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        基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機組建模和仿真研究

        2012-08-20 12:56:30孟克其勞馬建光
        節(jié)能技術(shù) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)輪利用系數(shù)槳葉

        陳 虎,孟克其勞,馬建光

        (1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

        0 引言

        風(fēng)力發(fā)電作為一種不竭的可再生資源,具有其它能源不可取代的優(yōu)勢和競爭力。風(fēng)能的利用一直是世界上增長最快的能源,裝機容量近年每年增長超過30%。預(yù)計到2020年全球的風(fēng)力發(fā)電裝機將達(dá)到12.31億kW,風(fēng)力發(fā)電量將占全球發(fā)電量的12%[1-2]。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]通過介紹美國政府對清潔能源產(chǎn)業(yè)的扶持,為我國發(fā)展清潔能源給予了政策建議。在國家政策的支持下,現(xiàn)今我國在風(fēng)電領(lǐng)域的開發(fā)已經(jīng)取得了非常卓越的成就。

        風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)是一項綜合性的技術(shù),是多個學(xué)科和多種領(lǐng)域相互交叉的課題[5]。其核心技術(shù)一直被國外壟斷,伴隨著國內(nèi)1.5 MW、2 MW、5 MW等擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電機組的問世,國內(nèi)的科研院所對控制技術(shù)的研究有了更高的提升和改進(jìn)。風(fēng)力發(fā)電機組的變頻調(diào)速、變槳距控制、低電壓穿越控制等技術(shù)是現(xiàn)今科研的熱點與難點。

        依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以下及以上表現(xiàn)出不同的運行特性的基礎(chǔ)上,本文在風(fēng)力發(fā)電機組的變頻調(diào)速、變槳距控制原理的基礎(chǔ)上,依據(jù)機理建模的思想,將風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)分解為:風(fēng)速、風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機模型等子系統(tǒng),并利用Matlab/simulink平臺構(gòu)建了各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合PID控制算法驗證了系統(tǒng)模型具有良好的運行特性。

        1 風(fēng)力發(fā)電機組的運行特性

        風(fēng)力發(fā)電的基本原理是[6]:當(dāng)自然風(fēng)以一定的風(fēng)速和攻角在風(fēng)輪槳葉上,使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩,再通過齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機,使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)。根據(jù)貝茲理論,由于風(fēng)機尾流的影響,風(fēng)輪對風(fēng)能的利用理論上可以達(dá)到0.593,能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降,實際中風(fēng)能利用率CP<0.593。

        當(dāng)風(fēng)速一定時,風(fēng)力機機械效率的大小由風(fēng)能利用系數(shù)CP決定,反映了風(fēng)力機特性的好壞[7]。不同的風(fēng)力機,其數(shù)字也不相同。本文采用如下關(guān)系

        由式(1)可看出CP與槳葉節(jié)距角β、葉尖速比λ成非線性關(guān)系,如圖1所示。

        由圖可知,當(dāng)槳距角β固定時,只有一個葉尖速比λ對應(yīng)與其相應(yīng)的最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,對于任意的葉尖速比,隨著槳距角的減小,風(fēng)能利用系數(shù)逐漸增大。上述結(jié)論為變槳距控制提供了理論基礎(chǔ):在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時,槳葉節(jié)距角β=0°。發(fā)電機輸出功率未達(dá)到額定功率,隨風(fēng)速變化通過改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或者葉尖速比使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在Cpmax,捕捉最大風(fēng)能。在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機輸出功率,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

        圖1 葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系Fig.1 The relationship between tip speed ratio and wind energy utilization coefficient

        2 機理建模法構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)學(xué)模型

        風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個多變量的非線性系統(tǒng),其精確數(shù)學(xué)模型的建立是十分困難的。只能深入剖析各子系統(tǒng)的工作狀態(tài),提取出其中重要的工作參數(shù),用數(shù)學(xué)表達(dá)式近似擬合子系統(tǒng)的工作過程,并加入一些修正方法,構(gòu)建出整個系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以劃分為如下幾部分:風(fēng)速、風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機模型等子系統(tǒng)[8-10]。

        2.1 風(fēng)速系統(tǒng)

        自然風(fēng)具有突變性、漸進(jìn)性及隨機性的特點,但通過長期的統(tǒng)計可以看出在固定的空間位置下,風(fēng)速的變化仍然具有一定的分布規(guī)律,為了模擬不同風(fēng)速對風(fēng)力機的作用,本文采用四種風(fēng)(基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機風(fēng))的合成來模擬現(xiàn)場風(fēng)速。

        2.1.1 基本風(fēng)

        基本風(fēng)在風(fēng)速模型中占很大的比例,在風(fēng)力機正常運行過程中一直存在,反映了風(fēng)電場的平均風(fēng)速的變化,一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時間變化,取為常數(shù),有

        2.1.2 陣風(fēng)

        陣風(fēng)反映了風(fēng)速的突變性。其數(shù)學(xué)模型為

        2.1.3 漸變風(fēng)

        漸變風(fēng)風(fēng)速是反映風(fēng)速緩慢變化的特性。其數(shù)學(xué)模型為

        2.1.4 隨機風(fēng)

        隨機風(fēng)速(vn)反映風(fēng)速變化的隨機性,用隨機噪聲風(fēng)速來模擬。

        綜合上述四種風(fēng)速成分,可建立模擬風(fēng)速的模型為

        風(fēng)速系統(tǒng)Matlab/simulink仿真圖像為

        圖2 實際風(fēng)速模型Fig.2 The actual wind speed model

        2.2 風(fēng)輪模型

        風(fēng)輪是將其吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置,從自然風(fēng)只能獲取有限能量。風(fēng)輪實際獲得的風(fēng)能功率為

        風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān),關(guān)系式為

        式中 Pr——風(fēng)輪實際吸收的功率/W;

        Cp(λ,β) ——功率系數(shù);

        λ——葉尖速比;

        β——槳距角(°);

        由圖3可見,隨著氫氣露點增加,二氧化鉬顆粒棱角逐漸明顯,氫氣露點為+20 ℃時晶體層片狀效果更清晰,部分大顆粒表面有凹坑并有微小顆粒附在其表面上,符合氣相遷移模型[6],也側(cè)面佐證了一段還原氣氛中水分可以有效地促進(jìn)三氧化鉬的遷移效果。

        ρ——空氣密度/kg·m-3;

        R——風(fēng)輪半徑/m;

        v——風(fēng)速/m·s-1;

        ωr——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速/r·s-1;

        Tr——風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩/Nm。

        風(fēng)輪系統(tǒng)的Matlab/simulink仿真圖像見圖3。

        圖3 風(fēng)輪模型Fig.3 The Wind turbine model

        2.3 傳動系統(tǒng)模型

        傳動系統(tǒng)是連接風(fēng)輪與發(fā)電機的紐帶,傳動設(shè)備的優(yōu)良影響著風(fēng)力機的輸出功率。主要由風(fēng)輪的轉(zhuǎn)子、低速軸、增速齒輪箱、高速軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在忽略風(fēng)輪和發(fā)電機部分的傳動阻尼的條件下,根據(jù)風(fēng)輪及發(fā)動機的運動方程可以化簡得到系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)模型

        式中 Jr——風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量/kgm2;

        Jg——發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量/kgm2;

        Tg——發(fā)電機的反轉(zhuǎn)矩/Nm;

        Tm——高速軸的機械轉(zhuǎn)矩/Nm;

        ωg——發(fā)電機轉(zhuǎn)速/r·s-1;

        n——增速箱的傳動比。

        2.4 發(fā)電機模型

        發(fā)電機模型是由發(fā)電機和電力電子器件組成的,由于電力電子器件模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及動態(tài)特性較其他模塊變化快,本文忽略其影響,采用繞線式三相異步發(fā)電機作為發(fā)電機的模擬對象,通過調(diào)節(jié)定子電壓使發(fā)電機反力矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,從而達(dá)到變速的要求。

        發(fā)電機的反轉(zhuǎn)矩模型為:Dr和Dg分別為風(fēng)輪部分和發(fā)電機部分的傳動阻尼系數(shù)。

        式中 p——發(fā)電機的極對數(shù);

        m1——發(fā)電機定子相數(shù);

        U1——電網(wǎng)電壓/V;

        C1——修正系數(shù);

        ωG——發(fā)電機的當(dāng)量轉(zhuǎn)速/r·s-1;

        ωg——發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速/r·s-1;

        r和x——定子繞組的電阻和漏抗/Ω;

        r2’和 x2’——折算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗/Ω。

        發(fā)電機系統(tǒng)的Matlab/simulink仿真圖像見圖4。

        圖4 發(fā)電機模型Fig.4 The Generator model

        由上述各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和風(fēng)機控制原理可以構(gòu)建出整個風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的仿真模型,如圖5所示。

        圖5 風(fēng)力發(fā)電機組模型Fig.5 The wind turbine generator system model

        3 變槳距控制過程仿真

        本文采用PID控制算法對系統(tǒng)參數(shù)整定,通過Matlab/Simulink進(jìn)行風(fēng)力機變槳距控制仿真。仿真如圖6~圖9所示。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時,控制的目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)風(fēng)能利用系數(shù)Cp達(dá)到獲得風(fēng)能最大利用率。將槳葉節(jié)距角置于0°,調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,使其與風(fēng)速之比保持不變(λ=ωrR/v=9),即可獲得最佳利用系數(shù)Cpmax。在高于額定風(fēng)速時,控制的目標(biāo)是保持輸出功率穩(wěn)定在最大允許值。因此在風(fēng)速較高時,通常通過調(diào)整槳葉節(jié)距角來調(diào)節(jié)風(fēng)能利用系數(shù) Cp的值,以此保持輸出功率為最大允許值。

        低于額定風(fēng)速時,采用PID控制器改變發(fā)電機定子電壓[11-12],間接調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩來改變轉(zhuǎn)速,選取 Kp=100,Ki=2.5,Kd=7.5,高于額定風(fēng)速時,采用PID控制器調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來改變Cp值,選取 Kp=0.000 2,Ki=0.000 03,Kd=0.000 001。

        仿真例子為600 kW變槳距風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)力發(fā)電機組的參數(shù)如下:風(fēng)輪直徑:31 m;額定風(fēng)速:12 m/s;額定功率:600 kW;空氣密度:1.225 kg/m3;風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速:3.2 r/s;額定電壓690 V。

        圖6 低風(fēng)速下發(fā)電機組的功率(v=9 m/s)Fig.6 The generating units power with low wind speed(v=9 m/s)

        圖7 低風(fēng)速下發(fā)電機轉(zhuǎn)速Fig.7 The generator speed with low wind speeds

        圖8 高風(fēng)速下發(fā)電機組的功率(v=16 m/s)Fig.8 The generating units power with high wind speeds(v=15 m/s)

        仿真結(jié)果說明:圖6為低風(fēng)速下(v=9 m/s)的風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率仿真圖,隨著風(fēng)速微小的變化,輸出功率在穩(wěn)定值附近上下波動;圖7為低風(fēng)速下發(fā)電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線,可以看出PID算法較好的控制了電機的平滑運行。圖8為高風(fēng)速下(v=16 m/s)風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率,能夠較快的響應(yīng)大風(fēng)速的變化,超調(diào)量小,近似在額定功率下運行;圖9為高風(fēng)速調(diào)節(jié)下風(fēng)能利用率變化圖,由圖可以看出PID控制方法能夠獲得良好的跟蹤效果,保持較高的風(fēng)能利用率。

        圖9 高風(fēng)速下風(fēng)能利用率Fig.9 Wind energy utilization with high wind speed

        4 結(jié)論

        本文利用機理建模的方法構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電機組各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,把經(jīng)典PID控制技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機組的控制上,在實驗中依據(jù)經(jīng)驗求出適合風(fēng)機正常運行的控制參數(shù),由仿真結(jié)果可以看出,該套控制算法提高了風(fēng)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度,在低風(fēng)速時控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速,使系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能利用系數(shù);高風(fēng)速時,控制槳距角,使機組能準(zhǔn)確地保持在額定功率發(fā)電,控制算法原理簡單,易于實現(xiàn),為今后在發(fā)電機組模型的基礎(chǔ)上研究智能控制算法打下了理論基礎(chǔ)。

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