基于Matlab/Simulink的風力機特性仿真

作者 / 張天一1 楊巍2 郝玉然3

　　1.鄭州工商學院(河南 鄭州 450000) 2.66389部隊(陜西 西安 710000)

　　3.華北水利水電大學(河南 鄭州 450000)

　　張天一，女，1989.11，碩士研究生，講師，控制理論與控制工程;楊巍，女，1987.8，碩士研究生，助理工程師，通信與信息系統;郝玉然，男，1992.1，碩士研究生，學生，工業控制。

摘要：本文選擇參考文獻2中的風能的功率系數Cp進行分析，采用遺傳算法進行最大功率系數Cpmax求解，并通過對參考文獻1中的風能的功率系數Cp求解驗證其算法求解的合理性。采用matlab/Simulink進行風力機的仿真建模，模擬外界真實情況下，通過已知的λ和Cpmax，求得風機的轉速與風速之間的比例系數，在最佳比例系數下，實現風力機的最大功率捕捉，得到風力機的靜態仿真波形。

0 引言

　　隨著化石能源的不斷消耗和化石能源所帶來的環境問題，人們轉向了清潔能源的開發，風能具有資源范圍廣，清潔無污染，建設周期短等特點，成為主要開發對象。近20年來世界風力發電技術有了飛速的發展，據統計，截止到2013年12月世界裝機容量總計318137MW，全球新增裝機容量35467MW，風力發電成為當今電力系統的重要研究領域之一。

　　變速恒頻風力發電是20世紀發展的一種新風力發電技術，優點是發電機以變速運行、噪聲低和損耗小。通過發電機轉速控制，保證風力機在最佳葉尖速度比 下運行，從而實現最大風能跟蹤。因為變速系統成本在大型風力發電機組中占得比例小，所以今后大力發展變速恒頻技術是風力發展的必然趨勢。本文通過遺傳算法計算最佳葉尖速度比 和最大風能的功率系數Cp，并在 matlab/Simulink中對變速風力發電機的風力機進行靜態仿真，為建立合理的變速風力發電系統作準備。

1 變速風力機原理及特性

　　1.1 風力機結構

　　風力機是風電發電系統中的重要組成部件。風力機由槳葉和輪軸組成，槳葉在氣流作用下帶動風輪使旋轉，風力機把捕獲的風能轉化為機械能，然后永磁發電機將機械能轉化為電能。由貝茲理論可知，風力機的最大風能利用率為0.593。本文針對定槳距、變轉速發電機的變速風力機進行仿真，結構如圖1所示。

　　1.2 變速風力機基本特性

　　通過對比參考文獻1和2中的風力機吸收利用風能的功率系數C_p，本文選擇參考文獻2中的C_p。

(1)

　　式中λ為風力機的葉尖速比，β為風力機的槳距角。

　　發電機的角速度ω_m，風力機捕獲的有效功率P_m，風力機機械轉矩T_L的表示如下式(2)所示：

(2)

　　式(2)中R_w為風力機葉片半徑，n為風力機轉速， ω_r為風力機的角速度，N齒輪箱增速比，是空氣密度。

2 風力機性能simulink模型

　　2.1 最大功率系數Cp max的計算

　　從式(1)可得到，當風力機槳矩角β恒定時，當風速不同時，只需控制風力機葉尖速比λ在合適的范圍，這樣就能得到風力機最大功率系數 ，從而變速風力機能捕獲到最大功率。由于(1)中的式子比較復雜，才用直接計算法很難求得C_p的最大值，本文在matlab中使用遺傳算法可以很輕松求得C_pmax和λ。為了驗證使用遺傳算法計算的結果是否可靠，對參考文獻1中C_p進行了最大值求解，求解結果如圖2所示，和文中所提到的C_pmax和λ一致。圖3是對本文中C_pmax和λ的計算結果，得到當λ=6.325時，C_pmax=0.44

　　2.2 C_pmax和風機性能的matlab模型

　　根據式1在simulink中搭建模型，把λ作為輸入量，C_p作為輸出量，建立的C_p(λ,β)模型如圖4所示。

　　對C_pmax matlab模型進行封裝得到風機性能matlab模型如下圖5所示。

　　2.3 風力機matlab模型

　　由式1和式2在simulink中對風力機進行建模，風速v和風力機的角速度ω_r作為輸入量，風力機的葉尖速比 λ、功率系數C_p、風力機捕獲的有效功率P_m和風力機機械轉矩T_L作為輸出。在模型建立起來后，對風力機的性能進行仿真。

　　2.4 風力機性能模擬仿真matlab圖

　　將風力機matlab模型進行封裝，再把與風力機各參數輸入封裝的風力機模塊中，變速風力發電機組的仿真整體matlab模型如圖6所示。

3 仿真結果分析

　　對圖5模型進行仿真，得到仿真結果如圖7所示。對圖6的變速風力發電機進行matlab/Simulink仿真，空氣密度為12.5kg.m^-3，風力機的槳距角β為0，風力機半徑36m，變速風速為0~14.5m.s^-1，仿真圖如圖9所示。

　　已知當葉尖速比λ=6.325時，C_pmax=0.44，和式2中λ、ω_r和v之間關系，得到最好的比例系數K，由此仿真得到最佳的輸出轉矩和功率，如圖10和11所示。

4 結論

　　本文通過選用文獻2中的C_p(λ,β)，采用遺傳算法計算得到λ=6.325時，C_pmax=0.44，并在matlab/Simulink中對風力發電系統中的變速風力機進行建模仿真分析。模擬外界真實情況下，通過已知的λ和C_pmax，求得風機的轉速與風速之間的比例系數，在最佳比例系數下，實現風力機的最大功率捕捉，得到風力機的靜態仿真波形。

　　參考文獻：

　　[1]高平, 王輝, 佘岳,等. 基于Matlab/Simulink的風力機性能仿真研究[J]. 能源研究與信息, 2006, 22(2):79-84.

　　[2] 任永峰. 雙饋式風力發電機組柔性并網運行與控制[M]. 機械工業出版社, 2011.

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第10期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。