基于Matlab/Simulink的風(fēng)力機特性仿真

作者 / 張?zhí)煲? 楊巍2 郝玉然3

　　1.鄭州工商學(xué)院(河南 鄭州 450000) 2.66389部隊(陜西 西安 710000)

　　3.華北水利水電大學(xué)(河南 鄭州 450000)

　　張?zhí)煲唬?989.11，碩士研究生，講師，控制理論與控制工程;楊巍，女，1987.8，碩士研究生，助理工程師，通信與信息系統(tǒng);郝玉然，男，1992.1，碩士研究生，學(xué)生，工業(yè)控制。

摘要：本文選擇參考文獻(xiàn)2中的風(fēng)能的功率系數(shù)Cp進(jìn)行分析，采用遺傳算法進(jìn)行最大功率系數(shù)Cpmax求解，并通過對參考文獻(xiàn)1中的風(fēng)能的功率系數(shù)Cp求解驗證其算法求解的合理性。采用matlab/Simulink進(jìn)行風(fēng)力機的仿真建模，模擬外界真實情況下，通過已知的λ和Cpmax，求得風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之間的比例系數(shù)，在最佳比例系數(shù)下，實現(xiàn)風(fēng)力機的最大功率捕捉，得到風(fēng)力機的靜態(tài)仿真波形。

0 引言

　　隨著化石能源的不斷消耗和化石能源所帶來的環(huán)境問題，人們轉(zhuǎn)向了清潔能源的開發(fā)，風(fēng)能具有資源范圍廣，清潔無污染，建設(shè)周期短等特點，成為主要開發(fā)對象。近20年來世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)有了飛速的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，截止到2013年12月世界裝機容量總計318137MW，全球新增裝機容量35467MW，風(fēng)力發(fā)電成為當(dāng)今電力系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域之一。

　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)發(fā)展的一種新風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，優(yōu)點是發(fā)電機以變速運行、噪聲低和損耗小。通過發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，保證風(fēng)力機在最佳葉尖速度比 下運行，從而實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。因為變速系統(tǒng)成本在大型風(fēng)力發(fā)電機組中占得比例小，所以今后大力發(fā)展變速恒頻技術(shù)是風(fēng)力發(fā)展的必然趨勢。本文通過遺傳算法計算最佳葉尖速度比 和最大風(fēng)能的功率系數(shù)Cp，并在 matlab/Simulink中對變速風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)力機進(jìn)行靜態(tài)仿真，為建立合理的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作準(zhǔn)備。

1 變速風(fēng)力機原理及特性

　　1.1 風(fēng)力機結(jié)構(gòu)

　　風(fēng)力機是風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部件。風(fēng)力機由槳葉和輪軸組成，槳葉在氣流作用下帶動風(fēng)輪使旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力機把捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后永磁發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。由貝茲理論可知，風(fēng)力機的最大風(fēng)能利用率為0.593。本文針對定槳距、變轉(zhuǎn)速發(fā)電機的變速風(fēng)力機進(jìn)行仿真，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 變速風(fēng)力機基本特性

　　通過對比參考文獻(xiàn)1和2中的風(fēng)力機吸收利用風(fēng)能的功率系數(shù)C_p，本文選擇參考文獻(xiàn)2中的C_p。

(1)

　　式中λ為風(fēng)力機的葉尖速比，β為風(fēng)力機的槳距角。

　　發(fā)電機的角速度ω_m，風(fēng)力機捕獲的有效功率P_m，風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩T_L的表示如下式(2)所示：

(2)

　　式(2)中R_w為風(fēng)力機葉片半徑，n為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速， ω_r為風(fēng)力機的角速度，N齒輪箱增速比，是空氣密度。

2 風(fēng)力機性能simulink模型

　　2.1 最大功率系數(shù)Cp max的計算

　　從式(1)可得到，當(dāng)風(fēng)力機槳矩角β恒定時，當(dāng)風(fēng)速不同時，只需控制風(fēng)力機葉尖速比λ在合適的范圍，這樣就能得到風(fēng)力機最大功率系數(shù) ，從而變速風(fēng)力機能捕獲到最大功率。由于(1)中的式子比較復(fù)雜，才用直接計算法很難求得C_p的最大值，本文在matlab中使用遺傳算法可以很輕松求得C_pmax和λ。為了驗證使用遺傳算法計算的結(jié)果是否可靠，對參考文獻(xiàn)1中C_p進(jìn)行了最大值求解，求解結(jié)果如圖2所示，和文中所提到的C_pmax和λ一致。圖3是對本文中C_pmax和λ的計算結(jié)果，得到當(dāng)λ=6.325時，C_pmax=0.44

　　2.2 C_pmax和風(fēng)機性能的matlab模型

　　根據(jù)式1在simulink中搭建模型，把λ作為輸入量，C_p作為輸出量，建立的C_p(λ,β)模型如圖4所示。

　　對C_pmax matlab模型進(jìn)行封裝得到風(fēng)機性能matlab模型如下圖5所示。

　　2.3 風(fēng)力機matlab模型

　　由式1和式2在simulink中對風(fēng)力機進(jìn)行建模，風(fēng)速v和風(fēng)力機的角速度ω_r作為輸入量，風(fēng)力機的葉尖速比 λ、功率系數(shù)C_p、風(fēng)力機捕獲的有效功率P_m和風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩T_L作為輸出。在模型建立起來后，對風(fēng)力機的性能進(jìn)行仿真。

　　2.4 風(fēng)力機性能模擬仿真matlab圖

　　將風(fēng)力機matlab模型進(jìn)行封裝，再把與風(fēng)力機各參數(shù)輸入封裝的風(fēng)力機模塊中，變速風(fēng)力發(fā)電機組的仿真整體matlab模型如圖6所示。

3 仿真結(jié)果分析

　　對圖5模型進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖7所示。對圖6的變速風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行matlab/Simulink仿真，空氣密度為12.5kg.m^-3，風(fēng)力機的槳距角β為0，風(fēng)力機半徑36m，變速風(fēng)速為0~14.5m.s^-1，仿真圖如圖9所示。

　　已知當(dāng)葉尖速比λ=6.325時，C_pmax=0.44，和式2中λ、ω_r和v之間關(guān)系，得到最好的比例系數(shù)K，由此仿真得到最佳的輸出轉(zhuǎn)矩和功率，如圖10和11所示。

4 結(jié)論

　　本文通過選用文獻(xiàn)2中的C_p(λ,β)，采用遺傳算法計算得到λ=6.325時，C_pmax=0.44，并在matlab/Simulink中對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變速風(fēng)力機進(jìn)行建模仿真分析。模擬外界真實情況下，通過已知的λ和C_pmax，求得風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之間的比例系數(shù)，在最佳比例系數(shù)下，實現(xiàn)風(fēng)力機的最大功率捕捉，得到風(fēng)力機的靜態(tài)仿真波形。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]高平, 王輝, 佘岳,等. 基于Matlab/Simulink的風(fēng)力機性能仿真研究[J]. 能源研究與信息, 2006, 22(2):79-84.

　　[2] 任永峰. 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組柔性并網(wǎng)運行與控制[M]. 機械工業(yè)出版社, 2011.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。