基于异步电动机的风力机风轮动态模拟方法

1、第33卷第6期2005年6月华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vo.l33󰀁No.6June󰀁2005文章编号:1000-565X(2005)06-0046-04基于异步电动机的风力机风轮动态模拟方法吴󰀁捷󰀁许燕灏(华南理工大学电力学院,广东广州510640)摘󰀁要:为提高风力发电机系统的控制性能,设计了一套风力机风轮的动态模拟装置,该装置具有与实际风力机风轮相同的机械特性,可用于设计、评价和

2、测试实际的风力发电系统.假设负载在单位采样时间内恒定,模拟控制器根据电机反馈速度估算出每个采样时刻的负载值,由风力机风轮的特性计算出实际风轮的输出加速度,再与计算出的风轮加速度相比较,算出异步电动机的电磁转矩指令,采用直接转矩控制策略控制变频器,以调节异步电动机的电磁转矩.仿真结果表明,用该方法估算的负载值与实际负载相差很小,模拟系统的机械动态特性与实际风力机风轮的基本一致.关键词:风力机风轮;动态模拟;异步电动机中图分类号:TK83󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁随着风电技术的进步,单机容量越来越大,风

3、电成本已低至可以和常规能源相比较.但由于风力机系统的控制非常复杂,要提高其控制性能,进行风力发电技术的研究,最理想的实验方法是将发电机与风机直接相连,在现场做实验.但是这样的实验即耗时间又浪费金钱.例如做不同的风力机风轮实验就必须找来相应的风力机.于是人们提出了不同的风力机风轮模拟装置,以便大部分的实验可以在实验室里完成.风力机风轮模拟器是按照给定风轮的转矩、转速以及风速的关系输出机械功率.在某一风速下,转矩能够随风速的突变而突变,而转速根据其动态特性变化.因此风轮模拟器涉及转矩与转速的关系和动态响应两个方面的问题,一方面要快速产生与瞬间风况相应的转矩,另一方面转速的变化也要与实际的风轮一致.

4、目前提出的大部分模拟方法是基于直流电机的电流控制方法,该方法根据风力机风轮的转矩特性控制直流电机的转矩.这种方法只可以模拟静态的风力机风轮转矩特性.另外一种模󰀁收稿日期:2004-09-14*基金项目:广东省󰀂十五 科技重大专项基金资助项目(A1050401)󰀁作者简介:吴捷(1937-),男,教授,博士生导师,主要从.ai:145,6拟系统比前一种方法增加了一套齿轮箱,该方法是直接模拟风力机风轮的输出气动转矩.由于系统增加了齿轮箱,可以动态地模拟风力机风轮,但模拟不同的风轮需要更换不同的齿轮箱.鉴于目前国内外所提出的风轮模拟装置均不能模拟变参数

5、风力机的动态过程,本文提出了一种新的风力机风轮模拟方法,该方法是基于异步电动机的直接转矩控制的模拟装置.采用该方法可以模拟风力机风轮的动态特性,而且模拟不同的风轮并不需要改变机械装置,只需改变软件即可.1󰀁风力机模型风力机模型可用其输入风力转矩特性来描述Ta=2󰀁ARCT(󰀂)v.2-327式中:Ta为风轮产生的气动转矩,N!m;󰀁为空气密度,kg!m;A为桨叶扫掠的面积,m;R是风轮半径,m;CT(󰀂)为风轮转矩系数;󰀂为叶尖速比;v为风速,m!s.文献7对风轮的气动转矩作过分析,其主要结果为风轮

6、的气动转矩受到桨叶扫掠面积上的风力综合作用,气动转矩不能直接测量,风轮轴上输出的转矩是气动转矩经传动环节后的输出.风轮转矩系.C󰀂-1󰀁第6期吴󰀁捷等:基于异步电动机的风力机风轮动态模拟方法47曲线的峰值为系统稳定和不稳定的分界点,在最大风能捕获时应考虑不要越过此点进入不稳定区域.假设风轮的惯量为Ja,kg!m;阻力系数为Da,kg!m!s;转动角速度为 a,rad!s;等效阻力矩为Tc,N!m;输出转矩为TL,N!m.则有TL=Ta-Da a-Ja a-Tc(1)-1-1式中:J为电机的转动惯量,kg!m;np为极对数,TL为负载转矩,N!m;

7、Tc为电机的电磁转矩,N!m;%为定子磁链与转子磁链之间的夹角,rad.异步电动机的直接转矩控制思想就是通过改变磁通角%来改变转矩数值.其控制方式是,通过转矩调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较,把转矩波动限制在一定的容差范围内.2󰀁异步电动机的数学模型异步电动机功率大,价格低,直接转矩控制时具有良好的机械特性.在直接转矩控制中,采用空间矢量的数学分析方法比较方便.图1是异步电动机空间矢量的等效电路图.3󰀁模拟思想和设计方案3.1󰀁模拟思想风力机风轮模拟就是模拟风力机的机械特性,目前所提出的模拟方法是直接模拟其气动转矩,本文提出的一种新方法,

8、不是直接模拟其输出气动转矩,而是模拟其加速度.在模拟装置中用一台直接转矩控制的异步电动机作原动机,如果负载和风速不变,在实际风力机系统和模拟系统中,他们在相同的转速下具有相同的加速度,那么模拟系统就可以达到模拟风力机机械特性的目的.这就是本文提出的模拟思想.在风力机系统中,由式(1)可得Ta-Da a-Tc-TL󰀁=(8)aJa在模拟装置中,由式(7)可得(Te-TL)np󰀁=(9)rJr令 为异步电机的机械角速度,则 =令np= a,由式(8)、(9)得到:TaJ-JDa -JTc+TL(Ja-J)Te=(10)Ja在模拟装置中,由检测到的电机转速,在给定的风

9、力机特性曲线中查到风力机风轮在该风速和转速下的气动转矩Ta,代入式(10),计算出异步电机的指令电磁转矩.只要满足式(10),那么模拟系统的转速和加速度就与实际风力机系统中的一样.而风速改变或者要模拟不同的风力机只需改变软件中的风力机特性曲线或转动惯量Ja即可.风力机风轮模拟装置如图3所示.图1󰀁异步电动机的空间矢量等效电路󰀁Fig.1󰀁Equivalentspacevectorcircuitofaninductionmotor󰀁󰀁该等效电路是在正交定子坐标系(!-坐标系)上描述异步电动机的.其中Us,Is和#s分

10、别为定子的电压、电流和磁链的空间矢量;Ur,Ir和#r分别为转子的电压、电流和磁链的空间矢量, r为电角速度;L为转子漏感;Iu和L分别为励磁电流和电感;并且规定,将旋转空间矢量在!轴(如图2所示)上的投影称为!分量,在正交的轴上的投影称为分量.󰀁󰀁󰀁根据以上的规定,异步电动机在定子坐标系上8由下列方程式表示Us=RsIs+#!s图2󰀁空间矢量分量的定义Fig.2󰀁Definitionofspacevectorweight(2)(3)(4)(5)(6)(7)0=RrIr-#r+j r#r#s=LIu#r=#s-LI

11、rTe=#s!#rsin%L2Te=TL+ 󰀁r󰀁图3󰀁风力机风轮模拟系统.si48华南理工大学学报(自然科学版)第33卷3.2󰀁数字控制实现方法由式(10)知,要计算Te需知道Ta和TL,Ta可由转速查表得到,而总负载TL不能直接测得,只能采取间接检测的方法.现提出两种间接检测方法.3.2.1󰀁功率法󰀁发电机的输出功率可以测定,设发电机的效率为&,总的负载转矩TL可以近似为TL=(11)环控制,那么电机的实际电磁转矩与指令值有误差,大小跟转矩容差有关,只要转矩容差选得比较小,误差就小.实际

12、系统中转矩容差一般比较小,这个误差对TL2(av)的影响不大.由转速采样误差 和转动惯量误差J所引起的误差由下式计算:J( 2- 1)+J +JTL2(av)=(15)t由式(15)可知,如果采样时间过小,那么即使很小的转速误差和转动惯量误差都会使TL2(av)很大,但是采样时间过大,测出负载曲线就会偏离实际值.为了能够保证采样时间尽量小,可以采用转动惯量小的电机,这样可以减少转速误差和转动惯量误差所带来的总误差.下面讨论负载误差对总的模拟系统的影响.假设负载误差为TL,由于气动转矩只是由转速和风速查表得到的,而实际系统即使同一台风机在同样的转速和风速下,输出气动转矩还是要受到空气密度、湿度等

13、的影响,而且影响比较大,假设其误差为Ta,则由式(10)得:Te=TaJ+(Ja-J)TLJa(16)但是采用这种方法比较麻烦,因为数字测量发电机的输出功率P不是一件易事.而且采用这种办法TL的准确度还要受到&的影响,故不采用.文中采用下面这种方法.3.2.2󰀁近似法󰀁根据上面提出的模拟方法,设t1时刻电机的机械转速为 1,电机的转矩指令为Te1,经过采样时间t到t2=t1+t时,t2时刻的转速为 2,查表得到t2时刻风力机的气动转矩为Ta2,t1t2的总负载的平均值TL2(av)可由式(12)近似计算出.假设采样时间t足够小,则 󰀁#,

14、2- 1(12)t在一个连续变化的曲线中,其平均值也落在该TL2(av)=Te1-J 󰀁=Te1-J曲线上.因此,只要负载是连续变化的,用式(12)计算的TL2(av)就是t1t2中的一个负载值.只要采样时间t足够小,那么TL2#TL2(av)(13)由于风轮机转动惯量Ja比较大,从上面的分析知,Ta是不可预测而且相对于负载的误差是比较大的,所以负载误差对系统的总误差可以忽略不计.因此用该方法模拟实际风机系统可以达到预期目标.即使负载不是连续的,比如中间出现阶跃,采用该方法只是在阶跃点不能够准确检测到负载值,在其他点都能够很好跟踪负载,因为该方法只要求采样期间系统是连续的,那么

15、该采样时间得到的结果就是正确的,而其他采样点是否连续并不影响该点的正确性.由式(10)、(12)、(13)可得t2时刻电机的电磁指令:JTa2t+JaTe1t+J 2+JaJ 1-J 1󰀁Te2=-JatJaJ 2+JTe1t+JDa 2t+JTct(14)Jat式中的Ta2由查表可得到,由式(14)可知,只要测量电机的转速就可以得到电机的指令电磁转矩,不用另测总负载转矩.3.2.3󰀁误差分析󰀁采用近似法测量总负载转矩,由式(12)可知,TL2(av)的误差由Te1, 和J误差引起.对于Te1在式(12)中采用的是电机电磁转矩的224♦

16、41;仿真结果根据本文提出的风力机风轮模拟系统以及控制方法进行了仿真:用一台直接转矩控制的异步电动机带负载,所模拟的是风速为10m/s的风机,图4给出了风速为10m/s时的4种不同参数风轮转矩随转速变化的关系.图4󰀁试验风轮的转矩-转速关系󰀁Fig.4󰀁Torque󰀁rotatingspeedrelationoftestedwindturbine󰀁第6期吴󰀁捷等:基于异步电动机的风力机风轮动态模拟方法49󰀁󰀁按照本文所提出的检测负载的近似法,并按上述的数字方法进行仿真

17、,仿真结果如图5和图6所示.从图5,6可看出,本文所提出的方法可以很好地跟踪负载,其模拟系统也是很好地实现了模拟风力机的机械特性.5󰀁结语本文在总结目前风轮模拟器的基础上提出了基于直接转矩控制的异步电动机的风力机风轮模拟装置,并提出了两种负载观测的方法及其具体的数字实现,分析了该方法的误差.仿真结果表明本文所提出的方法可以很好地模拟风机的机械特性,而且该方法只需在改变软件参数的情况下模拟不同类型的风机.该方法还可以应用到直升机的旋翼、涡轮机叶片等领域,只要有其机械特性的曲线就可以做类似的仿真.参考文献:1󰀁SteinWM,ManwellJF,McGowanJG.

18、Apowerelectro󰀁nicsbasedpowersheddingcontrolforwind/dieselsystemsJ.IntJAmbientEnergy,1992,13(2):65-74.图5󰀁实际负载和检测负载曲线2󰀁BattaiottoPE,MantzRJ,PulestonPF.AwindturbineemulatorbasedonadualDSPprocessorsystemJ.Con󰀁trolEngPractice,1996,4(9):1261-1266.3󰀁NunesAAC,CortizoP

19、C,MenezesBR.WindturbinesimulatorusingaDCmachineandapowerreversiblecon󰀁verterA.ProcICEMAConfC.Adelaide,Australia:s.n.,1993.536-540.4󰀁BarreroF,MoraJF,PeralesM,eta.lAtest󰀁ringtoevalu󰀁ateawindturbinegenerationcontrolsystembasedonDSPA.ProcEPE97ConfC.Trondheim,Norway:s.n.,1

20、997.2642-2645.5󰀁NichitaC,DiopAD,BelhacheJJ,eta.lControlstruc󰀁turesanalysisforarealtimewindsystemsimulatorJ.WindEng,1998,22(6):275-286.6󰀁DiopAD,NichitaC,BellacheJJ,eta.lModelingofavariablepitchHAWTcharacteristicsforareal󰀁timewindturbinesimulatorJ.WindEng,1999,23(4):225

21、-243.7󰀁NovakP,EkelundT,JovikI,eta.lModelingandcontrolofvariable󰀁speedwind󰀁turbinedriver󰀁systemdynamicsJ.IEEEControlSystem,1995,15(4):28-32.8󰀁李夙.异步电动机直接转矩控制M.北京:机械工业图6󰀁实际系统和模拟系统中转速与加速度F.accelerationofwindturbineandwindturbine󰀁ig.6󰀁Speedv

22、ssimulator出版社,1994.󰀁Fig.5󰀁Loadcurveanddetectedloadcurve(下转第78页)78华南理工大学学报(自然科学版)第33卷Consolidationin󰀁situFormingofAluminiumOxideCeramicbyAcetateStarchChenLing󰀁SongXian󰀁liang󰀁YeJian󰀁dong󰀁LiXiao󰀁xi1231(1.ResearchInstituteofLightInd

23、ustry&ChemicalEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China;2.CollegeofFoodScience,SouthChinaAgriculturalUniv.,Guangzhou510642,Guangdong,China;3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)Abstract:Anewconsolidationin𘀀

24、1;situformingprocessforhigh󰀁performancealuminiumoxideceramicusingstarchastheconsolidator/binderwasinvestigated.Theeffectsofdifferentcontentsofacetatestarchontherheologiclbe󰀁haviouroftheceramicslip,aswellasthelinearshrinkage,density,strengthandmicrostructureofthegreenbodywerediscussed

25、.Theresultsindicatetha,twhenthecontentofacetatestarchis0.5%1.5%(massfraction),theapparentviscosityofaluminaslurry,whichisalwayslessthan1Pa!s,increaseswiththeconten.tMoreover,withtheincreaseinstarchconten,tthelinearshrinkagerateandthedensityofthedriedbodydecrease,whilethestrengthofthedriedbodyalmostl

26、inearlyincreases.Greenbodywithhomogeneously󰀁distributeddensityandporesizewasalsoobtainedinthisresearch.ItisconcludedthatAl2O3ceramicscanbeconsolidationin󰀁situformed,basedonthegellingnetworkofthermallyswelledandgelatinizedacetatestarch.Keywords:acetatestarch;aluminiumoxide;ceramicslip;consolidationin󰀁situforming󰀁(上接第49页)DynamicSimulationMethodforWindTurbineBasedonInductionMotorWuJie󰀁XuYan󰀁hao(CollegeofElectricPower,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)Abstract:Inordertoimprovetheco