風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

王 瓊，周國(guó)平

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210013)

風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

王 瓊，周國(guó)平

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210013)

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備體積巨大，對(duì)環(huán)境要求苛刻，再加上自然風(fēng)具有隨機(jī)性、不可重復(fù)性，使得對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的研究尤為困難。針對(duì)這些情況，建立風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就顯得尤為必要。結(jié)合理論，提出風(fēng)力機(jī)模擬的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，論證了該設(shè)計(jì)的可行性。搭建了風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由PC機(jī)界面和微控制器系統(tǒng)組成，PC機(jī)界面采用組合風(fēng)速模型對(duì)自然風(fēng)速進(jìn)行模擬，微控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同風(fēng)速下轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的實(shí)驗(yàn)值與理論值相對(duì)誤差小于0.02，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的模擬符合理論變化趨勢(shì)。

風(fēng)速模型；風(fēng)力機(jī)；MATLAB；模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

將綠色風(fēng)能轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)生活所需的電能，可有效解決能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩大難題[1]。因此，近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電一直是人們研究的熱點(diǎn)。研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，最理想的方法是在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中，運(yùn)用實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)[2]。然而風(fēng)速在真實(shí)自然環(huán)境下，是隨機(jī)的、突發(fā)的、瞬時(shí)的，不可重復(fù)也難以控制；其次，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備體積龐大，需要足夠大的空間；再加上風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境要求較為苛刻。這些給研究人員對(duì)真實(shí)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了諸多困擾。風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)克服了以上缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了模擬真實(shí)風(fēng)力機(jī)的特性，為風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，風(fēng)力發(fā)電的人才培養(yǎng)提供了有利條件。

1 風(fēng)力機(jī)特性

氣流的質(zhì)量m，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積A，風(fēng)速v，空氣密度ρ，葉片半徑Rw，葉尖速比λ，則單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)的輸入功率[3]：

.

(1)

風(fēng)能利用系數(shù)Cp，是輸出功率Po與輸入功率Pi之比[3]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)[3-4]：

CT=CP/λ

(2)

風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩To的表達(dá)式為[5-6]：

.

(3)

由此可以看出，風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩是風(fēng)力機(jī)的重要性能指標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)特性準(zhǔn)確模擬的必要控制量。

2 風(fēng)力機(jī)模擬

2.1 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)簡(jiǎn)述

風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)分為兩大部分： PC機(jī)界面、微控制器系統(tǒng)。

PC機(jī)界面采用由基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、噪聲風(fēng)構(gòu)成的組合風(fēng)速模型模擬自然風(fēng)。通過(guò)程序語(yǔ)言可以任意組合四種風(fēng)型，還可以改變四種風(fēng)型的參數(shù)，獲得不同的風(fēng)型風(fēng)速。PC機(jī)界面還可以在圖形窗口中將風(fēng)型的圖像展示出來(lái)，給用戶直觀的視覺(jué)。圖1給出了PC機(jī)界面中某種組合風(fēng)速風(fēng)型圖。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為s，縱坐標(biāo)為風(fēng)速,單位為m/s。

微控制器根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生命令控制變頻裝置，對(duì)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。微控制器通過(guò)速度傳感器獲得原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，該速度與給定速度經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算作為變頻裝置的新的控制量，從而形成速度閉環(huán)；原動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)同軸相連，微控制器與電壓傳感器、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、IGBT板、負(fù)載構(gòu)成轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率匹配。整個(gè)微控制器系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，完成了風(fēng)力機(jī)特性的模擬。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 PC機(jī)界面某種風(fēng)速風(fēng)型圖

圖2 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)示意圖

2.2 風(fēng)力機(jī)模擬的主要步驟

模擬系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)特性的模擬步驟如下：

1) 在PC機(jī)界面中，首先選擇風(fēng)型種類，改變風(fēng)型的系數(shù)和持續(xù)時(shí)間，在圖形窗口中繪出風(fēng)速圖像；同時(shí)計(jì)算出實(shí)時(shí)風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩；

2) 微控制器根據(jù)所接到的風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出此時(shí)的葉尖速比；

3) 風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下運(yùn)行，根據(jù)公式能夠計(jì)算出風(fēng)能利用系數(shù)CP、風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT、風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩To；

4) 基于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系，微控制器將轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)換成頻率后寫(xiě)入變頻裝置驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

5) 微控制器通過(guò)速度傳感器獲取電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ω1，設(shè)定轉(zhuǎn)速ω與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω1經(jīng)PI運(yùn)算后產(chǎn)生的值作為變頻裝置的控制量，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速；

3 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的MATLAB仿真

為了驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的合理性和正確性，采用功能強(qiáng)大的MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。該仿真系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)模型子系統(tǒng)、異步電機(jī)子系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)、PWM驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、IGBT子系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，直流發(fā)電機(jī)的額定功率為400 W，額定電流為2 A，額定轉(zhuǎn)速為1 450 rpm；異步電動(dòng)機(jī)的額定功率為500 W，額定轉(zhuǎn)速為1 450 rpm，額定電流為2.3 A；風(fēng)力機(jī)的額定功率為500 W，風(fēng)機(jī)半徑設(shè)定為0.8 m，齒輪箱變比設(shè)為1∶1.8。

在多個(gè)風(fēng)速下，比較了風(fēng)力機(jī)仿真特性曲線與理論特性曲線，相對(duì)誤差小于0.01，仿真系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)特性曲線符合理論特性變化趨勢(shì)，由此可見(jiàn)該風(fēng)力機(jī)模擬設(shè)計(jì)方案的合理性和正確性。

4 風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建及結(jié)果分析

PC機(jī)、微控制器、工業(yè)變頻器、交流電動(dòng)機(jī)、速度傳感器、直流發(fā)電機(jī)、IGBT、負(fù)載、電流/電壓傳感器檢測(cè)電路等共同構(gòu)成了風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

6 m/s風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)模擬的理論數(shù)據(jù)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)如表1所示。

選取多個(gè)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析比較，得出風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差小于0.02。實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)出的變化符合理論曲線的變化趨勢(shì)，說(shuō)明了風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的有效性。

表1 6 m/s風(fēng)速下穩(wěn)態(tài)特性點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電研究的不便，設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面與微控制器系統(tǒng)相結(jié)合的風(fēng)力機(jī)特性模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。上位機(jī)界面的風(fēng)速模擬為風(fēng)力機(jī)特性的研究提供可控制，可多次重復(fù)的風(fēng)速。在風(fēng)速模擬的基礎(chǔ)上，以微控制器及其外圍電路、交-直流電機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載為核心的微控制器系統(tǒng)將軟件與硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，達(dá)到了模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的效果，為風(fēng)力機(jī)特性的研究提供一種方案。

[1] 曹新.中國(guó)新能源發(fā)展戰(zhàn)略問(wèn)題研究[J].經(jīng)濟(jì)研究參考,2011(52):1-20.

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[3] 岳一松.風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].上海:上海交通大學(xué),2008-7-1(1).

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ResearchonExperimentalPlatformofWindTurbineSimulator

Wang Qiong , Zhou Guoping

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,JiangsuNo.2NormalCollege,NanjingJiangsu210013,China)

Wind generation, which has vast volume, is critical for the environment. Natural wind is random and unrepeatable. All these disadvantages make it difficult to research the characteristics of wind turbine. Based on the theories, a scheme of experimental platform is put forward. It is simulated by MATLAB software, then turn out to be feasible. The experimental platform is composed of PC interface and microcontroller system. PC interface adopts combined model of wind speed to simulate natural wind, microcontroller system achieves the closed-loop control of speed and torque. With analyzing the steady-state data of this trial platform, it can conclude that the relative error between the experimental data and theoretical data of wind turbine torque is less than 0.02, which validates that the characteristics of this platform are in accordance with the trend of theoretical change.

combined model of wind speed; wind turbine; MATLAB; simulation platform

2017-11-12

王 瓊(1988- )，女，助教，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及儀器。

1674- 4578(2017)06- 0091- 03

TM614;TM315

A