Vacon變頻器在風(fēng)力機模擬器中的應(yīng)用
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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。近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個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、先進控制技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)實驗室都沒有風(fēng)電場或風(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)展一種能在實驗室模擬風(fēng)力機特性的技術(shù)來簡化目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的實驗過程，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(shè)定風(fēng)速的變化曲線，方便了實驗室對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。風(fēng)力機模擬裝置可以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的開發(fā)和測試。
由于異步電動機具有穩(wěn)定性好，維修費用低，工作時間長，且價格相對便宜等優(yōu)勢，因此，實驗室采用異步電動即進行風(fēng)力機模擬器的載體。然而，異步電動機的控制相對復(fù)雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實現(xiàn)了對異步電動機的“理想控制”，從而使異步機輸出曲線與風(fēng)力機輸出曲線吻合，達到了模擬風(fēng)力機特性的目的，同時，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(yīng)的參數(shù)就可以實現(xiàn)，應(yīng)用簡單、方便。
2風(fēng)力機特性研究
根據(jù)空氣動力學(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(shù)：
風(fēng)能利用系數(shù)CP為風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的效率，它與風(fēng)速，葉片轉(zhuǎn)速，葉片直徑和槳葉節(jié)距角均有關(guān)系，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。
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，存在一個最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)
，此時風(fēng)力機輸出功率最佳。因此，在某一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)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(tǒng)來說，輸入機械轉(zhuǎn)矩特性非常重要，與之相對應(yīng)的是風(fēng)力機輸出功率與機械角速度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。
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