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基于异步电机的风力机模拟实验平台的方案设计

摘要：提出一种风力机模拟研究和实验平台的设计方案，利用异步电动机矢量控制方式驱动

发电机运行。利用DSP完成风力机数学模型的数学模拟，并提出矢量控制的方案，最终给出

硬件实现的设备选择，为下一步完成实验平台的建立做好铺垫。

关键词：风力机数学模型；三相异步电动机；矢量控制；设备选择

1引言

风能是一种无污染可再生的绿色能源，为各国政府的重要选择。实验室的先

期探索对风力发电技术的开展起着重要的引导作用。但是由于条件的限制大多数

实验室不具备风场环境或风力机，这为风力发电技术的实验研究带来了很大困难。

因此探讨在实验室条件下，如何模拟风力机特性是深入研究风力发电技术的前提

具有重要的现实意义。

本实验平台设计以异步交流电机模拟风机的方案，构建包括硬件平台和控制

软件在的完整的风力机模拟控制系统。通过采取适宜的控制策略，使整个风力机

模拟系统符合实际的风力机特性，用其驱动风力发电机，到达模拟真实自然界中

风力发电系统工作的效果。

2风力机模拟系统的构成

实际的风力发电系统如图1所示。

图1实际风力发电系统

在实验室中模拟风力机，也就是将图1中的实际的风力机用风力模拟系统取

代，如图2所示。

图2实验室风力发电系统图

风力机模拟系统主要包括以下局部：

（1）实时软件模拟器。用于实现风力机数学模型的数字化模拟。

〔2〕机电随动系统。用以承受来自实时软件模拟器的给定信号，并提供可

测量的输出变量作为系统对实时软件模拟器的响应。

图3为实时风力机发电模拟系统构造简化框图。图中输出量*是机电随动系

统的参考信号。如果*是转矩参考值，则回馈值为电动机的输出转矩信号；如果*

是功率参考值，则回馈值为电动机的输出功率信号。M为原动机G为发电机。

图3实时风力机发电模拟系统控制构造图

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风力机模拟的本质是通过采取适宜的控制策略，使整个风力机模拟系统运行符

合实际的风力机特性，用来驱动风力发电机，到达模拟真实自然界中风力发电系

统工作的效果。

3风力机的特性

由空气动力学可知，风力机捕获的风能可表示为：

13

PAvC(,)

TTwindP

2〔1〕

P

式中T—风力机输出功率;

—空气密度；

A

T—风轮扫掠面积；

v

wind—风速；

—叶尖速比；

—浆叶节距角；

w

T—风轮转速；

R

T—风轮半径；

C(,)

P—风能利用系数。

由风力机从风中捕获的功率为：

可得到风力机输出机械转矩为：

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TCARv

TTTTwind

2〔2〕

T

式中T—风力机的机械输出转矩；

CCC(,)

T—转矩系数TP.

C

风能利用系数P反映了风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，是表征

风力机效率的重要参数，即单位时间风轮所吸收的风能与穿过叶轮扫掠面的全部

C(