基于VSI的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬器

摘 要：為滿足實(shí)驗(yàn)室研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的需要，本文提出了基于三相電壓型逆變器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬方案。文章通過分析風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模型以及永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到控制逆變器的參考電壓，使其輸出外特性能夠在動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行條件下模擬實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。通過MATLAB/Simulink 對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)的運(yùn)行特性與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論特性吻合度高，可滿足實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究需要。 　　1.引言 　　為應(yīng)對(duì)日益凸顯的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，風(fēng)力發(fā)電近年來逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一[1]。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)新理論和新技術(shù)的前期探討、開發(fā)與測(cè)試，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展有著極其重要的推動(dòng)作用。由于條件限制，實(shí)驗(yàn)室一般不具備實(shí)際風(fēng)場(chǎng)自然環(huán)境和風(fēng)力機(jī)裝置，這為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究帶來了很大的困難。 　　為此，通常采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)來模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以進(jìn)行試驗(yàn)研究[2-5]，這類方案從物理實(shí)現(xiàn)上很接近實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，但機(jī)電傳動(dòng)設(shè)備和發(fā)電機(jī)的費(fèi)用投入較高、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且受限于實(shí)際電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的輸出能力，模擬器的功率覆蓋范圍較窄，配置方案也不夠靈活。在借鑒光伏電池模擬電源、電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)模擬裝置的設(shè)計(jì)思路[6-8]，同時(shí)引入風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，本文提出一種新的基于電力電子技術(shù)的靜態(tài)組件模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案。通過基于三相電壓源逆變器(voltage source inverter, VSI)構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)電源模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的風(fēng)力機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的模擬，便于在不具備機(jī)電傳動(dòng)裝置和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的條件下展開風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該方案具有模塊化的可擴(kuò)展性、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地縮短風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的研發(fā)周期和成本，加速新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)。   　　考慮到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，當(dāng)風(fēng)速變化或者風(fēng)機(jī)變流器輸出功率調(diào)整時(shí)，風(fēng)力機(jī)組的工作狀態(tài)會(huì)遵循下述運(yùn)動(dòng)方程逐漸過渡到新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，即風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性：   　　如上圖所示，風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)分為上位機(jī)、模擬裝置控制器、發(fā)電機(jī)模擬裝置三部分。上位機(jī)程序基于LabVIEW 8.6 編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)的參數(shù)在線修改和實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控;模擬裝置控制器的功能主要包括：與上位機(jī)的通訊、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算、采樣和SVPWM 發(fā)波控制等。   參考文獻(xiàn) [1] 姚興佳, 劉國(guó)喜.可再生能源及其發(fā)電技術(shù). 北京: 科學(xué)出版社, 2010. [2] 葉航冶. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002. [3] 王超, 黃文新, 王前雙. 基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬. 電力電子技術(shù), vol. 44, no. 6, pp. 7-9, 2010. [4] 陳杰, 陳家偉, 陳冉 等. 基于永磁同步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)動(dòng)靜態(tài)特性模擬. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), vol. 31, no. 15, pp.40-46, 2011. [5] Hossein Madadi Kojabadi, Liuchen Chang and Tobie Boutot, “Development of a Novel Wind Turbine Simulator for Wind Energy Conversion Systems Using an Inverter-Controlled Induction Motor,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 19, no. 3, pp. 547-552, 2004. [6] Hiroshi Matsukawa, Koukichi Koshiishi, Hirotaka Koizumi, et al, “Dynamic evaluation of maximum power point tracking operation with PV array simulator,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 75, no. 3, pp.537-546, 2003. [7] 沈瑞寒, 劉滌塵, 徐一哲. 基于電力電子模塊模擬的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及并網(wǎng)控制策略的研究. 上海, 2010, 中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十六屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)2010 年年會(huì). [8] Yanlei Zhao, Lei Zhang, Housheng Zhang, “Simulation of Grid-connected Wind Generator in Wind Power Flow Optimization System Experiment Platform,” in Proc. 2nd International Conference on Advances in Energy Engineering, pp. 1630-1635, Independent University,Bangladesh, 2011. [9] 穆俊升. 基于背靠背CSC 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)PMSG 的無傳感器控制研究. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2011. [10] 楊貴杰, 孫力, 崔乃政 等. 空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), vol. 21, no. 5, pp. 79-83,2001. 作者簡(jiǎn)介： 茆美琴(1961-)，女，安徽蕪湖人，教授/博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與可再生能源發(fā)電。