基于直流电动机的风力机特性模拟

第26卷 第7期 2006年4月 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.26 No.7 Apr. 2006

©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2006) 07-0134-06 中图分类号：TM310 文献标识码：A 学科分类号：470 40

基于直流电动机的风力机特性模拟

刘其辉1，贺益康2，赵仁德2

(1．电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206；

2．浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027)

Imitation of the Characteristic of Wind Turbine Based on DC Motor

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

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

0 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

第7期 刘其辉等： 基于直流电动机的风力机特性模拟 135

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。

的功率特性(输出功率和转速的关系)，如图2(a)所 示。图中不同风速下(vi为5种风速，i=1,2,3,4,5,且v1>v2>v3>v4>v5)风力机的功率–转速曲线 组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点的连线(Popt曲线)称为风力机的最佳功率曲线，只要运行在这条曲线上，风力机就能捕获到最大风能[12]。

定桨距风力机的特点可总结如下：

（1）不超过额定风速时，对应某一固定的转速，风速越大，风力机输出的机械功率也越大。

（2）在风速固定时，风力机在某一转速时可输出最大功率，转速较小或较大时输出功率都会降低，这个转速称为最佳转速。

（3）最佳转速是对应于某一确定风速的，风速变化，最佳转速也会随之改变。

1 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=πρDw2v3Cp/8 (1)

式中：ρ为空气密度；Dw为叶片的直径；v为风速；Cp为风能利用系数。

Cp是表征风力机效率的重要参数，定桨距风力机的Cp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=Dwωw/(2v) (2) 式中ωw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

Cp

Cp,max

Fig.2 The characteristic curve of wind turbine

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

3

Pmax=kwωw

(3) 2

Tk=ω ww opt

其中kw=0.25ρSw(Dw/λopt)3Cp,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。

Uf

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、idcm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。

λopt λ

图1 风力机 Cp-λ曲线

Fig.1 Cp-λ curve of a wind-turbine

图3 他励式直流电机的等效电路 Fig.3 The equivalent circuit of separately excited DC motor

136 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷

稳态下直流电动机的数学模型[13-15]为

udcm=idcmRa+ea

ea=Ceφωm (4)

T=Cφi detdcm式中：Ce、Ct分别为直流动电机的电动势常数和转

矩常数，Ce=Ct；φ为直流电动机的主磁通；Tde为直流电动机的电磁转矩；ωm为直流电动机角速度。 在忽略各种损耗的情况下，可认为直流电动机的电磁功率即为其输出机械功率

Pdo=Tdeωm (5) 按式(4)和(5)式可得

Cφ

Pdo=e(udcm Ceφωm)ωm (6)

Ra

忽略电枢反应，认为φ是常数，则Pdo只与udcm、ωm有关，即Pdo=f(udcm,ωm)。如果udcm恒定，则Pdo=f(ωm)为一条二次曲线。连续改变udcm时可得一簇二次曲线，如图4(a)所示。图中ui(i=1,2,3,4)为4种不同电枢绕组端电压(u1>u2>u3>u4)。

忽略各种损耗，直流电动机的电磁转矩即为其输出机械转矩

Cφ

Tde=t(udcm Ceφωm) (7)

Ra

可以看出，Tde也与udcm、ωm有关，即Tde=f(udcm,ωm)。如果udcm恒定，Tde与ωm成线性关系，Tde=f(ωm)为一条直线。连续改变udcm时， 可以作出一簇直线，如图4(b)所示。

对比风力机的特性(图2)和直流电动机的特性

第7期 刘其辉等： 基于直流电动机的风力机特性模拟 137

从上式看出，计算udcm需检测转速，且检测误差会影响计算精度，此外电压信号较敏感，易受干扰。故功率控制方案的控制误差较大，实现复杂。

从式(4)可知，电枢绕组电流idcm与直流电动机的输出转矩Tde成正比，控制idcm便可控制Tde，因此可通过控制idcm模拟风力机的转矩特性。转矩模拟方案的控制对象是Tde，控制变量为idcm，实现 简单，控制精度高，是本文的研究重点。

采用PI调节器闭环控制的转矩模拟方案如图7所示。控制算法包括两部分：一部分是风力机模型的计算，用来求取参考转矩；另一部分是直流电动机的转矩控制。根据模拟风速和反馈转速，求解风力机模型可得到参考转矩[16]。需要指出的是，在计 算参考转矩时，应将反馈的角速度ωm按实际系统中齿轮变速箱的变比N折算成风力机的角速度ωw，即ωw=ωm/N。

制系统的控制下模拟风力机的运行。为使两个系统协调工作，设置了上位机进行统一监控。

风力机模拟控制系统的硬件配置为“PC＋数据采集卡＋晶闸管调速器”，如图9所示。为了实现风力机模拟控制，自行开发了风力机模拟监控软件，主界面如图10所示。PC辅以监控软件作为风力机模拟系统的控制核心。数据采集卡兼有模拟和数字的输入、输出功能，不但可以反馈电动机运行 参数，如ωm、udcm、

idcm，而且还可输出对晶闸管 调速器的控制信号。选用三相桥式晶闸管移相调速器作为直流电动机的驱动装置[19-20]，对其进行必要改进后控制直流电动机的电枢电流。

图11和图12为两种典型情况下风力机模拟实验情况，上图中的上、下曲线分别为风速、转速；中间图和下图中的曲线分别为风力机的理想输出功率和直流电动机的模拟输出功率。图11为风速

控制控制直流电动机 测速装置

图5 风力机特性的直流电动机模拟思路

Fig.5 The idea of wind turbine imitation by DC motor

图8 风力发电实验系统结构

Fig.8 The structure of wind power generation

experimental system

图6 风力机模型

图9 风力机特性模拟控制系统

Fig.9 Wind turbine imitation control system

图7 风力机特性模拟算法结构

Fig.7 The structure of wind turbine imitation scheme

3 风力机特性模拟实验

本文构建了基于风力机特性模拟的变速恒频风力发电实验系统，如图8所示。作为直流电动机的负载，双馈异步发电机在以DSP为控制核心的发电机控制系统的控制下变速恒频发电运行[17-18]。作为发电机的驱动装置，直流电动机在风力机模拟控

图10 风力机特性模拟软件界面

Fig.10 The interface of wind turbine imitation software

138 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷

恒定、转速变化时的模拟实验，图12为风速线性变化、转速恒定时的模拟实验。两种情况下，直流电动机均较好地模拟了风力机的运行特性。

图13为风力机模拟过程中双馈异步发电机定、转子的电流。在风力机特性模拟过程中，作为负载的发电机的输出功率和转速均可能发生变化。电网电压恒定情况下，定子电流的幅值变化体现了发电机输出功率的变化情况，而转子电流频率的改变则体现了转速的变化情况。

ωr/(r/min)

v/(m/s)

下完成了变速恒频风力发电机风能追踪实验。基于直流电动机的风力机特性模拟，为实验室中研究风力发电中的原动机问题提供了一条简单、有效的途径，为进一步深入研究风力发电技术创建了必要的基础。

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Pdo/W Po/W

图11 风速恒定转速变化时的模拟实验

Fig.11 Imitation experiment when wind velocity keeps

constant and motor speed varies

ωr/(r/min)

v/(m/s)

3.75A/格

Pdo/W Po/W

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4 结论

本文在对比分析风力机和直流电动机的运行

特性基础上，采用转矩模拟算法来控制直流电动机模拟风力机特性，并构建了完整的风力机特性模拟系统软、硬件平台。对典型运行情况下风力机特性的模拟实验表明，转矩模拟方案实现简单，性能优良。它通过对直流电动机电枢绕组电流的控制，可准确地模拟风力机在机组转速变化时及风速变化时的运行特性。采用该方案，成功地在实验室条件

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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附 录

模拟风力机参数：桨叶半径为4.3m，额定功率为10kW，最佳风能系数和最佳叶尖速比分别为0.43和9。

直流电动机参数：额定功率为10kW，额定转速为1500r/min，额定电压为440V，额定电流为39.3A，励磁电压为220V，励磁电流为2.74A.。

晶闸管调速器参数：三相桥式全控整流，平波电抗器规格为100mH/15A。

收稿日期：2006-01-04。 作者简介：

刘其辉(1974—)，男，博士，讲师，主要从事变速恒频风力发电、电力系统静止无功补偿等方向的研究，liuqihuifei@http://www.77cn.com.cn；

贺益康(1941—)，男，教授，博士生导师，IEEE高级会员，主要从事电机及其控制以及电力电子的研究。

（责任编辑 云爱霞）

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