基于VSI的永磁直驱风力发电机模拟器

摘 要：为满足实验室研究风力发电技术的需要，本文提出了基于三相电压型逆变器的风力发电机组模拟方案。文章通过分析风力机气动特性静态、动态模型以及永磁同步发电机的数学模型，计算得到控制逆变器的参考电压，使其输出外特性能够在动、静态运行条件下模拟实际的风力发电系统。通过MATLAB/Simulink 对模拟系统进行仿真，结果表明该系统的运行特性与风力发电系统的理论特性吻合度高，可满足实验室条件下进行风力发电技术的研究需要。 　　1.引言 　　为应对日益凸显的能源危机和环境污染问题，风力发电近年来逐渐成为国内外研究的重点，是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一[1]。实验室环境下对新理论和新技术的前期探讨、开发与测试，对风力发电技术的发展有着极其重要的推动作用。由于条件限制，实验室一般不具备实际风场自然环境和风力机装置，这为风力发电技术的实验研究带来了很大的困难。 　　为此，通常采用电动机拖动风力发电机来模拟风力发电机组以进行试验研究[2-5]，这类方案从物理实现上很接近实际风力发电系统，但机电传动设备和发电机的费用投入较高、机械结构复杂，且受限于实际电动机及发电机的输出能力，模拟器的功率覆盖范围较窄，配置方案也不够灵活。在借鉴光伏电池模拟电源、电力系统同步发电机模拟装置的设计思路[6-8]，同时引入风力机的静态、动态特性的基础上，本文提出一种新的基于电力电子技术的静态组件模拟旋转风力发电机的设计方案。通过基于三相电压源逆变器(voltage source inverter, VSI)构成的风力发电机电源模拟装置，实现对不同规格的风力机-发电机系统的模拟，便于在不具备机电传动装置和风力发电机的条件下展开风力发电系统变流器的相关实验。该方案具有模块化的可扩展性、控制结构简单、成本低廉等优点，能够有效地缩短风力发电系统变流器的研发周期和成本，加速新产品、新技术的研发。   　　考虑到风力机与发电机相连，当风速变化或者风机变流器输出功率调整时，风力机组的工作状态会遵循下述运动方程逐渐过渡到新的稳态工作点，即风力机的动态特性：   　　如上图所示，风力发电模拟系统分为上位机、模拟装置控制器、发电机模拟装置三部分。上位机程序基于LabVIEW 8.6 编写，实现对模拟系统的参数在线修改和实时运行监控;模拟装置控制器的功能主要包括：与上位机的通讯、风力发电系统数学模型的计算、采样和SVPWM 发波控制等。   参考文献 [1] 姚兴佳, 刘国喜.可再生能源及其发电技术. 北京: 科学出版社, 2010. [2] 叶航冶. 风力发电机组的控制技术. 北京: 机械工业出版社, 2002. [3] 王超, 黄文新, 王前双. 基于异步电机的风力机特性模拟. 电力电子技术, vol. 44, no. 6, pp. 7-9, 2010. [4] 陈杰, 陈家伟, 陈冉 等. 基于永磁同步电机的风力机动静态特性模拟. 中国电机工程学报, 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, 刘涤尘, 徐一哲. 基于电力电子模块模拟的发电机系统及并网控制策略的研究. 上海, 2010, 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会暨中国电机工程学会电力系统专业委员会2010 年年会. [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 直驱风力发电系统PMSG 的无传感器控制研究. 合肥: 合肥工业大学, 2011. [10] 杨贵杰, 孙力, 崔乃政 等. 空间矢量脉宽调制方法的研究. 中国电机工程学报, vol. 21, no. 5, pp. 79-83,2001. 作者简介： 茆美琴(1961-)，女，安徽芜湖人，教授/博士生导师，研究方向为电力电子技术与可再生能源发电。