0 引言
近幾十年來，隨著風電技術的進步，單機容量越來越大，但由於風力機系統的控制非常複雜，要提高其控制性能，進行風力發電技術的研究，最理想的實驗方法是將發電機與風機直接相連，但是這樣的實驗既耗時間又浪費金錢。所以針對實驗室環境研究而言，往往需採用計算機仿真技術，對實際的風力機、風力發電機等進行仿真模擬，並不斷修正改進控制策略，以提高風力發電機組實際環境下的運行性能。因此對風力發電機組進行模擬仿真研究，具有重要的現實意義。
目前，關於風力發電的實驗室模擬系統，可以劃分為直流電機模擬試驗系統和交流電機模擬試驗系統。在以交流電機作為原動機的模擬試驗系統中，目前的模擬方法大都只能實現穩態模擬，即使有動態模擬的，也都是直接模擬氣動轉矩，讓原動機輸出轉矩與風輪氣動轉矩相等。本文提出一種基於異步電動機直接轉矩控制的風力機風輪動態模擬方法。這種模擬方法是通過模擬風力機風輪的加速度來達到模擬風力機的目的。採用該方法，模擬不同的風力機風輪不需要更換複雜的機械聯動裝置，直接更改軟體參數就可以實現動態的模擬風力機風輪。
1 風力機和風速模型
1．1 風力機模型
在現實實驗中，風力機模型可用其輸入風力轉矩特性來描述，
式中：Ta為風輪產生的氣動轉矩，N・m；p為空氣密度，kg・m-3；A為槳葉掃掠的面積，m2；R是風輪半徑，m；CT(λ)為風輪轉矩係數；λ為葉尖速比；v為風速，m・s-1。
根據文獻所述，風輪轉矩係數隨角速度的變化而變化且呈非線性關係。CT(λ)曲線的峰值為系統穩定和不穩定的分界點，在最大風能捕獲時應考慮不要越過此點進入不穩定區域。
假設風輪的慣量為Ja，kg・m2；阻力係數為Da，kg・m2・s-2。轉動角速度為ωa，rad・s-1。等效阻力矩為Tc，N・m；輸出轉矩為TL，N・m；則
1．2 風速模型
根據文獻所述，風速由四部分組成，即基本風速，漸變風速，陣風和噪聲風。其中基本風速用於描述特定風場的穩態能量，漸變風用於描述風場穩態能量隨時間的緩慢變化過程，陣風和噪聲風用於描述風場風能的擾動和不確定因素。在MATLAB／simulink中，由於白噪聲與風速的相似性，故用下列方程來代表風速：
式中：vwind是模擬的風速；m(t)是白噪聲；Tv=9sec是時間常數；a=10．5m／s時是基本風速。建立了風速發生器仿真模型，由風速發生器產生的隨機風波形如圖l所示。
2 設計方案及仿真研究
2．1 模擬思想
關於風力發電的實驗室模擬系統，根據系統所具有的特性不同，又可劃分為靜態特性模擬系統和動態特性模擬系統。風力機的靜態模擬離風力發電機的真實運行情況相差較大，不利於控制系統動態特性研究。目前，對風力發電機動態特性的模擬主要有兩種方式：其一是通過附加硬體進行模擬；其二是通過計算機軟體進行模擬。
採用附加硬體進行模擬的如採用附加飛輪的辦法模擬風力機較大的慣性作用。但這種方法建立的一套硬體模擬系統僅能模擬一種型號的風機，缺乏靈活性。
採用軟體進行動態模擬，主要是在根據風力機空氣動力學特性產生原動機的轉矩或者功率時，加入了轉動慣量、摩擦係數、彈性等動態環節，從而實現了對原動機響應的動態修正，進而使其模擬風力機的實際動態響應特性。對於塔影效應和風剪效應的模擬，通常是通過對模擬風速進行修正或對原動機指令轉矩進行修正的方法實現的。本文所用的方法不是直接模擬其輸出氣動轉矩，而是模擬其加速度。在模擬裝置中用一臺直接轉矩控制的異步電動機作原動機，如果負載和風速不變，在實際風力機系統和模擬系統中，他們在相同的轉速下具有相同的加速度，那麼模擬系統就可以達到模擬風力機機械特性的目的。這就是本文提出的模擬思想。
在風力機系統中，由式(2)可得
J為電機的轉動慣量，kg・m2；np為極對數，TL為負載轉矩，N・m；Te為電機電磁轉矩，N・m；ωr為電角速度。
在模擬裝置中，由檢測到的電機轉速，在給定的風力機特性曲線中查到風力機風輪在該風速和轉速下的氣動轉矩Ta，代入式(7)，計算出異步電機的指令電磁轉矩。只要滿足式(7)，那麼模擬系統的轉速和加速度就與實際風力機系統中的一樣。