损耗功率对异步电动机模拟风力机特性的影响及优化

李 滨，李 岚

(太原理工大学，太原 030024)



损耗功率对异步电动机模拟风力机特性的影响及优化

李 滨，李 岚

(太原理工大学，太原 030024)

对于风力发电系统的研究，在实验室条件下，通常采用电动机来模拟风力机。由于电动机存在功率损耗，导致电动机不能准确的模拟风力机，在实验时将影响风力发电机控制，以及风力机最大风能跟踪控制策略的研究。基于异步电动机的矢量控制策略，对其风力机特性的模拟控制策略做出优化，提出考虑损耗功率的异步电动机模拟风力机特性的控制策略。此方法通过MATLAB/Simulink建立精确的异步电动机模型，搭建考虑铜耗、铁耗、机械损耗以及杂散损耗的控制模型，经过仿真验证了优化后的控制策略的正确性。

异步电动机；损耗功率；风力机特性模拟；控制优化

0 引 言

目前的风力机模拟方案有基于直流电动机和基于异步电动机两种。后者的变频调速系统可靠性高，可运用于大功率风电机组的实验。然而实际运行中其实际输出转矩总会低于控制指令转矩，且偏差较大。这是由于异步机存在损耗功率，且随着给定风速与电机的转速的变化功率损耗值也发生改变。在异步机的控制中反馈转矩不能直接测量，现有的控制策略中都将计算的电磁转矩作为反馈信号，忽略了功率损耗的存在，这将导致输出的机械转矩小于给定转矩，从而导致异步电机不能完全有效的模拟风力机。因此本文提出考虑损耗功率的异步电动机模拟风力机特性的控制策略，经过MATLAB/Simulink仿真验证了此方法能准确的模拟风力机特性，为实际实验提供了坚实的理论依据。

1 风力机模拟的基本理论

1.1 风力机模型

根据空气动力学，风力机的输入功率可表达：

(1)

式中：ρ为空气密度；Sw为风力机叶片迎风扫掠面积；v为进入风力机扫掠面之前的空气流速。

由于通过风轮旋转面的风能并非全部都能被风力机吸收，故可定义风能利用系数Cp来表征风力机捕获风能的能力:

(2)

(3)

(4)

式中：β为桨距角(小于额定风速时为0)；λ为叶尖速比；ω为风轮角速度；R为风轮半径。

风力机的输出功率：

(5)

风力机的输出转矩为输出功率Po与风轮转速ω之比，即：

(6)

式中：To为风力机的输出转矩。

1.2 异步电机模拟风力机基本原理

对于风力机与异步电机的特性曲线分析文献[1]已经做了详细的研究，得出异步电机可以模拟风力机的结论。其结构如图1所示。

图1 风力机模拟平台示意图

已知风力机的数学模型，根据给定风速与测得的电机转速便可计算出风力机的输出转矩，用作异步电机的控制信号，使异步电机的输出转矩与风力机的输出转矩相同，即实现了模拟风力机的目的。

2 损耗存在对风力机模拟的影响与改进方法

2.1 损耗对风力机模拟的影响

在实际运行时，由于异步电机存在功率损耗，且随着模拟风速变化功率损耗值也发生改变，导致控制方法实际应用时不能准确的得到反馈转矩值，影响风力机模拟的准确性。

在图2中，可以清楚的看到在不考虑功率损耗时，异步电机的输出功率、输出转矩明显低于风力机的输出功率、输出转矩。这是由于损耗功率ploss和损耗转矩Tloss的存在，导致异步电机不能准确模拟风力机特性。

图2 不考虑损耗功率的仿真波形

2.2 改进方法

使异步电机与风力机的输出特性达到完全一致，必须考虑功率损耗对控制方法的影响。若能准确计算出异步电机的输出转矩，将其作为控制系统的反馈转矩，就可通过控制系统使异步电机的输出特性与风力机的输出特性达到一致。

本文为了精确的计算出异步电机的输出转矩，将铁耗考虑进电磁转矩的计算。除去铜耗、铁耗以及其他损耗的功率与机械角速度相除，便可得到准确的异步电机输出转矩。

其计算如下：

电机的机械损耗与杂散损耗pms取50W。

定子铜耗计算模型：

(7)

式中：Is为定子电流；Rs为定子电阻。

转子铜耗计算模型：

(8)

式中：Ir为定子电流；Rs为定子电阻。

铁耗计算模型：

(9)

式中：RFe为等效铁耗电阻；IFe为等效铁耗电阻电流。

异步电机消耗的总功率：

P=3UsIscosφ

(10)

式中：Us为定子电压；φ为功率因数角。

异步电机的输出功率：

(11)

异步电机的输出转矩：

(12)

3 考虑损耗功率的异步电机数学模型

若将功率损耗考虑到风力机模拟的控制策略中，必须建立精确的异步电机数学模型，其在同步旋转d-q轴坐标系下的稳态等效电路如图3所示。

(a)

(b)

其电流方程:

(13)

式中：idm，iqm，ids，iqs，idr，iqr分别为励磁电流、定子电流、转子电流在d,q轴的分量；idFe，iqFe分别为等效铁耗电阻RqFe在d,q轴上的电流分量。

磁链方程：

(14)

式中：ψds，ψqs，ψdr，ψqr分别为定、转子在d,q轴上的磁链分量；L1s，L1r分别为定、转子漏感；Lm为互感。

电压方程：

(15)

式中：Uds，Uqs，Udr，Uqr分别为定、转子在d,q轴上的电压分量；Rs，Rr，RFes分别为定子电阻、转子电阻、等效铁耗电阻；ω1为同步速；ωslip为转差电角速度；p为微分算子。

电磁转矩方程：

(16)

式中：Te为双馈电机的电磁转矩；p为极对数。

4 仿真研究

为了验证本文提出思想的正确性，使其与不考虑功率损耗的风力机模拟效果做比较。根据式(13)～式(16)在MATLAB/Simulink中通过S函数建立精确的异步电机模型，根据式(1)～式(6)搭建风力机模型，最终在MATLAB/Simulink中建立风力机模拟系统的仿真模型，如图4所示。风力机与异步电动机参数如表1所示。

图4 仿真模型

给定风速波形，如图5所示。在1s有一个较大的风速上升阶跃，在此后的2s，3s处分别有一个较小的风速下降阶跃。

图5 风速波形

不考虑损耗功率的风力机模拟系统，仿真波形如图6所示。其中图6(a)、 图6(b)分别为在不考虑损耗功率电机角速度为120rad/s时，异步电机和风力机输出功率、输出转矩的对比图，容易看出前者的各个值均低于风力机的输出值，说明异步电机在没有考虑损耗功率的情况下并没有完全的模拟风力机的特性，这将对其他风力发电机组的研究产生影响。验证了第二节中分析的结果。

表1 风力机模拟系统参数

(a)(b)

图6 不考虑损耗功率的仿真波形

考虑损耗功率的风力机模拟系统，仿真波形如图7所示。其中图7(a)、图7(b)分别为在不考虑损耗功率电机角速度为120 rad/s时，异步电机和风力机输出功率、输出转矩的对比图。其中图7(c)、图7(d)为考虑功率损耗风速为9 m/s时随着电机角速度变化，异步电机与风力机的输出功率、输出转矩曲线。容易看出两者的输出曲线已基本达到一致，实现了风力机的模拟，验证了本文思想的正确性。

(a)(b)

(c)(d)

图7 考虑损耗功率的仿真波形

5 结 语

本文通过分析基于异步电机的风力机模拟系统中风力机与异步电机输出功率、输出转矩曲线的差异，提出了考虑损耗功率的风力机模拟的控制方法。

此方法基于异步电机的精确数学模型，准确计算出异步电机的反馈转矩，使其能够精准的模拟风力机特性。为验证此方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了模拟系统的仿真，并通过对考虑损耗功率的风力机模拟系统与不考虑损耗功率的风力机模拟系统的仿真比较，验证了本文思想的正确性，实现了风力机特性的准确模拟。本方法对实验室条件下的风力发电系统研究具有指导性意义。

[1] 王超,黄文新,王前双.基于异步电机的风力机特性模拟[J].电力电子技术,2010,44(6):7-9.

[2] 张云,孙力,吴凤江,等.考虑铁耗的感应电机模型及对矢量控制的影响[J].电机与控制学报,2007,11(4):359-363.

[3] 朱瑛,程明,花为,等.考虑损耗转矩的风力发电系统最大风能跟踪控制[J].中国电机工程学报,2013,33(19):39-46.

[4] 王辉,于小亿.感应电机的S函数建模仿真研究[J].日用电器,2002(3):2-4.

[5] KOJABADI H M,CHANG L,BOUTOT T.Development of a novel wind turbine simulator for wind energy conversion systems using an inverter-controlled induction motor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(3):547-552.

Influence of Power Loss on Characteristics of Wind Turbine Simulated by Induction Motor and Its Optimization

LI Bin，LI Lan

(Taiyuan University of Technoloy,Taiyuan 030024,China)

Research on wind power generation system, which under laboratory conditions, the motor is used to simulate the wind turbine generally. Because of power loss, the motor cannot simulate wind turbine accurately, that will affect the control of wind turbine and the study on the control strategy of maximum wind energy tracking. Based on the vector control strategy of asynchronous motor, optimize the simulation of control strategy of wind turbine characteristics and propose the control strategy of asynchronous motor considering the power loss to simulate the characteristics of wind turbine.This method build a precise model of asynchronous motor by MATLAB/Simulink and set up control model considering copper loss, iron loss, mechanical loss and stray loss. The simulation results verify the accuracy of the optimized control strategy.

asynchronous motor; power loss; simulation of wind turbine characteristics; optimization of control system

2015-06-29

TM315;TM343

A

1004-7018(2016)10-0038-03

李滨(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电。