李迺璐， 楊 華， 朱衛(wèi)軍， 蔣 偉， 張繼勇

(揚州大學 水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225127)

基于LabVIEWDSC/Matlab的風力機風輪特性實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

李迺璐， 楊 華， 朱衛(wèi)軍， 蔣 偉， 張繼勇

(揚州大學 水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225127)

為將風力機風輪理論應用于風電課程的實驗教學，設(shè)計了基于LabVIEW DSC 模塊與Matlab/Simulink的風力機風輪特性虛擬仿真實驗平臺。該平臺包括風輪模型仿真、數(shù)據(jù)采集和存儲、風輪原理分析、風速/風輪特性實驗和歷史實驗數(shù)據(jù)查詢。該虛擬實驗平臺可自主選擇多種風況和多種負載工況來模擬實際風輪運行特性，在提高學生的主觀能動性、實驗平臺的經(jīng)濟性、實驗時間與空間的開放性上有明顯優(yōu)勢。

風力機風輪； 實驗平臺； LabVIEW； Matlab

在新能源科學與工程專業(yè)與風電課程相關(guān)的實驗教學中，實驗硬件平臺及設(shè)備不但價格高，而且配套的實驗程序一般由廠家編寫與封裝，風電實驗教學以學生觀察為主，學生能夠參與實踐與設(shè)計的環(huán)節(jié)很少。與傳統(tǒng)風電機組實驗室相比，基于虛擬仿真技術(shù)的風力機實驗平臺能夠大幅度節(jié)省購買、維護風電實驗設(shè)備的資金，更好地幫助學生理解復雜的風力機原理。實驗平臺完全開放式的源程序，也有利于提高學生關(guān)于風力機系統(tǒng)的設(shè)計能力與實踐能力。

美國NI公司的LabVIEW DSC功能模塊與MathWorks公司的Matlab/Simulink，在系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)通信、虛擬儀器以及數(shù)據(jù)存儲方面有明顯的優(yōu)勢[1-4]。基于LabVIEW/Matlab的虛擬仿真技術(shù)可以開發(fā)出精確、美觀的虛擬仿真實驗平臺[5-7]；通過這樣的平臺，不僅能夠精確模擬復雜的風電系統(tǒng)及風力發(fā)電過程，同時能夠?qū)崿F(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信，實時顯示采集的仿真數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及歷史實驗數(shù)據(jù)查詢功能[8-10]。

風輪原理及特性是高校新能源、電氣等專業(yè)風電課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，涉及空氣動力學與發(fā)電機負載相關(guān)理論，內(nèi)容較為復雜，教學難度較大。筆者設(shè)計了基于LabVIEW DSC和Matlab的風力機風輪特性實驗平臺，用以模擬風力機風輪的工作原理及特性，將抽象的理論公式、復雜工作環(huán)境下的風輪特性用動態(tài)畫面展示出來，以直觀、通俗易懂的方式幫助學生理解風力機捕獲風能的物理過程。學生可以自主選擇不同風況、不同負載進行風輪特性實驗，并隨時查看歷史實驗數(shù)據(jù)。

1 風力機風輪特性分析

風輪是風力機捕獲風能的主要部件，風輪的特性分析主要是空載下的風輪輸出轉(zhuǎn)矩特性分析(只受風速變化影響)和負載下的風輪輸出轉(zhuǎn)矩特性分析(受風速和發(fā)電機負載的綜合影響)[11]。

1.1 風況

最常見的風可分為基本風、漸變風、陣風和隨機風，自然界多為這4種風及其組合形成的組合風。這4種風的運動狀態(tài)可由數(shù)學式表達[12]。

(2) 漸變風的表達式為

式中，Vc是漸變風的風速，Vc max是漸變風最大值，T1是漸變風開始變化時間，T2是結(jié)束時間，T是保持時間。

(3) 陣風的表達式為

式中，Vg是陣風的風速，T1是陣風的啟動時間，Tg是時間周期，陣風的最大值是Vg max。

(4) 隨機風的表達式為

Vn=Vnmax·Ram(-1,1)·cos(wVt+φV)

式中，隨機風的風速是Vn, 最大值是Vn max，Ram(-1,1)是-1和1中均勻分布的隨機數(shù)；風速波動的平均距離是ωV，隨機量是φV。

利用這4種風，可模擬多種不同特性的組合風，研究多種風況下的風輪特性。

1.2 空載下的風輪輸出轉(zhuǎn)矩特性

僅考慮來自風的影響，有2種風輪特性描述方法。

一種是基于空氣動力學的理想風輪特性描述方法[13]，即：

式中，葉尖速比λ，風輪功率系數(shù)Cp，槳距角β，風速V，風輪半徑R，風輪角速度ω，風輪輸出功率P，風輪輸出轉(zhuǎn)矩Tw。

另一種是基于實際公式法的風輪特性描述方法[14]，即：

1.3 負載下的風輪輸出轉(zhuǎn)矩特性

風輪通過齒輪箱帶動發(fā)電機后，來自發(fā)電機的負載轉(zhuǎn)矩會對風輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，即：

式中，風輪的輸出轉(zhuǎn)矩是Tw，負載轉(zhuǎn)矩是TL，齒輪箱的增速比是Kgear，風輪的等效轉(zhuǎn)動慣量是J。本文通過虛擬仿真對風速特性、空載/負載下的風輪輸出轉(zhuǎn)矩特性展開研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計工具包括圖形化編程軟件LabVIEW和LabVIEW DSC模塊、Matlab/Simulink仿真軟件以及實現(xiàn)聯(lián)合仿真的Simulation Interface Toolkit(SIT)附加工具包。LabVIEW作為測控平臺，實時向Matlab仿真平臺下達控制命令；Matla仿真平臺根據(jù)控制命令控制風輪仿真系統(tǒng)的啟動、停止和暫停等，并將仿真數(shù)據(jù)輸出；LabVIEW測控平臺實時采集仿真數(shù)據(jù)，并完成風速和風輪特性數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 建立Matlab風力機風輪仿真模型

根據(jù)風力機風輪特性原理，在Matlab/Simulink中搭建了不同風速、不同負載工況下的風力機風輪模型(見圖2(a))，其中包括：

(1) 4種單一風況及相應的組合風況：單一風況包括基本風、陣風、漸變風、隨機風，組合風況包括基本風+漸變的組合風、基本風+陣風+漸變風+隨機風的組合風等； (2) 3種負載情況：空載、正常負載和過大負載；

(3) 2種風輪氣動特性建模方法：理論空氣動力學法和實際公式法。

所建風輪模型可以模擬多種工況下的風輪特性，極大地豐富了風力機實驗內(nèi)容，滿足了實驗的需要。

Matlab風輪模型的啟動和停止由LabVIEW的前面板進行控制。當Matlab風輪模型接收到來自LabVIEW測控平臺的指令后開始仿真運行，同時產(chǎn)生大量風輪特性數(shù)據(jù)。風輪特性數(shù)據(jù)通過多個SIT Out端口和SignalProbe模塊向LabVIEW傳輸數(shù)據(jù)，如圖2(b)所示。

圖2 Matlab/Simulink風力機風輪模型

3.2 LabVIEW測控平臺設(shè)計

3.2.1 程序框圖設(shè)計

采用Simulation Interface Toolkit(SIT)的附加軟件工具包來構(gòu)建LabVIEW和Matlab的聯(lián)合虛擬仿真平臺。由于風輪特性數(shù)據(jù)為多種特性參數(shù)的大量、高速數(shù)據(jù)流，采用LabVIEW DSC模塊對采集的數(shù)據(jù)進行存儲，可以實現(xiàn)多個監(jiān)控界面之間的實時通信，實現(xiàn)歷史實驗數(shù)據(jù)的分析和查詢等。

程序設(shè)計(見圖3)主要包括：

(1) 登錄程序設(shè)計：保證用戶名和密碼輸入正確時才能夠進入實驗系統(tǒng)；

(2) 通信程序設(shè)計：利用SIT工具包完成通信程序設(shè)計，實時控制Matlab風輪模型，實時采集Matlab風輪特性數(shù)據(jù)；

(3) 存儲程序設(shè)計：利用LabVIEW共享變量技術(shù)，設(shè)計采集數(shù)據(jù)的共享變量并實時存儲至Citadel數(shù)據(jù)庫；

(4) 子界面通信設(shè)計：在多個LabVIEW監(jiān)控界面，利用共享變量實時傳輸采集的風速及風輪特性數(shù)據(jù)，用于顯示和分析；

(5) 歷史查詢程序設(shè)計：選取所需時段和查詢參數(shù)，實現(xiàn)對特定歷史實驗數(shù)據(jù)的查詢和分析。

圖3 LabVIEW風輪測控平臺程序框圖

3.2.2 前面板設(shè)計

前面板設(shè)計包括實驗平臺系統(tǒng)登錄界面設(shè)計、風輪測控主界面設(shè)計、風速界面設(shè)計、風輪原理界面設(shè)計、風輪運行界面設(shè)計和歷史查詢界面設(shè)計。在風輪測控主界面上，使用風力機風輪結(jié)構(gòu)圖顯示風力機、風輪特性及對應參數(shù)，并設(shè)計子界面按鈕來調(diào)用其他監(jiān)控界面。在風速界面，可以通過下拉選單選擇風速組合類型，方便學生學習風輪及風速特性；在風輪運行界面設(shè)計了風輪利用系數(shù)原理內(nèi)容，可以顯示用理論公式和實際公式計算的結(jié)果；在風輪運行界面可選擇顯示風輪在不同風速和不同負載下的特性響應，并用不同顏色以示區(qū)分；在歷史查詢界面可選擇某個時段下的某個參數(shù)，通過表格和圖顯示歷史數(shù)據(jù)。

4 風輪特性實驗

(1) 登錄實驗平臺。如果輸入的用戶名和密碼正確，即可進入實驗平臺系統(tǒng)主界面。如果輸入錯誤，系統(tǒng)會彈出“用戶名或密碼錯誤”的提示。若非開發(fā)人員欲查看程序框圖或編輯系統(tǒng)，前面板會提示輸入密碼，以保證系統(tǒng)的安全性。

(2) 風輪測控實驗。通過使用“狀態(tài)控制”區(qū)域的運行按鈕，可以直接控制Matlab風輪模型的啟/停。當在主界面上按下啟動按鈕，可實時顯示風速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率、葉尖速比和功率系數(shù)等多種特性參數(shù)，如圖4所示。這些參數(shù)會根據(jù)風輪模型的運行實時更新，直至按下暫?；蚴峭Ｖ拱粹o。

圖4 LabVIEW風力機風輪測試主界面

(3) 風速實驗。在基本風區(qū)域，風速始終保持不變，符合公式中基本風的變化規(guī)律。在隨機風區(qū)域，可見風速在[-1 m/s,1 m/s]之間隨機改變，符合隨機風的定義。在組合風區(qū)域，如選擇4種單一風況的組合風：參數(shù)為基本風8 m/s，隨機風在[-1 m/s,1 m/s]之間變化；陣風最大值2 m/s，開始時間為1 s，時間周期為20 s；漸變風最大值2 m/s，開始時間0 s，保持時間6 s，結(jié)束時間4 s。可見組合風的變化趨勢符合參數(shù)的設(shè)置情況，表明實際中風速的變化是一個較為復雜的隨機過程。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 風速實驗界面

(4) 風輪原理實驗。根據(jù)理想的氣動理論方法和實際公式法，分別計算得出葉尖速變化范圍內(nèi)的風輪功率因子(即風能利用系數(shù)CP)，如圖6所示?？梢?，隨著風輪葉尖速比的變化，CP實現(xiàn)了從零增加到最佳功率因子之后又下降的過程，兩種方法的計算結(jié)果都符合實際CP變化規(guī)律。由于理論計算方法未考慮渦流、氣動阻力和噪聲等影響，計算結(jié)果比實際公式法計算值偏大。分析表明：實際風輪利用風能的效率一般低于40%。

(5) 風輪特性實驗。分別在空載狀態(tài)選擇4種單一風況的組合風，在正常負載下選擇陣風，在過大負載下選擇基本風展開風輪特性實驗。實驗結(jié)果如圖7所示，其中有風輪轉(zhuǎn)速n、旋轉(zhuǎn)角速度ω、風輪輸出轉(zhuǎn)矩T和風輪輸出功率P曲線?？梢杂^察到：①在組合風空載工況下，風輪的最大功率輸出是1 714 N·m，轉(zhuǎn)速與角速度分別增至340 r/s和34 rad/s后保持穩(wěn)定；②在陣風和正常負載下，在8 s時增加負載轉(zhuǎn)矩從零到10 N·m，可見輸出轉(zhuǎn)矩T與輸出功率P隨之增大，而轉(zhuǎn)速n與角速度ω隨之遞減；③風輪在基本風且

圖6 風輪原理實驗界面

過大負載下，在1.2 s增加負載，轉(zhuǎn)矩從零增至79.4N·m，可見輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率隨之增大，而轉(zhuǎn)速與角速度隨之遞減，可是在10 s時，轉(zhuǎn)速、角速度、輸出轉(zhuǎn)矩均逐漸下降為零，表明超出風輪承受的最大負載以至于風輪停止。

圖7 風輪特性實驗界面

(6) 歷史實驗數(shù)據(jù)查詢。選擇需要查詢的時間區(qū)域，并在共享變量下選擇待查詢的參數(shù)。在輸出的表格中可以觀察到所選時間段內(nèi)的所有歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線和生成數(shù)據(jù)的時間。通過滑動游標可以方便地觀察到歷史曲線上對應的數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)對應的時間。

5 結(jié)語

利用基于LabVIEW DSC模塊和仿真工具Matlab的風力機風輪實驗平臺可自主選擇風輪的工況進行實驗，直觀、動態(tài)地學習和觀察風力機結(jié)構(gòu)、風輪原理和風輪負載特性曲線，并可隨時查看歷史實驗數(shù)據(jù)，大大提高了學生對于復雜風輪捕獲風能的物理過程的理解，節(jié)省了購置風電實驗設(shè)備的資金，為學生創(chuàng)造了不受時間和空間限制的實驗環(huán)境。

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Design and realization of experimental platform of wind turbine wheel performance based on LabVIEW DSC/Matlab

Li Nailu, Yang Hua, Zhu Weijun, Jiang Wei, Zhang Jiyong

(School of Hydraulic and Energy Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In order to apply the theory of the wind turbine wheel to the experimental teaching of the wind and power courses, an experimental platform with wind turbine wheel characteristics is designed on the basis of the LabVIEW DSC module and the Matlab/Simulink. This platform includes the wind wheel model simulation, the data acquisition and storage, the wind wheel principle analysis, the wind speed and wind wheel characteristic experiment and the historical experimental data inquiry. This virtual experimental platform can select a variety of wind conditions and a variety of load conditions to simulate the operational performance of the actual wind wheel, which has obvious advantages in the promotion of students’ subjective initiative, the economy of the experimental platform, and the openness of the experimental time and space.

wind turbine wheel; experimental platform; LabVIEW; Matlab

TK83；G642

A

1002-4956(2017)10-0102-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.026

2017-04-01

國家自然科學基金項目(11672261)；教育部留學回國人員科研啟動基金項目(教外司留[2015]1098號)；揚州大學教學改革項目(YZUJX2016-16B，YZUJX2015-28B)；揚州市-揚州大學科技合作資金計劃項目(YZ2016262)，揚州大學科技創(chuàng)新培育基金項目(2016CXJ044)

李迺璐(1985—)，女，江蘇揚州，博士，校內(nèi)副教授，碩士生導師，主要研究方向為風力機葉片動力學與控制.

E-mail：nellylee85101@163.com