叶会华，杨 龙，高 滨，甄宏巅，赵 旭

(1. 天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2. 北京奥思得建筑设计有限公司 机电工作室，北京 100022)

能源与机械

离网风电-网电互补的模拟供电试验

叶会华1，杨 龙1，高 滨1，甄宏巅1，赵 旭2

(1. 天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2. 北京奥思得建筑设计有限公司 机电工作室，北京 100022)

以离网风电-网电互补的抽油机供电关键技术研究为理论基础，确立了离网风-网互补供电系统模拟试验研究方案；通过建立模拟试验平台，确定了风力发电机模拟发电系统，并基于计算机设计了一套完整的信号测量与控制系统；进行了模拟供电的试验研究．

离网风力发电；互补供电；风力发电机模拟；机组测试

风力发电是目前利用技术相对成熟、发电成本较低的可再生能源．截止到2012年底，我国风力发电装机容量已达6,083万kW，发电1,008亿kW·h[1]，而其中投资成本低、风能利用率高的离网风力发电比例却不高．究其原因，主要是离网风力发电的应用途径受限所致，即使是风能资源好，但电网延伸可达的用电场所也无人问津．为此，对于具有较好风能资源、但不宜建立并网发电的场所(如油田采油区)，可针对用电需求，建立一个小型的离网风力发电系统，与原有电网互补供电，对节能环保具有十分重大的现实意义和实用价值．本文便是在基于抽油机的离网风电-网电互补供电设计研究的基础上，设计组装了离网风-网互补的模拟供电试验装置，对互补供电系统发电及互补双电源切换控制的相关技术进行了试验研究[2]．

1 离网风电-网电互补供电试验系统

图1为离网风电-网电互补供电试验的系统简图．其中：1为MM440变频器；2为三相异步电动机；3为JN338转矩转速传感器；4为风力发电机；5为控制器；6为主逆变器；7为并网逆变器；8为蓄电池充放电切换控制开关；9为蓄电池组Ⅰ；10为蓄电池组Ⅱ；11为风-网双电源切换控制开关；12为用电负载．

图1 离网风电-网电互补供电试验系统简图

2 离网风力发电系统的模拟及测控方法

本离网风力发电试验系统中，模拟发电部分采用由山东卡特风电设备公司生产的规格为5,kW三相交流永磁发电机、配套的WWS50-220-N00控制器与WI50-220-3N11型离网正弦波逆变器，逆变器输出50,Hz、220,V AC交流电．蓄电池选用天津蓝天电源公司生产的阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)36块(其中每块容量为12,V、100,A·h)，组成两个蓄电池组．发电机由变频器控制的调速电动机驱动，并由计算机控制，变频器模拟不同风速下的风力机输出转矩．

2.1 风力机转矩特性模拟

气流与风力机的相互作用要考虑多个几何与力学参数．在风力机能量转换的研究中，通常采用以下简易的功率表达式[3]

式中：P为风力机的输出功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；v为风速；Cp为风能利用系数．

由式(2)可知，风力机的转矩与空气的物理性质、轴转速、风速、风轮的几何形式等多种参数有关．在定桨距角情况下，桨距角β与风轮半径R是不变的，所以

设计模拟风力机的关键是通过计算机控制的变频器，使驱动电机轴上的输出转矩及对应的转速符合实际风力机的机械输出特性．由式(1)可得

为此，本试验采用风力发电机组生产厂家实测的风速-功率数据推导出不同风速下风力机的风能利用系数，如图2所示．由计算出的不同风速下对应的模拟风力机(调速电机)输出转矩及相应的转速，并编程控制变频器输出励磁电流及电压信号．

图2 实测P-v曲线与推导Cp-v曲线

2.2 模拟风力机控制及发电机组测试

对模拟风力机采用矢量控制的方法：励磁电流通过两相坐标系，先后进行VR逆变换和2/3变换，送入逆变电路驱动电机运行，反馈时将电机电流由相反的坐标变换完成．在实际控制过程中，该部分的变换控制由变频器完成[4-7]．

发电机组的试验测试分四组进行，对比四组测试数据，各数值取平均值如表1所示．

表1 发电机组试验测试参数平均值

对表1实测数据进行分析可知，发电机发电功率与转速的数值关系经过三次多项式拟合为

发电机转速与风速关系数值经过三次多项式拟合为

由以上数据分析及所显示的变频器输入电压-发电机转速-风速关系，可最终得出如图3所示关系：每个风速数值均对应一个变频器输入电压值，即若使风力发电机模拟装置模拟一组风速数据的运行及发电情况，只要于工控机中输入一组与之对应的变频器电压值即可．

图3 变频器输入电压-实时风速关系曲线

图4为在一定风速下，风力发电机的理论发电功率、通过转化为变频器励磁电流与电压信号下的实测功率的曲线．由图4可以看出，在相同风速下两功率值较接近，实测功率略低于理论功率值，其原因是由实验台安装中的机械误差及测量仪表的测量误差所致．

图4 理论功率与实测功率曲线

3 互补供电的信号检测与控制

图5为互补供电的信号检测与控制系统简图(见39页)．在信号检测中，J1-J9分别为三相异步电动机转矩转速信号、风力发电机功率信号、蓄电池组电压信号及用电负载功率信号．ADAM-4017通过DATA数据线连接，传输至RS232/485转换器，并与计算机进行通信[8-10]．在切换控制中，蓄电池充放电切换控制开关与风-网双电源切换控制开关利用“远程软件控制—控制信号处理接口—控制电路—被控开关”的模式，达到试验系统合理运行的目的．

4 试验过程分析

离网风电-网电互补的模拟供电试验测试步骤如下：

(1)计算机启动，利用风速数据对该电路进行测试，因此在VB6.0编程环境下编辑与风速相对应的变频器输入电压；

(2)闭合相关空气开关，接通网电，此时离网风电-网电互补供电电路准备工作结束；

(3)于控制软件“连续控制”中运行“变频器自动输出”模式，此时三相异步电动机运转，并拖动发电机发电；蓄电池组开关控制为“电池Ι充/电池Ⅱ放”按钮；

(4)在控制软件控制界面打开“电机1风电开”，此时负载电机1的供电电源由网电变为风电；依此打开电机2-4的“风电开”，4台负载电机均由风电供电；C7-C10显示在风电供电下的电机消耗功率；

(5)正常运行10,min后，将控制软件控制界面中“电机1网电开”打开，负载电机1的供电电源转变为网电；依此打开电机2、3的“网电开”，此时，负载电机1-3为网电供电，负载电机4为风电供电；C7-C10显示在不同供电下的电机消耗功率；

(6)变频器20,min模拟风速数据输出完毕，关闭测量与控制软件，各空开开关断开；

(7)离网风电-网电互补的模拟供电试验测试完毕．

试验过程中，软件工作状态如图6所示．图7为在20,min工作过程中，用电负载的理论耗电功率与实际耗电功率．由图7可知，理论功率与试验台实际运行功率吻合度高，没有发生明显电压波动及载荷冲击现象．

图6 控制软件工作状态

图7 用电负载理论与实际耗电功率比较

图5 信号检测与控制简图

5 结 语

抽油机能耗大、运行效率低，一直是石油作业亟需解决的问题．本文在前期研究的基础上，针对离网风力发电的抽油机供电系统，搭建了风能利用中关键技术测试试验台．通过计算机控制变频器来控制变频电机，以推动风力发电机，模拟风力机实际发电运行，并对模拟抽油机供电．通过试验测试研究证明：搭建的试验系统能够完成风-网互补供电中关键技术的相关参数测试．利用变频器控制调速电机可以较准确地模拟风力机发电，在控制计算机给定风速下，发电机输出功率与风速特性具有较好的吻合性．风力发电的充放电过程对周期波动供电可靠，并未出现电压的明显波动．风-网双电源供电切换控制灵活、可靠，切换过程没有载荷冲击现象发生．该试验研究对建立离网风电-网电互补的抽油机供电系统具有重要意义，推近了与实际应用的距离．

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Supply Simulation Experimental Research Based on Integration of Off-grid Wind Power and Grid Power

YE Hui-hua1，YANG Long1，GAO Bin1，ZHEN Hong-dian1，ZHAO Xu2
(1. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Electromechanical studio，Beijing Honest Architectural Design Co. Ltd.，Beijing 100022，China)

Based on the core technology research of complementary supply system of off-grid wind power and grid power, this paper presented a new simulation research design of mutual complementary system between off-grid wind power and grid power；the authors set up a simulation platform so as to design a wind generator simulation system, meanwhile, a new signal testing and control system was designed by computers, which was used to carry out an experimental research of simulation power.

off-grid wind power；complementary supply；wind generator simulation；unit testing

TM614

A

2095-719X(2014)01-0036-05

2013-11-29；

2014-01-09

天津市科技支撑计划项目(10ZCGYG02000)

叶会华（1958—），男，辽宁义县人，天津城建大学教授，硕士.