引 言
由于实验室资金、场地等条件限制，不具备真实 的风电场环境和风力机原型，而为了验证风力发电 领域的一些控制理论，风力机模拟技术便成为了值 得研究的内容。通过采取合适的控制策略，使整个 风力机模拟系统符合实际的风力机特性，用该模拟 系统驱动发电机，进而可基本实现风力发电系统工 作。模拟风力机特性需解决的问题主要是能够 快速跟踪风力机的功率、转矩，以及快速响应与风况 相一致的转速。 目前风力机模拟系统主要有 2 种方法: 基于直 流电机的风力机模拟系统和基于异步电机的风力机 模拟系统。直流机模型简单，控制性能优越，是风力 机模拟的有效工具。但由于直流电机有电刷以及换 向器，这些限制了直流电机主要应用于小功率场 合。相比于直流电机，异步电机结构简单，价格 便宜，运行可靠，维护方便，因此也被广泛应用于风 力机的模拟系统。而且随着目前风力发电单机容量 越来越大，直流电机的换向能力严重限制了其在风 力机模拟领域的应用，因此异步电机在大功率场合 有着较大的优势。
异步电机的动态数学模型是 一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，不像直流 电动机可以通过控制电枢电流来灵活控制电磁转 矩。但是随着矢量控制和直接转矩控制技术的发 展，异步电机的控制越来越灵活，甚至已达到可与直 流电机相媲美的性能。
因此，本文在研究真实风力机特性的基础上，利 用一台三角形接法的异步电机及减速齿轮箱模拟风 力机，通过分析三角形连接时的 SVPWM 调制算法， 实现异步电机的矢量控制，使其转矩转速符合风力 机特性，模拟真实的风力机。本文建立了异步电机 模拟风力机，及由新型双转子风力发电机组成的风力发电系统实验平台，对所提出的三角形接法异步 电机模拟风力机进行了仿真验证，验证了由异步电 机模拟的风力机运行特性良好，为今后的风电控制 策略研究及验证提供了良好的基础。
1 风力发电系统模型
2 风力机模拟
2． 1 异步电机模拟风力机原理上海
合愉异步电机模拟风力机控制框图如图 3 所示，异 步电机采用 SVPWM 矢量控制，其控制目标为电机 转矩，使异步电机输出转矩转速特性与风力机一致。 异步电机给定参考转矩 T* e 根据发电机转速、给定风 速及风力机特性曲线所得。通过测量发电机转速及 给定风速，根据式( 2) 可得风力机叶尖速比，再通过 查询风力机特性曲线可得此时风能利用系数 CP，再 将已知值带入式( 3) 计算便可得到参考转矩。对异 步电机采用转子磁链定向，则转子磁链 ψr 基本恒 定，根据式( 11) 可求得定子电流转矩分量 i * q ，图 3 中 K = Lr /( np Lm ψr ) 。定子电流励磁分量 i * d 则根据 转子磁链及式( 7) 、式( 9) 计算得到。而为了提高控 制精度，在计算 i * d 时转子磁链并不是采用恒定值， 而是根据异步电机转速查表而得。
2． 2 三角形接法 SVPWM 调制分析 本文选择的异步电机绕组采用三角形连接，三 相电压型逆变器与三角形连接的异步电机连接如 图 4所示。图中 VT1 ～ VT6 是 6 个全控型功率开关 器件，逆变器上下桥臂开关状态互补。记功率器件 开通状态为 1，关断状态为 0，则上桥臂 VT1，VT3， VT5 的开关状态有 8 种组合。
3 仿真与实验研究
3． 1 仿真研究 为了说明星形 SVPWM 算法应用于绕组三角形 连接的问题，基于 Matlab /SIMULINK 建立风力发电 系统仿真模型，将星形连接的 SVPWM 调制算法应 用于三角形连接异步电机上，进行仿真研究。仿真 结果如图 6 所示，图 6 ( a) 为仿真中给定的风速波 形，图 6( b) 和 6( c) 分别为异步电机转矩及三相电 流波形。可看出星形连接 SVPWM 算法应用于三角 形连接异步电机时控制效果很差，无法实现风力机 模拟功能。
3． 2 风力发电系统实验平台 风力机参数及异步电机参数分别如表 4 和表 5 所示，异步电机绕组采用三角形接法以验证上述 SVPWM 调制方法推导的正确性。由于实际情况中 风力机转速较低，而异步电机额定转速较高，因此用 异步电机模拟风力机时，需要考虑一个转速变比。 在实验平台搭建时，采用异步电机和减速齿轮箱的 组合来模拟风力机，减速齿轮箱变比为 4． 2，实验平 台如图 7 所示。图 7( a) 展示了风力发电系统的实 验控制框图。风力机由异步电机及减速齿轮箱模 拟，其系统包括三相调压器、二极管整流器( 不控整 流) 、三相六管 IGBT、电容、异步电机及减速齿轮箱 构成。发电机系统由双转子风力发电机、三相六管IGBT、电容及可控电阻构成。可控电阻的导通关段 由双转子发电机侧的直流电压决定，当直流电压超 过给定值时电阻导通，电阻消耗发出的电能; 当直流 电压低于给定值时，发出电能给电容充电。图 7( b) 和图 7( c) 分别为风力发电系统模拟实验平台及控 制平台照片。
4 结 论
本文针对绕组三角形接法的上海合愉
异步电机，通过分 析风力机特性，对其采用矢量控制方法使其模拟风 力机运行。同时由于三角形接法与常见的星形接法 的差异，推导了三角形接法下的 SVPWM 调制策略。 为验证异步电机模拟风力机有效性，建立了由异步 电机与减速齿轮箱相连模拟风力机，双转子风力发 电机组成的风力发电系统实验平台。通过给定系统 阶跃风速和随机风速两种不同的风况，实验结果均 证明了通过异步电机模拟风力机，可实现双转子风 力发电机的最大功率跟踪控制，满足了实验室风力 机模拟要求。
