基于Matlab/Simulink的風(fēng)力機特性仿真

作者 / 張天一1 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)

　　張天一，女，1989.11，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;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2中的風(fēng)能的功率系數Cp進(jìn)行分析，采用遺傳算法進(jìn)行最大功率系數Cpmax求解，并通過(guò)對參考文獻1中的風(fēng)能的功率系數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(shí)情況下，通過(guò)已知的λ和Cpmax，求得風(fēng)機的轉速與風(fēng)速之間的比例系數，在最佳比例系數下，實(shí)現風(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(zhù)化石能源的不斷消耗和化石能源所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，人們轉向了清潔能源的開(kāi)發(fā)，風(fēng)能具有資源范圍廣，清潔無(wú)污染，建設周期短等特點(diǎn)，成為主要開(kāi)發(fā)對象。近20年來(lái)世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)有了飛速的發(fā)展，據統計，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)電成為當今電力系統的重要研究領(lǐng)域之一。

　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電是20世紀發(fā)展的一種新風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機以變速運行、噪聲低和損耗小。通過(guò)發(fā)電機轉速控制，保證風(fēng)力機在最佳葉尖速度比 下運行，從而實(shí)現最大風(fēng)能跟蹤。因為變速系統成本在大型風(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(guò)遺傳算法計算最佳葉尖速度比 和最大風(fēng)能的功率系數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)電系統作準備。

1 變速風(fēng)力機原理及特性

　　1.1 風(fēng)力機結構

　　風(fēng)力機是風(fēng)電發(fā)電系統中的重要組成部件。風(fēng)力機由槳葉和輪軸組成，槳葉在氣流作用下帶動(dòng)風(fēng)輪使旋轉，風(fēng)力機把捕獲的風(fēng)能轉化為機械能，然后永磁發(fā)電機將機械能轉化為電能。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、變轉速發(fā)電機的變速風(fēng)力機進(jìn)行仿真，結構如圖1所示。

　　1.2 變速風(fēng)力機基本特性

　　通過(guò)對比參考文獻1和2中的風(fēng)力機吸收利用風(fēng)能的功率系數C_p，本文選擇參考文獻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Cp max的計算

　　從式(1)可得到，當風(fēng)力機槳矩角β恒定時(shí)，當風(fēng)速不同時(shí)，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 ，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果是否可靠，對參考文獻1中C_p進(jìn)行了最大值求解，求解結果如圖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的計算結果，得到當λ=6.325時(shí)，C_pmax=0.44

　　2.2 C_pmax和風(fēng)機性能的matlab模型

　　根據式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C_p、風(fēng)力機捕獲的有效功率P_m和風(fēng)力機機械轉矩T_L作為輸出。在模型建立起來(lái)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 仿真結果分析

　　對圖5模型進(jìn)行仿真，得到仿真結果如圖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。

　　已知當葉尖速比λ=6.325時(shí)，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K，由此仿真得到最佳的輸出轉矩和功率，如圖10和11所示。

4 結論

　　本文通過(guò)選用文獻2中的C_p(λ,β)，采用遺傳算法計算得到λ=6.325時(shí)，C_pmax=0.44，并在matlab/Simulink中對風(fēng)力發(fā)電系統中的變速風(fēng)力機進(jìn)行建模仿真分析。模擬外界真實(shí)情況下，通過(guò)已知的λ和C_pmax，求得風(fēng)機的轉速與風(fēng)速之間的比例系數，在最佳比例系數下，實(shí)現風(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：

　　[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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第68頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。