王 瓊，周國平

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇 南京 210013)

風力機模擬實驗平臺的研究

王 瓊，周國平

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇 南京 210013)

風力發(fā)電設(shè)備體積巨大，對環(huán)境要求苛刻，再加上自然風具有隨機性、不可重復(fù)性，使得對風力機特性的研究尤為困難。針對這些情況，建立風力機模擬實驗平臺就顯得尤為必要。結(jié)合理論，提出風力機模擬的設(shè)計方案，運用MATLAB軟件對設(shè)計方案進行仿真，論證了該設(shè)計的可行性。搭建了風力機模擬實驗平臺，該實驗平臺由PC機界面和微控制器系統(tǒng)組成，PC機界面采用組合風速模型對自然風速進行模擬，微控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了不同風速下轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。通過實驗得出風力機氣動轉(zhuǎn)矩的實驗值與理論值相對誤差小于0.02，驗證了該實驗平臺對風力機特性的模擬符合理論變化趨勢。

風速模型；風力機；MATLAB；模擬實驗平臺

將綠色風能轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)生活所需的電能，可有效解決能源危機和環(huán)境污染這兩大難題[1]。因此，近年來風力發(fā)電一直是人們研究的熱點。研究風力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，最理想的方法是在實際風場中，運用實際風力發(fā)電機組進行相關(guān)試驗[2]。然而風速在真實自然環(huán)境下，是隨機的、突發(fā)的、瞬時的，不可重復(fù)也難以控制；其次，風力發(fā)電設(shè)備體積龐大，需要足夠大的空間；再加上風力發(fā)電對環(huán)境要求較為苛刻。這些給研究人員對真實的風力發(fā)電系統(tǒng)的測試和實驗帶來了諸多困擾。風力機模擬實驗平臺克服了以上缺點，實現(xiàn)了模擬真實風力機的特性，為風力發(fā)電的實驗教學，風力發(fā)電的人才培養(yǎng)提供了有利條件。

1 風力機特性

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

.

(1)

風能利用系數(shù)Cp，是輸出功率Po與輸入功率Pi之比[3]。

風力發(fā)電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)[3-4]：

CT=CP/λ

(2)

風輪的輸出轉(zhuǎn)矩To的表達式為[5-6]：

.

(3)

由此可以看出，風速和風力機轉(zhuǎn)矩是風力機的重要性能指標，也是實現(xiàn)風力機特性準確模擬的必要控制量。

2 風力機模擬

2.1 風力機模擬系統(tǒng)簡述

風力機模擬系統(tǒng)分為兩大部分： PC機界面、微控制器系統(tǒng)。

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

微控制器根據(jù)上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生命令控制變頻裝置，對原動機進行驅(qū)動。微控制器通過速度傳感器獲得原動機的轉(zhuǎn)動速度，該速度與給定速度經(jīng)過PI運算作為變頻裝置的新的控制量，從而形成速度閉環(huán)；原動機與直流發(fā)電機同軸相連，微控制器與電壓傳感器、電流傳感器、驅(qū)動電路、IGBT板、負載構(gòu)成轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，實現(xiàn)負載功率匹配。整個微控制器系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，完成了風力機特性的模擬。風力機模擬系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 PC機界面某種風速風型圖

圖2 風力機模擬系統(tǒng)示意圖

2.2 風力機模擬的主要步驟

模擬系統(tǒng)中，風力機特性的模擬步驟如下：

1) 在PC機界面中，首先選擇風型種類，改變風型的系數(shù)和持續(xù)時間，在圖形窗口中繪出風速圖像；同時計算出實時風速與風力機的轉(zhuǎn)矩；

2) 微控制器根據(jù)所接到的風速和風力機轉(zhuǎn)矩，計算出此時的葉尖速比；

3) 風力機在額定風速以下運行，根據(jù)公式能夠計算出風能利用系數(shù)CP、風力發(fā)電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT、風輪的輸出轉(zhuǎn)矩To；

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

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

3 風力機模擬系統(tǒng)的MATLAB仿真

為了驗證風力機模擬系統(tǒng)的合理性和正確性，采用功能強大的MATLAB軟件對其進行仿真。該仿真系統(tǒng)由風機模型子系統(tǒng)、異步電機子系統(tǒng)、直流發(fā)電機子系統(tǒng)、PWM驅(qū)動子系統(tǒng)、IGBT子系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，直流發(fā)電機的額定功率為400 W，額定電流為2 A，額定轉(zhuǎn)速為1 450 rpm；異步電動機的額定功率為500 W，額定轉(zhuǎn)速為1 450 rpm，額定電流為2.3 A；風力機的額定功率為500 W，風機半徑設(shè)定為0.8 m，齒輪箱變比設(shè)為1∶1.8。

在多個風速下，比較了風力機仿真特性曲線與理論特性曲線，相對誤差小于0.01，仿真系統(tǒng)的風力機特性曲線符合理論特性變化趨勢，由此可見該風力機模擬設(shè)計方案的合理性和正確性。

4 風力機模擬實驗平臺的搭建及結(jié)果分析

PC機、微控制器、工業(yè)變頻器、交流電動機、速度傳感器、直流發(fā)電機、IGBT、負載、電流/電壓傳感器檢測電路等共同構(gòu)成了風力機模擬實驗平臺。實物圖如圖3所示。

圖3 風力機模擬實驗平臺實物圖

6 m/s風速下的風力機模擬的理論數(shù)據(jù)點和實驗穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點如表1所示。

選取多個風速下風力機模擬實驗平臺的實驗穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點與理論數(shù)據(jù)點進行分析比較，得出風力機氣動轉(zhuǎn)矩的實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的相對誤差小于0.02。實驗得出的數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)出的變化符合理論曲線的變化趨勢，說明了風力機實驗?zāi)M平臺的有效性。

表1 6 m/s風速下穩(wěn)態(tài)特性點

5 結(jié)束語

本文針對真實風場中風力發(fā)電研究的不便，設(shè)計了上位機界面與微控制器系統(tǒng)相結(jié)合的風力機特性模擬實驗平臺。上位機界面的風速模擬為風力機特性的研究提供可控制，可多次重復(fù)的風速。在風速模擬的基礎(chǔ)上，以微控制器及其外圍電路、交-直流電機系統(tǒng)、負載為核心的微控制器系統(tǒng)將軟件與硬件相結(jié)合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，達到了模擬風力機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的效果，為風力機特性的研究提供一種方案。

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

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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，主要研究方向為計算機測控技術(shù)及儀器。

1674- 4578(2017)06- 0091- 03

TM614;TM315

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