李 濱，李 嵐

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

?

損耗功率對(duì)異步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的影響及優(yōu)化

李 濱，李 嵐

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常采用電動(dòng)機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)存在功率損耗，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不能準(zhǔn)確的模擬風(fēng)力機(jī)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)將影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制，以及風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能跟蹤控制策略的研究?；诋惒诫妱?dòng)機(jī)的矢量控制策略，對(duì)其風(fēng)力機(jī)特性的模擬控制策略做出優(yōu)化，提出考慮損耗功率的異步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的控制策略。此方法通過MATLAB/Simulink建立精確的異步電動(dòng)機(jī)模型，搭建考慮銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗以及雜散損耗的控制模型，經(jīng)過仿真驗(yàn)證了優(yōu)化后的控制策略的正確性。

異步電動(dòng)機(jī)；損耗功率；風(fēng)力機(jī)特性模擬；控制優(yōu)化

0 引 言

目前的風(fēng)力機(jī)模擬方案有基于直流電動(dòng)機(jī)和基于異步電動(dòng)機(jī)兩種。后者的變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性高，可運(yùn)用于大功率風(fēng)電機(jī)組的實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)際運(yùn)行中其實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩總會(huì)低于控制指令轉(zhuǎn)矩，且偏差較大。這是由于異步機(jī)存在損耗功率，且隨著給定風(fēng)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化功率損耗值也發(fā)生改變。在異步機(jī)的控制中反饋轉(zhuǎn)矩不能直接測(cè)量，現(xiàn)有的控制策略中都將計(jì)算的電磁轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)，忽略了功率損耗的存在，這將導(dǎo)致輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致異步電機(jī)不能完全有效的模擬風(fēng)力機(jī)。因此本文提出考慮損耗功率的異步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的控制策略，經(jīng)過MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了此方法能準(zhǔn)確的模擬風(fēng)力機(jī)特性，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

1 風(fēng)力機(jī)模擬的基本理論

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)力機(jī)的輸入功率可表達(dá)：

(1)

式中：ρ為空氣密度；Sw為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；v為進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的空氣流速。

由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能并非全部都能被風(fēng)力機(jī)吸收，故可定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp來表征風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力:

(2)

(3)

(4)

式中：β為槳距角(小于額定風(fēng)速時(shí)為0)；λ為葉尖速比；ω為風(fēng)輪角速度；R為風(fēng)輪半徑。

風(fēng)力機(jī)的輸出功率：

(5)

風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為輸出功率Po與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω之比，即：

(6)

式中：To為風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

1.2 異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)基本原理

對(duì)于風(fēng)力機(jī)與異步電機(jī)的特性曲線分析文獻(xiàn)[1]已經(jīng)做了詳細(xì)的研究，得出異步電機(jī)可以模擬風(fēng)力機(jī)的結(jié)論。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)模擬平臺(tái)示意圖

已知風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)給定風(fēng)速與測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速便可計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，用作異步電機(jī)的控制信號(hào)，使異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相同，即實(shí)現(xiàn)了模擬風(fēng)力機(jī)的目的。

2 損耗存在對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬的影響與改進(jìn)方法

2.1 損耗對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬的影響

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于異步電機(jī)存在功率損耗，且隨著模擬風(fēng)速變化功率損耗值也發(fā)生改變，導(dǎo)致控制方法實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能準(zhǔn)確的得到反饋轉(zhuǎn)矩值，影響風(fēng)力機(jī)模擬的準(zhǔn)確性。

在圖2中，可以清楚的看到在不考慮功率損耗時(shí)，異步電機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩明顯低于風(fēng)力機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩。這是由于損耗功率ploss和損耗轉(zhuǎn)矩Tloss的存在，導(dǎo)致異步電機(jī)不能準(zhǔn)確模擬風(fēng)力機(jī)特性。

圖2 不考慮損耗功率的仿真波形

2.2 改進(jìn)方法

使異步電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的輸出特性達(dá)到完全一致，必須考慮功率損耗對(duì)控制方法的影響。若能準(zhǔn)確計(jì)算出異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，將其作為控制系統(tǒng)的反饋轉(zhuǎn)矩，就可通過控制系統(tǒng)使異步電機(jī)的輸出特性與風(fēng)力機(jī)的輸出特性達(dá)到一致。

本文為了精確的計(jì)算出異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，將鐵耗考慮進(jìn)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。除去銅耗、鐵耗以及其他損耗的功率與機(jī)械角速度相除，便可得到準(zhǔn)確的異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

其計(jì)算如下：

電機(jī)的機(jī)械損耗與雜散損耗pms取50W。

定子銅耗計(jì)算模型：

(7)

式中：Is為定子電流；Rs為定子電阻。

轉(zhuǎn)子銅耗計(jì)算模型：

(8)

式中：Ir為定子電流；Rs為定子電阻。

鐵耗計(jì)算模型：

(9)

式中：RFe為等效鐵耗電阻；IFe為等效鐵耗電阻電流。

異步電機(jī)消耗的總功率：

P=3UsIscosφ

(10)

式中：Us為定子電壓；φ為功率因數(shù)角。

異步電機(jī)的輸出功率：

(11)

異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：

(12)

3 考慮損耗功率的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

若將功率損耗考慮到風(fēng)力機(jī)模擬的控制策略中，必須建立精確的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，其在同步旋轉(zhuǎn)d-q軸坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖3所示。

(a)

(b)

其電流方程:

(13)

式中：idm，iqm，ids，iqs，idr，iqr分別為勵(lì)磁電流、定子電流、轉(zhuǎn)子電流在d,q軸的分量；idFe，iqFe分別為等效鐵耗電阻RqFe在d,q軸上的電流分量。

磁鏈方程：

(14)

式中：ψds，ψqs，ψdr，ψqr分別為定、轉(zhuǎn)子在d,q軸上的磁鏈分量；L1s，L1r分別為定、轉(zhuǎn)子漏感；Lm為互感。

電壓方程：

(15)

式中：Uds，Uqs，Udr，Uqr分別為定、轉(zhuǎn)子在d,q軸上的電壓分量；Rs，Rr，RFes分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、等效鐵耗電阻；ω1為同步速；ωslip為轉(zhuǎn)差電角速度；p為微分算子。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(16)

式中：Te為雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對(duì)數(shù)。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出思想的正確性，使其與不考慮功率損耗的風(fēng)力機(jī)模擬效果做比較。根據(jù)式(13)～式(16)在MATLAB/Simulink中通過S函數(shù)建立精確的異步電機(jī)模型，根據(jù)式(1)～式(6)搭建風(fēng)力機(jī)模型，最終在MATLAB/Simulink中建立風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。風(fēng)力機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖4 仿真模型

給定風(fēng)速波形，如圖5所示。在1s有一個(gè)較大的風(fēng)速上升階躍，在此后的2s，3s處分別有一個(gè)較小的風(fēng)速下降階躍。

圖5 風(fēng)速波形

不考慮損耗功率的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，仿真波形如圖6所示。其中圖6(a)、 圖6(b)分別為在不考慮損耗功率電機(jī)角速度為120rad/s時(shí)，異步電機(jī)和風(fēng)力機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的對(duì)比圖，容易看出前者的各個(gè)值均低于風(fēng)力機(jī)的輸出值，說明異步電機(jī)在沒有考慮損耗功率的情況下并沒有完全的模擬風(fēng)力機(jī)的特性，這將對(duì)其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究產(chǎn)生影響。驗(yàn)證了第二節(jié)中分析的結(jié)果。

表1 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)參數(shù)

(a)(b)

圖6 不考慮損耗功率的仿真波形

考慮損耗功率的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，仿真波形如圖7所示。其中圖7(a)、圖7(b)分別為在不考慮損耗功率電機(jī)角速度為120 rad/s時(shí)，異步電機(jī)和風(fēng)力機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的對(duì)比圖。其中圖7(c)、圖7(d)為考慮功率損耗風(fēng)速為9 m/s時(shí)隨著電機(jī)角速度變化，異步電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩曲線。容易看出兩者的輸出曲線已基本達(dá)到一致，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)的模擬，驗(yàn)證了本文思想的正確性。

(a)(b)

(c)(d)

圖7 考慮損耗功率的仿真波形

5 結(jié) 語

本文通過分析基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與異步電機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩曲線的差異，提出了考慮損耗功率的風(fēng)力機(jī)模擬的控制方法。

此方法基于異步電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確計(jì)算出異步電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)矩，使其能夠精準(zhǔn)的模擬風(fēng)力機(jī)特性。為驗(yàn)證此方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了模擬系統(tǒng)的仿真，并通過對(duì)考慮損耗功率的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)與不考慮損耗功率的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的仿真比較，驗(yàn)證了本文思想的正確性，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)特性的準(zhǔn)確模擬。本方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究具有指導(dǎo)性意義。

[1] 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[J].電力電子技術(shù),2010,44(6):7-9.

[2] 張?jiān)?孫力,吳鳳江,等.考慮鐵耗的感應(yīng)電機(jī)模型及對(duì)矢量控制的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2007,11(4):359-363.

[3] 朱瑛,程明,花為,等.考慮損耗轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(19):39-46.

[4] 王輝,于小億.感應(yīng)電機(jī)的S函數(shù)建模仿真研究[J].日用電器,2002(3):2-4.

[5] KOJABADI H M,CHANG L,BOUTOT T.Development of a novel wind turbine simulator for wind energy conversion systems using an inverter-controlled induction motor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):547-552.

Influence of Power Loss on Characteristics of Wind Turbine Simulated by Induction Motor and Its Optimization

LI Bin，LI Lan

(Taiyuan University of Technoloy,Taiyuan 030024,China)

Research on wind power generation system, which under laboratory conditions, the motor is used to simulate the wind turbine generally. Because of power loss, the motor cannot simulate wind turbine accurately, that will affect the control of wind turbine and the study on the control strategy of maximum wind energy tracking. Based on the vector control strategy of asynchronous motor, optimize the simulation of control strategy of wind turbine characteristics and propose the control strategy of asynchronous motor considering the power loss to simulate the characteristics of wind turbine.This method build a precise model of asynchronous motor by MATLAB/Simulink and set up control model considering copper loss, iron loss, mechanical loss and stray loss. The simulation results verify the accuracy of the optimized control strategy.

asynchronous motor; power loss; simulation of wind turbine characteristics; optimization of control system

2015-06-29

TM315;TM343

A

1004-7018(2016)10-0038-03

李濱(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。