Vacon變頻器在風(fēng)力機模擬器中的應用

1引言

目前風(fēng)能是發(fā)展最快、最具競爭力的新能源之一。因此，風(fēng)力發(fā)電成為各國學(xué)者研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個(gè)方面都得到了迅速的發(fā)展，各種新式的風(fēng)力發(fā)電機、功率變流器、最大功率跟蹤算法、先進(jìn)控制技術(shù)等都得到了廣泛的應用。大多數實(shí)驗室都沒(méi)有風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)力機，這很不利于對一些新式理論和技術(shù)的驗證，為了加強風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，有必要發(fā)展一種能在實(shí)驗室模擬風(fēng)力機特性的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化目前風(fēng)力發(fā)電系統研究的實(shí)驗過(guò)程，加速新方法、新技術(shù)的研究周期。風(fēng)力機模擬器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于環(huán)境和風(fēng)力機的情況下模擬風(fēng)力機特性，可以模擬不同的特性的風(fēng)力機，而且可以任意設定風(fēng)速的變化曲線(xiàn)，方便了實(shí)驗室對風(fēng)力發(fā)電系統的研究。風(fēng)力機模擬裝置可以用于風(fēng)力發(fā)電系統及其部件的開(kāi)發(fā)和測試。
由于異步電動(dòng)機具有穩定性好，維修費用低，工作時(shí)間長(cháng)，且價(jià)格相對便宜等優(yōu)勢，因此，實(shí)驗室采用異步電動(dòng)即進(jìn)行風(fēng)力機模擬器的載體。然而，異步電動(dòng)機的控制相對復雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實(shí)現了對異步電動(dòng)機的“理想控制”，從而使異步機輸出曲線(xiàn)與風(fēng)力機輸出曲線(xiàn)吻合，達到了模擬風(fēng)力機特性的目的，同時(shí)，借助與Vacon公司變頻器的強大編程能力，模擬不同的風(fēng)力機只需要改變相應的參數就可以實(shí)現，應用簡(jiǎn)單、方便。

2風(fēng)力機特性研究

根據空氣動(dòng)力學(xué)可以知道，風(fēng)力機的輸入功率是：

其中：ρ為空氣密度，A為風(fēng)力機葉片掃掠面積，RW為葉片的半徑，v為風(fēng)速。
風(fēng)力機的輸出功率為：

其中CP為風(fēng)能利用系數：

風(fēng)能利用系數CP為風(fēng)力機將風(fēng)能轉換為機械能的效率，它與風(fēng)速，葉片轉速，葉片直徑和槳葉節距角均有關(guān)系，是葉尖速比λ和槳葉節距角β的函數。
葉尖速比λ是風(fēng)輪葉尖速度與風(fēng)速之比:

由圖1可以看出，對于一臺確定的風(fēng)力機，在一定風(fēng)速和槳距角時(shí)，存在一個(gè)最大風(fēng)能轉換系數，此時(shí)風(fēng)力機輸出功率最佳。因此，在某一風(fēng)速下，調節風(fēng)力機轉速，使其運行在最佳葉尖速比條件下，就可以達到最大風(fēng)能捕獲的目的。
對于風(fēng)力系統來(lái)說(shuō)，輸入機械轉矩特性非常重要，與之相對應的是風(fēng)力機輸出功率與機械角速度之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2　風(fēng)力機輸出機械功率和機械角速度間的關(guān)系曲線(xiàn)

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