李 爭(zhēng) 高培峰 孫甜甜 薛增濤 王群京

(1. 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018 2. 安徽大學(xué)高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 合肥 230601)

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分布式能源系統(tǒng)垂直軸風(fēng)機(jī)特性的數(shù)值模擬與分析

李 爭(zhēng)1高培峰1孫甜甜1薛增濤1王群京2

(1. 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018 2. 安徽大學(xué)高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 合肥 230601)

研究了一種小型分布式能源系統(tǒng)用阻力型垂直軸風(fēng)機(jī)(VAWT)的特性，在原有風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上，將風(fēng)輪增加為兩層?；诹黧w動(dòng)力學(xué)(CFD)對(duì)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，模擬風(fēng)輪與空氣的流固耦合作用，分析流場(chǎng)風(fēng)速分布以及風(fēng)機(jī)在不同旋轉(zhuǎn)角度下的綜合受力情況，根據(jù)轉(zhuǎn)矩特性，在Matlab中建立風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型，然后使用最大功率跟蹤控制方法，建立風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而仿真得到發(fā)電機(jī)的電壓、電流等發(fā)電特性曲線。最后，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真和分析的正確性，為今后該類(lèi)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和效率提升提供了借鑒和參考。

分布式能源系統(tǒng) 垂直軸風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力發(fā)電 流體動(dòng)力學(xué) 數(shù)值仿真

0 引言

隨著人類(lèi)對(duì)非再生能源的不斷開(kāi)采，資源緊張已是各國(guó)面臨的重要問(wèn)題，風(fēng)能的利用顯得尤為重要[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照風(fēng)輪軸與地面的位置分為水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī)。垂直軸風(fēng)機(jī)因?yàn)闆](méi)有風(fēng)向的約束，不用安裝對(duì)風(fēng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)速度低、不易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失速、噪聲小且基座不需要承受風(fēng)速對(duì)水平風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)大扭矩，所以造價(jià)低、噪聲小、對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小[2-4]。但是，垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率普遍偏低，如何能更好地提高風(fēng)能效率是研究垂直軸風(fēng)機(jī)的重點(diǎn)所在。

近年來(lái)，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究。P.Ahmadi等[5]分析了NACA 0022、S1223、SD8020三種型號(hào)的風(fēng)機(jī)，通過(guò)二維和三維仿真比較，二維仿真更接近真實(shí)數(shù)據(jù)。J.Placide等[6]分析了Savonious 型風(fēng)機(jī)，分別使用standardk-ε模型和SSTk-ω模型，比較了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)、功率系數(shù)等值。W.Kou等[7]為了克服縱軸風(fēng)機(jī)的內(nèi)在缺陷，將Savonious型風(fēng)機(jī)和Darrieus型風(fēng)機(jī)相結(jié)合，獲得了較低的起動(dòng)速度和較高的風(fēng)機(jī)效率。L.J.Chang等[8]也將阻力型與升力型(NACA0018、NACA4412)風(fēng)機(jī)相結(jié)合進(jìn)行研究，采用Coupled法則使仿真結(jié)果更準(zhǔn)確。

本文主要研究塞內(nèi)加爾式垂直軸風(fēng)機(jī)，與其他阻力型風(fēng)機(jī)相比，其具有起動(dòng)速度更低(只有1.2 m/s)，維修費(fèi)用低、發(fā)電質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。從已有文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)這種風(fēng)機(jī)特性的模擬和仿真值得關(guān)注和深入研究，以獲得最佳風(fēng)能利用率。本文分析了該類(lèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的特性，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真求解，探討了其運(yùn)行規(guī)律，提高了對(duì)該類(lèi)風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于二維模型的風(fēng)機(jī)基本參數(shù)分析

與水平軸風(fēng)機(jī)不同的是，垂直軸風(fēng)機(jī)以轉(zhuǎn)矩系數(shù)和風(fēng)能利用系數(shù)作為性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[9-11]，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中，Ct為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(torque coefficient)；Cp為縱軸風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)(power coefficient)，是風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)能的比值；M為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣的密度；D為風(fēng)機(jī)扇葉的直徑；A為風(fēng)掃掠面積；V為來(lái)流風(fēng)速；ω為風(fēng)機(jī)的角速度。

風(fēng)機(jī)軸功率為

PT=Mω

(3)

風(fēng)能功率為

(4)

雷諾數(shù)是影響風(fēng)機(jī)效率的一個(gè)重要因素，計(jì)算公式為[12-15]

(5)

式中，d為風(fēng)機(jī)特征長(zhǎng)度，與風(fēng)輪的尺寸有關(guān)，該結(jié)構(gòu)下計(jì)算值為2.494 m；μ為空氣的粘性系數(shù)。

首先采用CFD軟件對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了二維仿真，計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩和風(fēng)能利用率。設(shè)定如下：風(fēng)速為定值4 m/s，風(fēng)向如圖1所示，風(fēng)輪順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，尖速比TSR取0.141、0.284、0.374、0.568、0.78五個(gè)值，瞬態(tài)模擬，使用SIMPLE法則求解。

圖1 塞內(nèi)加爾式風(fēng)機(jī)的二維模型Fig.1 Two-dimensional model of Senegal type turbine

根據(jù)二維模型的運(yùn)動(dòng)情況，仿真計(jì)算了每個(gè)葉片的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，圖2為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所得的轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化曲線，此時(shí)尖速比TSR=0.374。圖2中，風(fēng)輪1為圖1中左側(cè)的風(fēng)輪，風(fēng)輪2為上部的風(fēng)輪，風(fēng)輪3為底部的風(fēng)輪。由圖可知，不同葉片在同一位置受到的力矩相同，風(fēng)輪3在130°～210°之間出現(xiàn)負(fù)扭矩，是因?yàn)轱L(fēng)速在此處減緩，導(dǎo)致壓力減小，阻力增大。通過(guò)計(jì)算可知，隨著尖速比的增大，轉(zhuǎn)矩減小，風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械功率與轉(zhuǎn)矩、角速度呈正比，所以風(fēng)機(jī)的功率先增大后減小。

圖2 每個(gè)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.2 Torque coefficient of every turbine

圖3為風(fēng)速不變，不同尖速比時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)。由圖可知，隨著尖速比的增大，風(fēng)能利用系數(shù)先增大后減小，且在尖速比為0.5左右取得風(fēng)機(jī)利用率的最大值。由此驗(yàn)證，阻力型風(fēng)機(jī)在尖速比較低時(shí)風(fēng)能利用率較高。在低尖速比區(qū)，若能進(jìn)一步增加風(fēng)能利用系數(shù)，將使此類(lèi)風(fēng)機(jī)得到更大推廣。

圖3 風(fēng)速為4 m/s時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)Fig.3 Wind power application coefficient when wind speed is 4 m/s

2 三維仿真建模與分析

2.1 結(jié)構(gòu)建模

本研究中設(shè)計(jì)制作的風(fēng)機(jī)外觀如圖4所示，風(fēng)機(jī)由風(fēng)輪、支承軸、永磁發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)軸等組成。風(fēng)輪高度為4 m，內(nèi)徑為1.7 m，外徑為1.9 m。

圖4 設(shè)計(jì)的兩層風(fēng)輪的塞內(nèi)加爾式風(fēng)機(jī)Fig.4 Designed Senegal turbine with two-layer rotor

為了真實(shí)模擬風(fēng)機(jī)的三維模型及流固耦合情況，使用FLUENT進(jìn)行仿真計(jì)算。FLUENT采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，同時(shí)使用基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法，求解精度高，收斂性較好[16-18]。為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算并提高求解精度，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將永磁電機(jī)、傳動(dòng)軸部分集成到一起。風(fēng)機(jī)模型中流場(chǎng)域分靜止域和旋轉(zhuǎn)域。靜止域模擬風(fēng)機(jī)大范圍的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，旋轉(zhuǎn)域包括風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪及部分支架。圖5為風(fēng)機(jī)的計(jì)算模型，圖6為剖分后的風(fēng)機(jī)和流場(chǎng)模型。旋轉(zhuǎn)域高度為4.2 m，半徑為1.2 m，靜止域足夠大。

圖5 風(fēng)輪三維模型Fig.5 Three-dimensional model of turbine rotor

圖6 風(fēng)機(jī)及其流場(chǎng)Fig.6 Turbine and the flow field

2.2 邊界條件及求解方法

入口邊界條件：模擬來(lái)流風(fēng)速,為了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，風(fēng)速范圍為4.9～18 m/s。出口邊界條件：出口為壓力出口，設(shè)定為0。旋轉(zhuǎn)域角速度根據(jù)尖速比(0.141～0.78)不同，設(shè)定不同的角速度。湍流模型是基于雷諾平均納維-斯托克斯方程(Reynols Averaged Navier Stokes)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。計(jì)算流場(chǎng)的方法選為SIMPLE算法，主要考慮高階求解和迎風(fēng)模式共同使用，使之在精度為1×10-4的基礎(chǔ)上達(dá)到快速收斂的效果，仿真時(shí)間設(shè)定為4s，每個(gè)時(shí)間步為0.01s，最大迭代步數(shù)設(shè)定為20步。雷諾數(shù)對(duì)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩等結(jié)果也有重要影響，為了較真實(shí)地模擬實(shí)體模型的運(yùn)行情況，根據(jù)實(shí)際環(huán)境流場(chǎng)情況，計(jì)算出符合條件的的雷諾數(shù)。

2.3 數(shù)值模型

計(jì)算過(guò)程中流體的流動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律[19-23]如下所示。

質(zhì)量方程為

(6)

動(dòng)量(N-S)方程如下。

沿x方向

(7)

沿y方向

(8)

沿z方向

(9)

能量方程為

(10)

2.4 分步聯(lián)合仿真

以ANSYS和Matlab為工具，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分步計(jì)算仿真，前者計(jì)算風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，后者進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。具體步驟為：分別在FLUENT和Simulink環(huán)境下建模，利用FLUENT得出轉(zhuǎn)矩及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入發(fā)電機(jī)模型，最終獲得發(fā)電功率。該過(guò)程考慮了轉(zhuǎn)軸的摩擦因素、永磁發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子損耗等問(wèn)題。圖7為風(fēng)機(jī)模型分步仿真的數(shù)據(jù)傳遞。

圖7 仿真原理Fig.7 Theoretical diagram of simulation

垂直軸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)方程為

(11)

式中，T為風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；T0為阻轉(zhuǎn)矩；J為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

永磁同步發(fā)電機(jī)模型中，假設(shè)永磁體轉(zhuǎn)子中心線為d軸，沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前90°為q軸，dq軸的數(shù)學(xué)模型如下。

電壓方程為

(12)

(13)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=1.5p(φsdisq-φsqisd)

(14)

式中，Rs為發(fā)電機(jī)定子繞組每相電阻；usd、usq分別為電機(jī)端電壓d、q軸分量；ψsd、ψsq分別為定子磁鏈d、q軸分量；isd、isq分別為定子電流d、q軸分量；ωe為電角速度；p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

根據(jù)各部分的原理所搭建的發(fā)電子系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。將風(fēng)機(jī)模塊中得到的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)傳遞到永磁同步發(fā)電機(jī)模塊，得到各物理量的特性曲線，通過(guò)矢量控制[24,25]使控制脈沖產(chǎn)生通斷信號(hào)，進(jìn)而控制整流橋2。而整流橋1的控制脈沖由另一電路控制，若其處于導(dǎo)通狀態(tài)，則發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓經(jīng)整流橋1 變成直流電后施加到負(fù)載，由負(fù)載端電壓電流計(jì)算得出發(fā)電功率，示波器顯示發(fā)電功率、發(fā)電電壓和電流；若其處于關(guān)斷狀態(tài)，外部輸入直流電壓經(jīng)整流橋2整流為三相交流電，從而使永磁同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。其中風(fēng)機(jī)模塊和矢量控制模塊具體搭建如圖9和圖10所示。

圖9中將來(lái)流風(fēng)速v、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速w作為輸入量，在來(lái)流風(fēng)速已知情況下，可計(jì)算出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終將風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm作為輸出量。圖10中的矢量控制采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI控制方案，主要包括電流PI控制模塊、速度PI控制模塊、SVPWM模塊。Park變換等環(huán)節(jié)已經(jīng)在永磁同步電機(jī)模型中完成，圖10中直接得到的是定子電樞的直軸分量id和交軸分量iq。 id對(duì)轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)起到增磁或去磁的作用；iq和轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁力矩，是影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的主要因素。當(dāng)id=0時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系，只要對(duì)iq進(jìn)行控制就能夠達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的?？刂七^(guò)程為：根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與輸入的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速相比較，利用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過(guò)速度PI控制器計(jì)算取得了定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq的參考量，同時(shí)給定定子電流勵(lì)磁分量id，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換將id、iq轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)iα、iβ，將其送入SVPWM中產(chǎn)生控制脈沖，通過(guò)控制脈沖來(lái)控制三相逆變器的組合開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖8 發(fā)電子系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of generator

圖9 風(fēng)機(jī)內(nèi)部模型Fig.9 Internal model of wind turbine

圖10 矢量控制模塊Fig.10 Vector control module

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

為了分析風(fēng)輪吸收風(fēng)能情況，使用FLUENT計(jì)算不同情況下的風(fēng)能利用率。圖11和圖12分別是風(fēng)速為8.9m/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)和風(fēng)能利用率。仿真時(shí)間設(shè)定為4s，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)做周期性變化，而隨著尖速比TSR增大，轉(zhuǎn)矩系數(shù)減?。伙L(fēng)能利用率與轉(zhuǎn)矩呈正比，與轉(zhuǎn)速呈反比，所以風(fēng)能利用率有一個(gè)最大值。

圖13是風(fēng)速為8.9m/s時(shí)兩層風(fēng)輪的壓力分布。顯示了風(fēng)輪的主要受力特性，風(fēng)速為x軸正向，風(fēng)輪左側(cè)處于迎風(fēng)側(cè)，受到較大壓力，如1號(hào)風(fēng)輪所示，左側(cè)受力遠(yuǎn)大于右側(cè)，而遠(yuǎn)離迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)輪受力變化不大。底層風(fēng)輪也是如此，由于4號(hào)風(fēng)輪半圓盤(pán)前方受力較大，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，扭矩減小，做負(fù)功。因此，減少此種類(lèi)型的阻力將有助于增大風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率。

圖11 風(fēng)速為8.9 m/s時(shí)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.11 Ct of 8.9 m/s wind speed

圖12 風(fēng)速為8.9 m/s時(shí)風(fēng)能利用率Fig.12 Cp of 8.9 m/s wind speed

圖13 風(fēng)速為8.9 m/s時(shí)的壓力分布Fig.13 Pressure distribution of 8.9 m/s wind speed

圖14為風(fēng)機(jī)的速度矢量?？煽闯?，風(fēng)輪中間速度較小，因此受力也較小，這與圖13受力分布相似；右側(cè)為風(fēng)輪頂部速度矢量，在1號(hào)風(fēng)輪運(yùn)行方向的前面，由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速方向與風(fēng)向小于90°，兩者相互疊加，導(dǎo)致速度變大，形成一定的阻力。同時(shí)，3號(hào)風(fēng)輪直接受風(fēng)沖擊，速度減小嚴(yán)重，獲得較大動(dòng)力?？傮w比較，當(dāng)上層風(fēng)輪處于做負(fù)功狀態(tài)時(shí)，下層風(fēng)輪與上層相差60°，由圖2可知，作用的動(dòng)力大于阻力，風(fēng)機(jī)整體做正功，這有利于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖14 風(fēng)速為8.9 m/s時(shí)速度矢量Fig.14 Speed vector of 8.9 m/s wind speed

3.2 發(fā)電功率分析

風(fēng)輪做功產(chǎn)生機(jī)械功率后傳送到發(fā)電機(jī)，使之發(fā)電供給負(fù)載，這是風(fēng)能發(fā)電的利用方式。在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)械功率不易測(cè)量，因此常通過(guò)測(cè)量發(fā)電功率等參數(shù)來(lái)比較發(fā)電質(zhì)量的好壞。風(fēng)機(jī)發(fā)出三相交流電，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)交流整流后供給負(fù)載，測(cè)量負(fù)載電壓、電流得出風(fēng)機(jī)發(fā)電功率。仿真實(shí)驗(yàn)使用Simulink建立風(fēng)力發(fā)電模型，最終獲得發(fā)電特性曲線。

圖15是風(fēng)機(jī)在風(fēng)速為2m/s、尖速比為0.57時(shí)的發(fā)電特性曲線。電阻設(shè)定為2Ω，電容為1×10-3F，發(fā)電機(jī)額定功率為5kW，仿真時(shí)間設(shè)定為1s。圖15a為電壓、電流曲線，圖15b為功率曲線。由圖可知，風(fēng)機(jī)經(jīng)整流后效果理想，電壓、電流振蕩較小，反饋給電網(wǎng)時(shí)不會(huì)造成較大沖擊。

圖15 風(fēng)機(jī)特性仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results of wind turbine′s characteristics

圖16為風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)三相定子電流模型。仿真時(shí)間為3s，在1.5s處風(fēng)速由6m/s升高為8m/s，由圖可知，開(kāi)始電流幅值在100A左右，1.5s后電流升高到150A。電流曲線比較平滑，在風(fēng)速變化時(shí)波動(dòng)較小，有利于發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖17為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，開(kāi)始轉(zhuǎn)速在28r/min，1.5s后轉(zhuǎn)速升高到37r/min，轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)。圖16、圖17說(shuō)明通過(guò)有效控制策略，風(fēng)機(jī)發(fā)電效果比較理想。

圖16 發(fā)電機(jī)定子側(cè)三相電流Fig.16 Three phase current of generator stator

圖17 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.17 Speed of generator

為了進(jìn)一步模擬實(shí)際風(fēng)速情況下的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)自然風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真，計(jì)算時(shí)間為5s，圖18為風(fēng)速變化曲線。

圖18 風(fēng)速變化曲線Fig.18 Curve of wind speed changing

圖19和圖20分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線和三相電流曲線。由圖可知，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速亦隨之變化，三相電流也有相應(yīng)的改變，反映了較真實(shí)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線。

圖19 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.19 Rotation speed of generator

圖20 發(fā)電機(jī)三相電流Fig.20 Three-phase current of generator

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖21為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)得出風(fēng)機(jī)的發(fā)電電流及功率等值。

圖21 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)Fig.21 Wind turbine control system platform

圖22為風(fēng)速在0～18m/s時(shí)的實(shí)際測(cè)量功率與仿真計(jì)算功率的比較?？煽闯鰞烧咔€相近，在6m/s左右仿真計(jì)算功率超過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，這與風(fēng)機(jī)建模尺寸差異有關(guān)；風(fēng)速超過(guò)10m/s后，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)低于仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是因?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)的尖速比不夠大，沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖22 發(fā)電功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較Fig.22 Comparison of generated power results about experiment and simulation

圖23為風(fēng)速在2～11m/s時(shí)的實(shí)際輸出電流與仿真輸出電流的對(duì)比?？梢钥闯?，風(fēng)速在2～9m/s之間，兩者基本重合，風(fēng)速超過(guò)9m/s后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于仿真數(shù)據(jù)，這是由于外界環(huán)境復(fù)雜，沒(méi)有在最佳尖速比狀態(tài)下工作。

圖23 電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較Fig.23 Comparison of current results about experiment and simulation

4 結(jié)論

通過(guò)建立二維和三維模型對(duì)垂直軸阻力型風(fēng)機(jī)的性能做了深入的探討，分析結(jié)果符合實(shí)際情況。兩層風(fēng)輪結(jié)構(gòu)下，轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)，有利于風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)120°輸出轉(zhuǎn)矩循環(huán)一次，有效地消除了負(fù)扭矩，極大提高了風(fēng)機(jī)的效率，保證了風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著時(shí)間的增加，風(fēng)能利用率先增大后減小，尖速比在0.5～0.6之間取得風(fēng)能利用率的最大值。同時(shí)，使用最大功率跟蹤控制方法，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了風(fēng)機(jī)的發(fā)電特性?；诜抡嬗?jì)算得到風(fēng)機(jī)輸出功率數(shù)值，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所采用方案的可行性和有效性。

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(編輯 于玲玲)

Numerical Simulation and Analysis of Characteristics of Drag Type Vertical Axis Wind Turbine for Distributed Energy Systems

LiZheng1GaoPeifeng1SunTiantian1XueZengtao1WangQunjing2

(1.School of Electrical Engineering Hebei University of Science and Technology Shijiazhuang 050018 China 2. National Engineering Laboratory of Energy-Saving Motor & Control Technique Anhui University Hefei 230601 China)

The properties of the drag type vertical axis wind turbine (VAWT) for small distributed energy systems have been investigated. Based on the original turbine structure, the turbine rotor is increased to two layers. The characteristics are calculated by Computational Fluid Dynamics (CFD) software, according to the aerodynamic principles, the fluid-solid coupling effects of turbine and air flow are simulated, the distribution of wind velocity in the flow field and the integrated force of the turbine at different rotation angles are analyzed, according to the torque characteristics, the mathematical model of the wind turbine is established in Matlab, then the mathematical model of the wind turbine power generation system is established by using the method of maximum power tracking control, and the voltage, current and other power generation curves of the generator can be calculated; Finally, compared with the measured data, the correctness of numerical simulation and analysis is verified. The results provide the guide and reference for further turbine structure optimization and efficiency improvement of same kind of wind turbines.

Distributed energy system, vertical axis wind turbine (VAWT), wind turbine, computational fluid dynamics (CFD), numerical simulation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577048，51637001)、河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2014208134)、高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(KFKT201601)和河北省留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)項(xiàng)目(C2015003044)資助。

2016-03-30 改稿日期2016-06-29

TK83

李 爭(zhēng) 男，1980年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦碗娏鲃?dòng)裝置、特種電機(jī)及其控制。

E-mail：Lzhfgd@163.com(通信作者)

高培峰 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)。

E-mail：peifeng_gao@foxmail.com