Vacon變頻器在風(fēng)力機(jī)模擬器中的應(yīng)用

1引言

目前風(fēng)能是發(fā)展最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源之一。因此，風(fēng)力發(fā)電成為各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個(gè)方面都得到了迅速的發(fā)展，各種新式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率變流器、最大功率跟蹤算法、先進(jìn)控制技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)力機(jī)，這很不利于對(duì)一些新式理論和技術(shù)的驗(yàn)證，為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，有必要發(fā)展一種能在實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)力機(jī)特性的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加速新方法、新技術(shù)的研究周期。風(fēng)力機(jī)模擬器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于環(huán)境和風(fēng)力機(jī)的情況下模擬風(fēng)力機(jī)特性，可以模擬不同的特性的風(fēng)力機(jī)，而且可以任意設(shè)定風(fēng)速的變化曲線，方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。風(fēng)力機(jī)模擬裝置可以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。
由于異步電動(dòng)機(jī)具有穩(wěn)定性好，維修費(fèi)用低，工作時(shí)間長(zhǎng)，且價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)勢(shì)，因此，實(shí)驗(yàn)室采用異步電動(dòng)即進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬器的載體。然而，異步電動(dòng)機(jī)的控制相對(duì)復(fù)雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的“理想控制”，從而使異步機(jī)輸出曲線與風(fēng)力機(jī)輸出曲線吻合，達(dá)到了模擬風(fēng)力機(jī)特性的目的，同時(shí)，借助與Vacon公司變頻器的強(qiáng)大編程能力，模擬不同的風(fēng)力機(jī)只需要改變相應(yīng)的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用簡(jiǎn)單、方便。

2風(fēng)力機(jī)特性研究

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可以知道，風(fēng)力機(jī)的輸入功率是：

其中：ρ為空氣密度，A為風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積，RW為葉片的半徑，v為風(fēng)速。
風(fēng)力機(jī)的輸出功率為：

其中CP為風(fēng)能利用系數(shù)：

風(fēng)能利用系數(shù)CP為風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，它與風(fēng)速，葉片轉(zhuǎn)速，葉片直徑和槳葉節(jié)距角均有關(guān)系，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。
葉尖速比λ是風(fēng)輪葉尖速度與風(fēng)速之比:

由圖1可以看出，對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī)，在一定風(fēng)速和槳距角時(shí)，存在一個(gè)最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率最佳。因此，在某一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行在最佳葉尖速比條件下，就可以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲的目的。
對(duì)于風(fēng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性非常重要，與之相對(duì)應(yīng)的是風(fēng)力機(jī)輸出功率與機(jī)械角速度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2　風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率和機(jī)械角速度間的關(guān)系曲線

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