风力机特性的直流电动机模拟及其变速恒频风力发电研究中的应用

为了能在不具备风场环境的实验室条件下对双馈异步发电机的交流励磁发电技术进行实验研究,该文提出了采用直流电动机模拟风力机工作特性的实现方案。该方法基于风力机和直流电动机在功率(转矩)特性上的相似性,采用转矩控制方案实现了风力机特性的直流电动机模拟,进而构建了整个变速恒频DFIG风力发电装置的实验系统。首次在实验室环境下实现了最大风能动态追踪、P、Q解耦控制的实验研究,验证了直流电动机模拟风力机特性的可实现性和变速恒频DFIG风力发电系统最大风能追踪控制策略的正确性。     

风力机模拟平台的MPPT快速响应控制方法

作者开发了一种新的MPPT(Maximtm Power Point Tracking，MPPT)控制方法，和以往的MPPT、控制方法相比，主要不同之处是：(1)追踪步长根据风速的变化而变化，即变扰动MPPT控制方式；(2)为了消除逆变器死区所造成的风力机功率波动影响，MPPT控制周期和发电机的转速是同步的；(3)利用电磁转矩对风力机转速实行完全控制，即在适当的时候，给风力机提供能量使其加速，使风力机转速能跟踪快速变化的风速；(4)在MPPT的输出端使用低通滤波器来平滑风力机转速控制的指令值。采用风力机模拟平台的实验结果表明，该方法可以跟踪0．2Hz快速变化的风速，和传统的MPVT控制方法相比，当风速快速变动时，可以显著增加发电量，从而提高了风力发电的效率。     

风力机动态模拟方法研究

由于受条件限制,实验室无法进行真实风力机发电的实验,因此利用常用电机模拟风力机,对风力发电及并网进行研究可作为一种实用方法。在分析风力机的机械特性基础上,利用三种电机模拟风力机,并给出相关结论。     

风力机机械特性模拟方法分析研究

风力机模拟系统对于风电新技术、新理论的验证与进步有重要作用。能否准确模拟风力机机械特性的稳态性能与动态性能,是风力机模拟系统的关键。文章对风力机模拟系统以及模拟对象进行了建模与分析研究。根据相似原理,提出采用转矩控制方法以及转速控制方法进行风力机模拟,并分别进行了仿真研究分析。仿真结果表明转矩控制及转速控制均能实现风力机机械特性的动态模拟,转矩控制拥有更好的响应速度,转速控制拥有更好的稳定性。     

风力机动态模拟器的仿真研究

为了满足实验室研究风力发电技术的需要,该文设计了动态风力机模拟器。在分析实际风力机与模拟系统差异的基础上,综合考虑了风力机的风剪效应、塔影效应及其风力机的大惯量特性,提出了转矩指令动态补偿的转矩模拟方案。详细分析了惯量补偿的原理,并对其正确性进行了数学论证。理论分析和仿真结果表明,模拟系统的动特性与风力机的理论动特性高度吻合,可方便地用于实验室条件下的风力发电技术研究。     

基于直流电动机的风力机特性动态模拟器研究

首先分析了风力机和直流电动机输出特性的相似性,阐述了用直流电动机模拟风力机特性的可行性.针对传统的风力机特性模拟器只能实现稳态转矩模拟的缺点,该文提出了一种可以实现风力机动态转矩模拟的新方法,并在Matlab/Simulink环境下建立了风力机特性动态模拟器的仿真模型.仿真结果表明,该动态模拟器能够很好地实现风力机的动态和稳态特性模拟.     

SEMI-PHYSICAL SIMULATION FOR WIND POWER GENERATION SIMULATION EXPERIMENTAL PLATFORM

基于统计风速模型和ARMA模型产生的模拟风速实现实验室的风速模拟,利用风电场采集的实际数据进行频谱校正,使之最大限度接近风电场真实风况.通过对风力机的风轮、传动轴、齿轮箱、变桨距系统及气动转矩的脉冲特性进行建模,实现从风的产生到传动链各环节的模拟,模拟过程在DSP中实现,由DSP给变频器发送转矩指令,变频器采用直接转矩控制调节异步电动机的电磁转矩.实验结果证明了该方法的可行性.     

基于模拟平台的永磁直驱风力发电MPPT新策略

基于直流电机驱动低速永磁同步发电机的风力发电模拟平台,提出了一种各种风速下最大风能捕获(MPPT)新型实现方法,即由上位机模拟风场,基于最佳叶尖速比(TSR)控制永磁发电机的转速,直接控制直流电动机的功率来模拟风力机捕获的最大风能。基于这种控制策略,对各种风速下的永磁发电机无速度传感器控制、变桨距控制、最大风能的单位功率因数并网控制进行了仿真;在额定风速以下,进行了发电机侧MPPT实验。仿真和实验结果验证了这种永磁直驱风力发电MPPT新策略的正确性和可行性。     

风力机特性的直流电机模拟

分析了风力机运行特性及其最佳风能利用原理，通过仿真及实验验证了采用直流电机的输出特性模拟风力机的最大输出功率曲线的可行性，给出了模拟系统的硬件结构，为在实验室条件下模拟风力机的重要运行特性提供了一个实用的方法。     

基于直流电机的风力机模拟技术研究

分析了风力机的运行原理,建立了风力机模型,制定了简单有效的转速、转矩控制模拟方案,搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟平台,应用LabWindows/CVI开发了上位机界面。该风力机模拟系统应用于并网型变速恒频交流励磁双馈风力发电系统,实现了模拟风力机在不同风速、转速下的运行状态,满足了双馈发电机在同步、超同步、亚同步状态下运行以及进行风电系统最大风能追踪等方面研发的需要,可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

风力发电的MPPT快速响应控制方法

为了提高风力发电的能量转换效率，根据风车的空气动力特性，要用到最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制方法。作者开发了一种新的MPPT控制方法，和以往的MPPT控制方法相比，主要不同之处是：(1)追踪步长根据风速的变化而变化，即变扰动MPPT控制方式；(2)为了消除逆变器死区所造成的风车功率波动影响，MPPT控制周期和发电机的转速是同步的；(3)电磁转矩对风车转速实行完全控制，即在适当的时候，给风车提供能量使其加速，使风车转速能跟踪快速变化的风速；(4)在MPPT的输出端使用低通滤波器来平滑风车转速控制的指令值。实验结果表明，本方法可以跟踪0．2Hz快速变化的风速，和传统的MPPT控制方法相比，当风速快速变动时，可以显著增加发电量，从而提高了风力发电的效率。     

Development of a novel wind turbine simulator for wind energy conversion systems using an inverter-controlled induction motor

A wind turbine simulator for wind energy conversion systems has been developed with a view to design, evaluate, and test of actual wind turbine drive trains including generators, transmissions, power-electronic converters and controllers. The simulator consists of a 10-hp induction motor (IM) which drives a generator and is driven by a 10-kW variable speed drive inverter and real-time control software. In this simulator, a microcontroller, a PC interfaced to LAB Windows I/O board, and an IGBT inverter-controlled induction motor are used instead of a real wind turbine to supply shaft torque. A control program based on C language is developed that obtains wind profiles and, by using turbine characteristics and rotation speed of IM, calculates the theoretical shaft torque of a real wind turbine. Comparing with this torque value, the shaft torque of the IM is regulated accordingly by controlling stator current demand and frequency demand of the inverter. In this way, the inverter driven induction motor acts like a real wind turbine to the energy conversion system. The drive is controlled using the measured shaft torque directly, instead of estimating it as conventional drives do. The experimental results of the proposed simulator show that this scheme is viable and accurate. This paper reports the operating principles, theoretical analyses, and test results of this wind turbine simulator.     

基于运行数据的风电机组转矩控制性能评估

风电机组的性能评估方法具有多样性及复杂性的特点,基于风电场SCADA系统中采集的大量风电机组运行数据,对风电机组转矩控制的性能评估方法进行了研究。在深入分析风电机组中发电机转速与发电机转矩关系的基础上,提出了风电机组在最佳风能利用系数Cp(max)跟踪区内的转矩优化控制的性能评估方法。通过筛选有效数据,拟合计算出风电机组的实际运行转矩增益系数;再通过与理论最优转矩增益系数进行对比,找出风能捕获能力较弱的风电机组,进而采取措施提高其发电量。通过软件仿真及案例分析表明,该方法在不增加设备及成本的情况下,可有效识别因转矩控制的性能差而影响发电量的风电机组,以便及时进行控制策略调校,维护风电场的利益。     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

可变叶片安装角立轴风力机的转动力矩计算

为提高市轴风力机的效率,对可变叶片安装角的立轴风力机进行了分析,根据机翼升力与阻力的理论,在固定来流风速和旋转速度下计算了叶片在每个方位角上产生力矩最大的最佳安装角的变化规律,为了更好的运行,对最佳安装角的变化规律进行了一定修改.计算比较了固定安装角度的叶片与可变安装角度的叶片旋转一周产生的力矩,结果表明叶片在最佳安装角下运行时,每一转的正力矩都有明显增大,平均力矩町提高14倍.多个叶片在最佳安装角下运行时的力矩变化较平稳.可变叶片安装角立轴风力机是一种有发展前途的动力设备.     

基于PSCAD/EMTDC的直驱式风力发电接入系统建模与仿真

针对频率可变的多极直驱式同步风力发电机接入系统,该文在考虑风力机大转动惯量的情况下,采用电网电压矢量定向和双闭环控制技术,实现了基于背靠背VSC换流器的有功无功独立控制。研究了不依赖于风速测量的直驱式机组最大功率追踪策略,桨距角控制器设计以及变风速下风电机组对电网的无功支持问题。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了该接入系统模型,阶跃和随机风速下的仿真结果验证了该模型的合理性及控制策略的有效性。     

Static and dynamic wind turbine simulator using a converter controlled dc motor

This paper describes a new wind turbine simulator for dynamic conditions. The authors have developed an experimental platform to simulate the static and dynamic characteristics of real wind energy conversion system. This system consists of a 3 kW dc motor, which drives a synchronous generator. The converter is a 3 kW single-phase half-controlled converter. MATLAB/Simulink real time control software interfaced to I/O board and a converter controlled dc motor are used instead of a real wind turbine. A MATLAB/Simulink model is developed that obtains wind profiles and, by applying real wind turbine characteristics in dynamics and rotational speed of dc motor, calculates the command shaft torque of a real wind turbine. Based on the comparison between calculated torques with command one, the shaft torque of dc motor is regulated accordingly by controlling armature current demand of a single-phase half-controlled ac–dc converter. Simulation and experimental results confirm the effectiveness of proposed wind turbine simulator in emulating and therefore evaluating various turbines under a wide variety of wind conditions.     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。