前期理论研究，以期应用于实际风电工程建设。