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常规能源的耗竭和由此引发的生态环境问题促使人们努力开发新型能源,以化石燃料为结构主体的传统能源体系将逐步过渡到以新能源和可再生能源为主体的新型能源体系。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。风力发电技术的研究和开发已成为各国学者研究的热点。目前实际运行的风力发电机,风能的利用效率仍有很大的提升空间。因此在风力机安装之前,需要提前测试发电机的性能,验证发电机控制算法,完善整套的风力发电系统的控制策略。而要在不具备风电场运行环境的实验室进行风力发电机组的实验,必需建立一个能模拟风电场风能特性和测试风电机组性能的风力发电模拟实验平台。
本研究介绍了风力发电的基本原理,分析了目前风力发电技术中的各种模拟系统,着重介绍了风力机模拟系统的定义、原理和组成结构。这部分详细研究了现有的风力机模拟方法,对各种方法进行了分类比较。在分析三种风速模型的基础上,提出了综合统计风速模型和ARMA模型的新的风速模拟方法。该方法同时反映了风的统计特性和随机性,是比较好的模拟方案。文章还介绍了风电机组的各组成部分的模型和模拟算法,着重分析了气动转矩的脉动模型并简化了脉动模型的模拟算法。控制原动机的算法是通过假设负载在每个采样时间内恒定,模拟器用电机在相邻时刻的反馈速度估算每个采样时刻的负载值,并利用风力机风轮的特性计算实际风轮的输出加速度,与实测的风轮加速度相比较,算出异步电动机电磁转矩指令,最后采用直接转矩控制策略控制变频器调节异步电动机的电磁转矩。给出了模拟实验平台的总体设计框架,并对ARM硬件系统和两个DSP的硬件系统进行分析和设计。这部分列出了各器件的说明和原理图,可以作为开发人员的参考资料。分别介绍了WinCE.NET操作系统、ARM程序设计的思想和方法,重点分析了容易混淆的串口通信的原理和编程过程。此外,还给出了DSP的软件以实现风力机的模拟算法、电能质量的分析、串口通信等功能,文章给出了详细的流程图,方便了软件的编制和调试。在仿真的基础上,作者在实验室建立了实际的风力发电模拟实验平台,论文的最后给出了实验参数和结果,从而验证了模拟实验平台的功能。