Vacon变频器在风力机模拟器中的应用

作者：时间：2013-12-06来源：网络收藏

1引言

目前风能是发展最快、最具竞争力的新能源之一。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。近年来，风力发电技术的各个方面都得到了迅速的发展，各种新式的风力发电机、功率变流器、最大功率跟踪算法、先进控制技术等都得到了广泛的应用。大多数实验室都没有风电场或风力机，这很不利于对一些新式理论和技术的验证，为了加强风力发电技术的研发能力，有必要发展一种能在实验室模拟风力机特性的技术来简化目前风力发电系统研究的实验过程，加速新方法、新技术的研究周期。风力机模拟器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于环境和风力机的情况下模拟风力机特性，可以模拟不同的特性的风力机，而且可以任意设定风速的变化曲线，方便了实验室对风力发电系统的研究。风力机模拟装置可以用于风力发电系统及其部件的开发和测试。
由于异步电动机具有稳定性好，维修费用低，工作时间长，且价格相对便宜等优势，因此，实验室采用异步电动即进行风力机模拟器的载体。然而，异步电动机的控制相对复杂也是为大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列变频器，实现了对异步电动机的“理想控制”，从而使异步机输出曲线与风力机输出曲线吻合，达到了模拟风力机特性的目的，同时，借助与Vacon公司变频器的强大编程能力，模拟不同的风力机只需要改变相应的参数就可以实现，应用简单、方便。

2风力机特性研究

根据空气动力学可以知道，风力机的输入功率是：

其中：ρ为空气密度，A为风力机叶片扫掠面积，RW为叶片的半径，v为风速。
风力机的输出功率为：

其中CP为风能利用系数：

风能利用系数CP为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速，叶片转速，叶片直径和桨叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。
叶尖速比λ是风轮叶尖速度与风速之比:

图1　风力机叶尖速比与风能利用系数关系曲线

由图1可以看出，对于一台确定的风力机，在一定风速和桨距角时，存在一个最大风能转换系数，此时风力机输出功率最佳。因此，在某一风速下，调节风力机转速，使其运行在最佳叶尖速比条件下，就可以达到最大风能捕获的目的。
对于风力系统来说，输入机械转矩特性非常重要，与之相对应的是风力机输出功率与机械角速度之间的关系曲线，如图2所示。