第２５卷第６期
２００４年１２月
太阳能学报
ＡＣＴＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＬＡＲＩＳＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２５．Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．．２００４
文章编号：０２５４Ｊ吣９６（２００４）０６ＪＤ７３５稍
风力发电实验用模拟风力机
贾要勤
（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）
摘
要：在风力发电机控制、风力机最大功率点追踪控制（ＭＰ胛，Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｐｏｉｎｔ．Ｉ’ｒａｃｋｉｎｇ）等相关的研究
中，风力机是必备的实验设备，但是，在没有风的情况下，或在实验室，就无法进行这些实验和研究。作者开发了一种模拟风力机，有了它，就可以在实验室随心所欲地进行风力发电的初期实验研究工作，从而缩短研发的周期和减小实验研究的费用。首先用６次多项式来拟合风力机的转矩特性曲线。然后根据当前的风速和风力机转速来计算风力机的转矩，将此转矩作为转矩指令控制感应电机来模拟风力机，感应电机通过控制逆变器来
驱动。最后，给出了用此模拟风力机所做的ＭＰ胛实验研究结果，验证了该模拟风力机的良好特性。
关键词：风力发电；模拟风力机；最大功率点追踪控制。中图分类号：ＴＫ８
文件标识码：Ａ
０
引言
方式。
本文提出风力机转矩的计算方法；及风力机转
近年来，随着环境污染的不断加剧和石油等矿石能源的短缺¨以１，人类研究开发可再生新型清洁 能源的热情越来越高。世界各国越来越多的研究机构都在开展风能、太阳能等可再生能源的研究与开发。风力发电的实验研究需要有风力机设备。目前，一些实验室使用小型风力机进行这方面的研究工作，并使用一个较大的风扇来吹动风力机，这时，实验设备变得十分复杂，而且风速变动也不易控制。因此，即使在实验室使用小型风力机也显得十分不方便。目前，日本、美国等一些国家的研究机构在进行太阳能、燃料电池等的应用研究中，常常使用模拟电源∞“ｏ。这些模拟电源用来模拟太阳电池板、燃料电池堆的电气外特性，包括其稳态特性和动态特性。使用模拟电源，可以简化实验过程，减少实验费用，加速新产品、新技术的研发周期。在风力发电的研究中，如果使用模拟风力机，就可使得研究变得较为容易，而且还可以在一台模拟机上模拟不同特性的风力机，风速的变动波形也可以随意设定。风力机的模拟可以概括为：首先根据当前的风速和风力机的转速计算当前风力机的转矩，然后根据此转矩指令来控制感应电机的实际输出转矩来模拟风力机。感应电机采用逆变器驱动的
收稿日期：２００３旬７．２５
矩特性的模拟方法；并使用该模拟风力机的ＭＰ阳
实验结果。
１风力机转矩特性的计算式
众所周知，空气流动形成风，那么，风所具有的能量就是空气的动能。这种空气动能Ｅ可以用式（１）来表示
Ｅ：｛ｍ俨：—知Ａ矿
其中
（１）
卜风速；
ｐ——空气的密度；
Ａ——风力机桨叶转动时扫过的面积。
对于风力机来说，当其受到来自风力的转矩
时，将开始转动，因此式（１）所表示的一部分空气动能就转换为风力机的转动动能。风力机输出的转矩与风速和风力机的转速有关，用式（２）表示为∞ｏ
●
１
ｒ＝去＿ｐ７ｒｃ，（Ａ）俨Ｒ３
其中
（２）
尺——风力机桨叶的半径；
ｃ，（Ａ）——风力机转矩系数。
７３６
太阳能由式（２）可知，当风力机桨叶的半径Ｒ和风力机转矩系数ｃ，（Ａ）已知时，就可以计算得到风力机的转矩。一般来说，风力机都具有图１所示形状的转矩系数特性曲线。风力机的转矩系数可以由风力机空气动力特性参数来确定Ｈｏ，或者对于小型的风力机，也可以在风洞中进行吹风试验得到。本文在已知某风力机的转矩特性曲线的前提下，采用逆变器控制的感应电机来模拟风力机的转矩特性。
＾
图ｌ
一般风力机的转矩系数特性曲线
Ｆｉｇ．１
Ｇｅｎｅｒａｌｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ
ａ
ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
通常，一条曲线可以用多项式来拟合，因此图１所示的曲线可以用式（３）所示的ｎ次多项式来表示
ｃ，（Ａ）＝仪。＋∑仅ｉＡ‘
（３）
‘＝ｌ
其中
Ａ：等——为风力机的端速比；
ｙ
∞——风力机转速；
卜风速；
ｄ。，ｄ，，…，ａ。——多项式系数。
根据式（３），知道了多项式的系数，就可以求得风力机的转矩特性系数。式（３）的多项式系数可以用以下所述的方法来求得：
首先，选定图１所示曲线上具有代表性的点，如曲线的最大值点、最小值点以及曲线的拐点等，然后在这些特征点（Ａｉ，Ｇｉ），ｉ＝０，１，…，疗上，采用最小方差法对曲线进行拟合，得到多项式（３）中各项的系数。例如，给出图２所示的具体的风力机的转矩特性系数曲线，并根据表ｌ中选定的曲线上的特征点，用４次、６次、８次多项式进行拟合，得到图３所示的结果。
学报
２５卷
表１转矩特性系数曲线的特征点
Ｔａｂｌｅｌ
Ｔｙｐｉｃａｌｐｏｉｎｔｓ０ｆｔｏｒｑｕｅｃｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｃｕｒｖｅ
ＣＴ
Ｏ．００７
０，
０．００７ｎ５
０．０６２５４Ｏ
０．０８１
＆Ｏ
０．０６４＆Ｏ
Ｏ．０１６
¨ｍ
０
挖■
ＯＯ
ＯＯ
占
ＯＯ
ＯＯＯ
∞吣盯∞∞∞∞舵叭Ｏ
图２被模拟的风力机转矩特性曲线
Ｆｉｇ．２
Ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
ｔｏｒｑｕｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｃｕＩｖｅ
ｕｓｅｄｆｂｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
图３多项式拟合结果
Ｆｉｇ．３
Ｒｅｓｕｌｔｏｆｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｆｉｎｉｎｇ
由图３可知，６次多项式的拟合误差最小，因此利用表１中的数据，由６次多项式的最小方差拟合计算得到表２所示的多项式的系数。
６期贾要勤：风力发电实验用模拟风力机
表２转矩特性的多项式系数
７３７
机的输出转矩进行反馈控制。
Ｔ洲ｅ２
Ｐ０ｌｙｎｏｌＩｌｉａｌｃｏｅ伍ｃｉｅｎｔｆｏｒ
ｔ唧ｕｅｃ｝ｌａＩ∞ｔ商ｓｔｉｃｓ
取值
０．００６９—０．００３９
０．００７４
多项式系数
却ｍ以ｍ肌粥船
—０．０００３１１５１—０．０００１７８９６
０．００００２０５１４
图４模拟风力机的控制方法
Ｆ培４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
一Ｏ．０００（１０１３６２７８７
为了实现图４所示的风力机的模拟方法，采用图５所示的感应电机的控制方法。这里，逆变器的输出电流采用空间矢量控制方法ＭＪ。风速的变动
２风力机转矩特性的模拟
２．１模拟风力机的控制原理
为了模拟式（２）所示风力机的转矩，这里使用逆变器驱动的感应电机。如图４所示，由式（２）计算风力机的转矩，并以此转矩为指令值对感应电
值ｙ通过ＤｓＰ的串行通讯端口ｓｃＩ进人ＤｓＰ内部，并根据当前的风速和感应电机的转速计算转矩的指
令值。模拟风力机实际输出的转矩根据此指令值来
追踪控制。另外，感应电机的励磁电流ｉ：为恒定值（８Ａ）。
帆信号
．～．ｋ
ＡＢｚ
图５模拟风力机用感应电机的电流控制方法
Ｆｉｇ．５
Ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｍｌ，ｏｆｉｎｄｕｃｔａｎｃ６ｍｏｔｏｒｕｓｅｄｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
２．２模拟风力机的实验结果
实验装置的构成如图６所示，模拟风力机驱动发电机发电，发电机的驱动变换器输出的３５０Ｖ直流电通过电子负荷回馈到电网（３５０Ｖ电压由电子负荷决定，即电子负荷运行在３５０Ｖ定电压模式）。
模拟风力机实际输出的转矩的计算如式（４）
所示
ｒ＝ｐ施ｄｉ。
其中
（４）
ｐ——感应电机的极对数；
肛一感应电机的互感；
ｉ。——感应电机的励磁电流；ｉ。——感应电机的电磁转矩电流。
采用图６所示的装置，采集不同风速和风力机
７３８
太阳能学报２５卷
转速下的转矩数据，得到图７所示的模拟风力机转矩特性。和实际被模拟的风力机转矩特性相比，最大转矩模拟误差为２Ｎｍ。对于实际的风力机来说，风速或风力机转速变化的瞬间，风力机的转矩也会
采集到模拟风力机实际的输出转矩响应如图８所示。
由图８可知，模拟风力机的转矩响应时间为１ｍｓ，可见感应电机采用矢量控制，得到快速的转矩响应，可以满足实验研究的要求。
随之发生变化，因此，对模拟风力机的转矩响应速
度也要求较高。这里，给出风速的阶跃变动数据，
Ａｃ２００ｖ
Ｑ王
＝爿
眯
图６模拟风力机实验装置的构成
Ｆｉｇ．６
Ｓｃｈｅｍｅｏｆｔｌｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ
ＡＣ２００Ｖ
两
制的实验装置，由模拟风力机、风力发电机和电
２０１５ｇ１０
子负荷三个单元构成。模拟风力机的额定功率为２ｋＷ。
给出风速的变动，使模拟风力机的输出功率（转矩丁和转速∞的乘积）尽量接近理论最大值，即对风力机的转速实行最大功率点追踪的ＭＰＰＩ’控制，随着风速的变动，使风力机始终运行在如图７
吞５
＆
所示的最大功率点上。ＭＰ盯控制的结果如图１０
所示，上图为风速的变动，中间的图为发电机的回
图７模拟风力机的转矩稳态特性
Ｆｉ昏７
Ｓｔａｂｌｅｔｏｒｑｕｅ
ｃｈ啪ｃｔ刮ｓｔｉｓ
ｏｆ诵ｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
转速度，下图点线为理论最大功率Ｐ。。，实线为实际模拟风力机的输出功率Ｐ。。。从图１０可以看出，模拟风力机的实际输出功率和理想的最大功率是一
致的，因此ＭＰ胛的动作也是正确的，从而可以确认，使用模拟风力机是可以进行ＭＰ盯控制实验研
究的。
图８模拟风力机的转矩动态特性
Ｆｉｇ．８
Ｄｙｎ锄ｉｃ
ｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａ【ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
０ｆ诵ｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
３
使用模拟风力机的ＭＰＰＴ实验钴里［７］当日木
Ｆｉｇ．９
图９风力发电实验装置
Ｅｘｐｅ打ｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
图９所示为使用该模拟风力机进行ＭＰ阳控
６期
贾要勤：风力发电实验用模拟风力机
７３９
＇∞
●
２０１０Ｏ
［参考文献］
谷辰夫，小山茂夫，大野吉弘．工木，Ｌ／芊一变换工学［Ｍ］．日本ｊ口于社，１９９９：２．
Ｓｋｅｓｔｌｌａ
吕釜
吕２０００
量Ｉ０００
３
Ｏ
Ｒ锄Ｍ．Ｍａｒｐａｕｎｇ
ａ
ＣｈａｄｅｓＯ
Ｐ．Ｓｕｐｐｌｙ
ａｎｄｄｅ—
ｍａｎｄ－ｓｉｄｅｅ饪毛ｃｔｓｏｆｐｏｗｅｒｓｅｃｔｏｒｐｌａｎｎｉｎｇ谢ｔｈＣ０２ｍｉｔ—
ｉｇａｔｊｏｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｉｎ
ｄｅｖｅｌ叩ｉｎｇｃｏｕｎ竹［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，
２００２，２７：２７１—－２８６．
Ⅳｓ
ＫｏｕｋｉｃｈｉＫ０８ｈｉｉｓｈｉ，ＨｉｒｏｔａｋａＫｏｉｚｕ确，ＫｏｓｕｋｅＫｕｍ—
ｋａｗａ，ｅｔ
ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍａ】ｃｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｍ
ＰＶ
ａｒｒａｙ
图１０
Ｆｉｇ．１０
ＭＰ胛控制的实验结果
ｔｒａｃｋｉｎｇ叩ｅｒａｔｉｏｎ诵ｔｌｌ
Ｅｎｅｒｇｙ
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ｓｏｌａｒ
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＰＰＴｃｏｎｔｍｌ
ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒ
Ｃｅｌｌｓ，２００３，７５（３）：５３７—
５４６．
４
结论
Ｙ锄ａｇｌｌｃｈｉ
ｍ，
ｅｔ
Ｍａｓａｌｌｏｒｉ，
ＳａｉｔｏＴａｄａｙｏｓｈｉ，ＩｚｕｍｉｔａｎｉＭｉｎｏ－
ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｓｉｎｇｆｈｅｌ
本文采用６次多项式拟合的方法，对风力机的转矩特性曲线进行模拟计算。并根据计算得到的转矩指令对逆变器驱动的感应电机进行转矩控制，就可以对风力机进行模拟，并得到了模拟风力机的良好特性实验数据。最后，使用该模拟风力机所进行
ｃｅｌｌｐｌａｎｔｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．
Ｔｍｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥ．
１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１９９０，３７（５）：３７８—０８６．
Ｄｉｏｐ
Ａ
Ｄ，ＮｉｃｈｉｔａＣ，ＢｅｌｈａｃｈｅＪＪ，ｅｔａ１．ＭｏｄｅＵｉｎｇ
ａ
ｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈＨＡＷＴｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｔｕｒｂｉｎｅ
ｒｅａｌｔｉｍｅｗｉｎｄ
ｓｉｍｕＩａｔｏｒ［Ｊ］．ｗｉｎｄＥｎ蒈ｎｅ洲ｎｇ，１９９９，２３
的ＭＰ盯控制实验也得到了很好的结果，从而验证
了模拟风力机的有效性。该模拟风力机可以用作额定功率在２ｋｗ之内的任意模拟风力机，并可以研究任意风速变动下的风力机特性。
（４）：２２５—．２４３．
［美］Ｂ．Ｋ．Ｂｏｓｅ，姜建国等译．电力电子学与变频传
动［Ｍ］．中国矿业大学出版社，１９９９：１５７ｑ１１．
贾要勤．风力发电系统的Ｈ。鲁棒控制研究［Ｄ］．西安交通大学博士学位论文，２００３：５８—１２．
Ａ
ＷＩＮＤ
ＴＵＲＢＩＮＥＳＢ垤ＵＬＡＴｏＲＦｏＲＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮＲＥＳＥＡＲＣＨ
ＷＩＮＤ
ＪｉａＹａｏｑｉｎ
（＿ｓ把招Ｋ可如６０ｒ０幻∥旷Ａ眦Ｄｍｏ￡洫ｓ咖可口蒯胁‘∥，孔ｉ啦∽踟沁ｍ渺，＆扣曙１０００８４，蕊ｉＭ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｉｎｔ
Ａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄ
ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｔｒａｃｋｉｎｇ），
ｔｏ
ｅｔｃ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｏｒｑｕｅ—ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｃｕｒｖｅ
ｉｓｆｉｔｔｅｄｂｙｓｉｘｔｈｏｒｄｅｒｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｃｏｍｐｕｔｅｗｉｎｄｔｏｒｑｕｅｗｉｔｈＤＳＰ．Ｔｈｅｗｉｎｄｔｏｒｑｕｅｉｓｃｏｍｐｕｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｔｌｌｅ
Ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｒｑｕｅｉｓｔａｋｅｎ
ａｓ
ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｔｏ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｎ
ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ
ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｉｓｄｒｉＶｅｎｂｙ
ａｎ
ｉｎＶｅｒｔｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒａ聪ａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａＩｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｌｌｅｇｏｏｄｐｒｏｐｅｎｙｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａ—
ｔｏｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒ；Ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ
联系人Ｅ—ｍａｎ：ｊｉａｙｑ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
风力发电实验用模拟风力机
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
贾要勤
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2004,25(6)9次
参考文献(2条)
1. B K Bose;姜建国 电力电子学与变频传动 1999
2. 贾要勤 风力发电系统的H鲁棒控制研究[学位论文] 2002
引证文献(9条)
1. 张艳杰. 徐丙垠. 熊立新. 边敦新 一种基于SRD模糊控制的风力机模拟器[期刊论文]-电机与控制学报 2011(1)2. 王前双. 胡育文. 黄文新 风力机模拟技术综述[期刊论文]-电机与控制应用 2010(3)
3. 杜海江. 冯先正. 杨明皓 基于直流电动机的小型风力机仿真建模及实验[期刊论文]-农业工程学报 2010(1)4. 王超. 黄文新. 王前双 基于异步电机的风力机特性模拟[期刊论文]-电力电子技术 2010(6)5. 赵荣珍. 吕钢 大型水平轴式风力机的国内外研究状况分析[期刊论文]-风机技术 2009(1)
6. 章心因. 杨志超. 李先允. 许大宇 基于直流电动机电流闭环控制的风力机特性模拟[期刊论文]-南京工程学院学报（自然科学版） 2008(2)
7. 岳一松. 蔡旭 风场与风力机模拟系统的设计与实现[期刊论文]-电机与控制应用 2008(4)
8. 刘剑. 李建林. 周谦. 潘磊. 赵斌. 许洪华 一种简单易行的风力机模拟器[期刊论文]-电气传动 2007(10)9. 苏孙鹤. 赵林峰. 茆荣 风力发电机组动态特性建模及其速度-功率双环控制策略仿真[期刊论文]-江苏电机工程2007(3)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tynxb200406003.aspx
第２５卷第６期
２００４年１２月
太阳能学报
ＡＣＴＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＬＡＲＩＳＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２５．Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．．２００４
文章编号：０２５４Ｊ吣９６（２００４）０６ＪＤ７３５稍
风力发电实验用模拟风力机
贾要勤
（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）
摘
要：在风力发电机控制、风力机最大功率点追踪控制（ＭＰ胛，Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｐｏｉｎｔ．Ｉ’ｒａｃｋｉｎｇ）等相关的研究
中，风力机是必备的实验设备，但是，在没有风的情况下，或在实验室，就无法进行这些实验和研究。作者开发了一种模拟风力机，有了它，就可以在实验室随心所欲地进行风力发电的初期实验研究工作，从而缩短研发的周期和减小实验研究的费用。首先用６次多项式来拟合风力机的转矩特性曲线。然后根据当前的风速和风力机转速来计算风力机的转矩，将此转矩作为转矩指令控制感应电机来模拟风力机，感应电机通过控制逆变器来
驱动。最后，给出了用此模拟风力机所做的ＭＰ胛实验研究结果，验证了该模拟风力机的良好特性。
关键词：风力发电；模拟风力机；最大功率点追踪控制。中图分类号：ＴＫ８
文件标识码：Ａ
０
引言
方式。
本文提出风力机转矩的计算方法；及风力机转
近年来，随着环境污染的不断加剧和石油等矿石能源的短缺¨以１，人类研究开发可再生新型清洁 能源的热情越来越高。世界各国越来越多的研究机构都在开展风能、太阳能等可再生能源的研究与开发。风力发电的实验研究需要有风力机设备。目前，一些实验室使用小型风力机进行这方面的研究工作，并使用一个较大的风扇来吹动风力机，这时，实验设备变得十分复杂，而且风速变动也不易控制。因此，即使在实验室使用小型风力机也显得十分不方便。目前，日本、美国等一些国家的研究机构在进行太阳能、燃料电池等的应用研究中，常常使用模拟电源∞“ｏ。这些模拟电源用来模拟太阳电池板、燃料电池堆的电气外特性，包括其稳态特性和动态特性。使用模拟电源，可以简化实验过程，减少实验费用，加速新产品、新技术的研发周期。在风力发电的研究中，如果使用模拟风力机，就可使得研究变得较为容易，而且还可以在一台模拟机上模拟不同特性的风力机，风速的变动波形也可以随意设定。风力机的模拟可以概括为：首先根据当前的风速和风力机的转速计算当前风力机的转矩，然后根据此转矩指令来控制感应电机的实际输出转矩来模拟风力机。感应电机采用逆变器驱动的
收稿日期：２００３旬７．２５
矩特性的模拟方法；并使用该模拟风力机的ＭＰ阳
实验结果。
１风力机转矩特性的计算式
众所周知，空气流动形成风，那么，风所具有的能量就是空气的动能。这种空气动能Ｅ可以用式（１）来表示
Ｅ：｛ｍ俨：—知Ａ矿
其中
（１）
卜风速；
ｐ——空气的密度；
Ａ——风力机桨叶转动时扫过的面积。
对于风力机来说，当其受到来自风力的转矩
时，将开始转动，因此式（１）所表示的一部分空气动能就转换为风力机的转动动能。风力机输出的转矩与风速和风力机的转速有关，用式（２）表示为∞ｏ
●
１
ｒ＝去＿ｐ７ｒｃ，（Ａ）俨Ｒ３
其中
（２）
尺——风力机桨叶的半径；
ｃ，（Ａ）——风力机转矩系数。
７３６
太阳能由式（２）可知，当风力机桨叶的半径Ｒ和风力机转矩系数ｃ，（Ａ）已知时，就可以计算得到风力机的转矩。一般来说，风力机都具有图１所示形状的转矩系数特性曲线。风力机的转矩系数可以由风力机空气动力特性参数来确定Ｈｏ，或者对于小型的风力机，也可以在风洞中进行吹风试验得到。本文在已知某风力机的转矩特性曲线的前提下，采用逆变器控制的感应电机来模拟风力机的转矩特性。
＾
图ｌ
一般风力机的转矩系数特性曲线
Ｆｉｇ．１
Ｇｅｎｅｒａｌｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ
ａ
ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
通常，一条曲线可以用多项式来拟合，因此图１所示的曲线可以用式（３）所示的ｎ次多项式来表示
ｃ，（Ａ）＝仪。＋∑仅ｉＡ‘
（３）
‘＝ｌ
其中
Ａ：等——为风力机的端速比；
ｙ
∞——风力机转速；
卜风速；
ｄ。，ｄ，，…，ａ。——多项式系数。
根据式（３），知道了多项式的系数，就可以求得风力机的转矩特性系数。式（３）的多项式系数可以用以下所述的方法来求得：
首先，选定图１所示曲线上具有代表性的点，如曲线的最大值点、最小值点以及曲线的拐点等，然后在这些特征点（Ａｉ，Ｇｉ），ｉ＝０，１，…，疗上，采用最小方差法对曲线进行拟合，得到多项式（３）中各项的系数。例如，给出图２所示的具体的风力机的转矩特性系数曲线，并根据表ｌ中选定的曲线上的特征点，用４次、６次、８次多项式进行拟合，得到图３所示的结果。
学报
２５卷
表１转矩特性系数曲线的特征点
Ｔａｂｌｅｌ
Ｔｙｐｉｃａｌｐｏｉｎｔｓ０ｆｔｏｒｑｕｅｃｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｃｕｒｖｅ
ＣＴ
Ｏ．００７
０，
０．００７ｎ５
０．０６２５４Ｏ
０．０８１
＆Ｏ
０．０６４＆Ｏ
Ｏ．０１６
¨ｍ
０
挖■
ＯＯ
ＯＯ
占
ＯＯ
ＯＯＯ
∞吣盯∞∞∞∞舵叭Ｏ
图２被模拟的风力机转矩特性曲线
Ｆｉｇ．２
Ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
ｔｏｒｑｕｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｃｕＩｖｅ
ｕｓｅｄｆｂｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
图３多项式拟合结果
Ｆｉｇ．３
Ｒｅｓｕｌｔｏｆｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｆｉｎｉｎｇ
由图３可知，６次多项式的拟合误差最小，因此利用表１中的数据，由６次多项式的最小方差拟合计算得到表２所示的多项式的系数。
６期贾要勤：风力发电实验用模拟风力机
表２转矩特性的多项式系数
７３７
机的输出转矩进行反馈控制。
Ｔ洲ｅ２
Ｐ０ｌｙｎｏｌＩｌｉａｌｃｏｅ伍ｃｉｅｎｔｆｏｒ
ｔ唧ｕｅｃ｝ｌａＩ∞ｔ商ｓｔｉｃｓ
取值
０．００６９—０．００３９
０．００７４
多项式系数
却ｍ以ｍ肌粥船
—０．０００３１１５１—０．０００１７８９６
０．００００２０５１４
图４模拟风力机的控制方法
Ｆ培４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
一Ｏ．０００（１０１３６２７８７
为了实现图４所示的风力机的模拟方法，采用图５所示的感应电机的控制方法。这里，逆变器的输出电流采用空间矢量控制方法ＭＪ。风速的变动
２风力机转矩特性的模拟
２．１模拟风力机的控制原理
为了模拟式（２）所示风力机的转矩，这里使用逆变器驱动的感应电机。如图４所示，由式（２）计算风力机的转矩，并以此转矩为指令值对感应电
值ｙ通过ＤｓＰ的串行通讯端口ｓｃＩ进人ＤｓＰ内部，并根据当前的风速和感应电机的转速计算转矩的指
令值。模拟风力机实际输出的转矩根据此指令值来
追踪控制。另外，感应电机的励磁电流ｉ：为恒定值（８Ａ）。
帆信号
．～．ｋ
ＡＢｚ
图５模拟风力机用感应电机的电流控制方法
Ｆｉｇ．５
Ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｍｌ，ｏｆｉｎｄｕｃｔａｎｃ６ｍｏｔｏｒｕｓｅｄｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
２．２模拟风力机的实验结果
实验装置的构成如图６所示，模拟风力机驱动发电机发电，发电机的驱动变换器输出的３５０Ｖ直流电通过电子负荷回馈到电网（３５０Ｖ电压由电子负荷决定，即电子负荷运行在３５０Ｖ定电压模式）。
模拟风力机实际输出的转矩的计算如式（４）
所示
ｒ＝ｐ施ｄｉ。
其中
（４）
ｐ——感应电机的极对数；
肛一感应电机的互感；
ｉ。——感应电机的励磁电流；ｉ。——感应电机的电磁转矩电流。
采用图６所示的装置，采集不同风速和风力机
７３８
太阳能学报２５卷
转速下的转矩数据，得到图７所示的模拟风力机转矩特性。和实际被模拟的风力机转矩特性相比，最大转矩模拟误差为２Ｎｍ。对于实际的风力机来说，风速或风力机转速变化的瞬间，风力机的转矩也会
采集到模拟风力机实际的输出转矩响应如图８所示。
由图８可知，模拟风力机的转矩响应时间为１ｍｓ，可见感应电机采用矢量控制，得到快速的转矩响应，可以满足实验研究的要求。
随之发生变化，因此，对模拟风力机的转矩响应速
度也要求较高。这里，给出风速的阶跃变动数据，
Ａｃ２００ｖ
Ｑ王
＝爿
眯
图６模拟风力机实验装置的构成
Ｆｉｇ．６
Ｓｃｈｅｍｅｏｆｔｌｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ
ＡＣ２００Ｖ
两
制的实验装置，由模拟风力机、风力发电机和电
２０１５ｇ１０
子负荷三个单元构成。模拟风力机的额定功率为２ｋＷ。
给出风速的变动，使模拟风力机的输出功率（转矩丁和转速∞的乘积）尽量接近理论最大值，即对风力机的转速实行最大功率点追踪的ＭＰＰＩ’控制，随着风速的变动，使风力机始终运行在如图７
吞５
＆
所示的最大功率点上。ＭＰ盯控制的结果如图１０
所示，上图为风速的变动，中间的图为发电机的回
图７模拟风力机的转矩稳态特性
Ｆｉ昏７
Ｓｔａｂｌｅｔｏｒｑｕｅ
ｃｈ啪ｃｔ刮ｓｔｉｓ
ｏｆ诵ｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
转速度，下图点线为理论最大功率Ｐ。。，实线为实际模拟风力机的输出功率Ｐ。。。从图１０可以看出，模拟风力机的实际输出功率和理想的最大功率是一
致的，因此ＭＰ胛的动作也是正确的，从而可以确认，使用模拟风力机是可以进行ＭＰ盯控制实验研
究的。
图８模拟风力机的转矩动态特性
Ｆｉｇ．８
Ｄｙｎ锄ｉｃ
ｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａ【ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
０ｆ诵ｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
３
使用模拟风力机的ＭＰＰＴ实验钴里［７］当日木
Ｆｉｇ．９
图９风力发电实验装置
Ｅｘｐｅ打ｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
图９所示为使用该模拟风力机进行ＭＰ阳控
６期
贾要勤：风力发电实验用模拟风力机
７３９
＇∞
●
２０１０Ｏ
［参考文献］
谷辰夫，小山茂夫，大野吉弘．工木，Ｌ／芊一变换工学［Ｍ］．日本ｊ口于社，１９９９：２．
Ｓｋｅｓｔｌｌａ
吕釜
吕２０００
量Ｉ０００
３
Ｏ
Ｒ锄Ｍ．Ｍａｒｐａｕｎｇ
ａ
ＣｈａｄｅｓＯ
Ｐ．Ｓｕｐｐｌｙ
ａｎｄｄｅ—
ｍａｎｄ－ｓｉｄｅｅ饪毛ｃｔｓｏｆｐｏｗｅｒｓｅｃｔｏｒｐｌａｎｎｉｎｇ谢ｔｈＣ０２ｍｉｔ—
ｉｇａｔｊｏｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｉｎ
ｄｅｖｅｌ叩ｉｎｇｃｏｕｎ竹［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，
２００２，２７：２７１—－２８６．
Ⅳｓ
ＫｏｕｋｉｃｈｉＫ０８ｈｉｉｓｈｉ，ＨｉｒｏｔａｋａＫｏｉｚｕ确，ＫｏｓｕｋｅＫｕｍ—
ｋａｗａ，ｅｔ
ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍａ】ｃｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｍ
ＰＶ
ａｒｒａｙ
图１０
Ｆｉｇ．１０
ＭＰ胛控制的实验结果
ｔｒａｃｋｉｎｇ叩ｅｒａｔｉｏｎ诵ｔｌｌ
Ｅｎｅｒｇｙ
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ｓｏｌａｒ
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＰＰＴｃｏｎｔｍｌ
ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒ
Ｃｅｌｌｓ，２００３，７５（３）：５３７—
５４６．
４
结论
Ｙ锄ａｇｌｌｃｈｉ
ｍ，
ｅｔ
Ｍａｓａｌｌｏｒｉ，
ＳａｉｔｏＴａｄａｙｏｓｈｉ，ＩｚｕｍｉｔａｎｉＭｉｎｏ－
ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｓｉｎｇｆｈｅｌ
本文采用６次多项式拟合的方法，对风力机的转矩特性曲线进行模拟计算。并根据计算得到的转矩指令对逆变器驱动的感应电机进行转矩控制，就可以对风力机进行模拟，并得到了模拟风力机的良好特性实验数据。最后，使用该模拟风力机所进行
ｃｅｌｌｐｌａｎｔｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．
Ｔｍｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥ．
１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１９９０，３７（５）：３７８—０８６．
Ｄｉｏｐ
Ａ
Ｄ，ＮｉｃｈｉｔａＣ，ＢｅｌｈａｃｈｅＪＪ，ｅｔａ１．ＭｏｄｅＵｉｎｇ
ａ
ｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈＨＡＷＴｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｔｕｒｂｉｎｅ
ｒｅａｌｔｉｍｅｗｉｎｄ
ｓｉｍｕＩａｔｏｒ［Ｊ］．ｗｉｎｄＥｎ蒈ｎｅ洲ｎｇ，１９９９，２３
的ＭＰ盯控制实验也得到了很好的结果，从而验证
了模拟风力机的有效性。该模拟风力机可以用作额定功率在２ｋｗ之内的任意模拟风力机，并可以研究任意风速变动下的风力机特性。
（４）：２２５—．２４３．
［美］Ｂ．Ｋ．Ｂｏｓｅ，姜建国等译．电力电子学与变频传
动［Ｍ］．中国矿业大学出版社，１９９９：１５７ｑ１１．
贾要勤．风力发电系统的Ｈ。鲁棒控制研究［Ｄ］．西安交通大学博士学位论文，２００３：５８—１２．
Ａ
ＷＩＮＤ
ＴＵＲＢＩＮＥＳＢ垤ＵＬＡＴｏＲＦｏＲＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮＲＥＳＥＡＲＣＨ
ＷＩＮＤ
ＪｉａＹａｏｑｉｎ
（＿ｓ把招Ｋ可如６０ｒ０幻∥旷Ａ眦Ｄｍｏ￡洫ｓ咖可口蒯胁‘∥，孔ｉ啦∽踟沁ｍ渺，＆扣曙１０００８４，蕊ｉＭ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｉｎｔ
Ａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄ
ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ
Ｐｏｗｅｒ
Ｔｒａｃｋｉｎｇ），
ｔｏ
ｅｔｃ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｏｒｑｕｅ—ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｃｕｒｖｅ
ｉｓｆｉｔｔｅｄｂｙｓｉｘｔｈｏｒｄｅｒｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｃｏｍｐｕｔｅｗｉｎｄｔｏｒｑｕｅｗｉｔｈＤＳＰ．Ｔｈｅｗｉｎｄｔｏｒｑｕｅｉｓｃｏｍｐｕｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｔｌｌｅ
Ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｒｑｕｅｉｓｔａｋｅｎ
ａｓ
ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｔｏ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｎ
ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ
ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｉｓｄｒｉＶｅｎｂｙ
ａｎ
ｉｎＶｅｒｔｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒａ聪ａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａＩｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｌｌｅｇｏｏｄｐｒｏｐｅｎｙｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａ—
ｔｏｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒ；Ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ
联系人Ｅ—ｍａｎ：ｊｉａｙｑ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
风力发电实验用模拟风力机
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
贾要勤
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA2004,25(6)9次
参考文献(2条)
1. B K Bose;姜建国 电力电子学与变频传动 1999
2. 贾要勤 风力发电系统的H鲁棒控制研究[学位论文] 2002
引证文献(9条)
1. 张艳杰. 徐丙垠. 熊立新. 边敦新 一种基于SRD模糊控制的风力机模拟器[期刊论文]-电机与控制学报 2011(1)2. 王前双. 胡育文. 黄文新 风力机模拟技术综述[期刊论文]-电机与控制应用 2010(3)
3. 杜海江. 冯先正. 杨明皓 基于直流电动机的小型风力机仿真建模及实验[期刊论文]-农业工程学报 2010(1)4. 王超. 黄文新. 王前双 基于异步电机的风力机特性模拟[期刊论文]-电力电子技术 2010(6)5. 赵荣珍. 吕钢 大型水平轴式风力机的国内外研究状况分析[期刊论文]-风机技术 2009(1)
6. 章心因. 杨志超. 李先允. 许大宇 基于直流电动机电流闭环控制的风力机特性模拟[期刊论文]-南京工程学院学报（自然科学版） 2008(2)
7. 岳一松. 蔡旭 风场与风力机模拟系统的设计与实现[期刊论文]-电机与控制应用 2008(4)
8. 刘剑. 李建林. 周谦. 潘磊. 赵斌. 许洪华 一种简单易行的风力机模拟器[期刊论文]-电气传动 2007(10)9. 苏孙鹤. 赵林峰. 茆荣 风力发电机组动态特性建模及其速度-功率双环控制策略仿真[期刊论文]-江苏电机工程2007(3)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tynxb200406003.aspx