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    基于Matlab/Simulink的风力机特性仿真

    作者:张天一 杨巍 郝玉然时间:2018-09-27来源:电子产品世界 收藏
    编者按:本文选择参考文献2中的风能的功率系数Cp进行分析,采用遗传算法进行最大功率系数Cpmax求解,并通过对参考文献1中的风能的功率系数Cp求解验证其算法求解的合理性。采用matlab/Simulink进行风力机的仿真建模,模拟外界真实情况下,通过已知的λ和Cpmax,求得风机的转速与风速之间的比例系数,在最佳比例系数下,实现风力机的最大功率捕捉,得到风力机的静态仿真波?#24013;?/div>

    作者 / 张天一1 杨巍2 郝玉然3

    本文引用地址:http://www.09140960.com/article/201809/392398.htm

      1.郑州工商学院(河南 郑州 450000) 2.66389部队(陕西 西安 710000)

      3.华北水利水电大学(河南 郑州 450000)

      张天一,女,1989.11,硕士研究生,讲师,控制理论与控制工程;杨巍,女,1987.8,硕士研究生,助理工程师,通信与信息系统;郝玉然,男,1992.1,硕士研究生,学生,工业控制。

    摘要:本文选择参考文献2中的风能的功率系数Cp进行分析,采用遗传算法进行最大功率系数Cpmax求解,并通过对参考文献1中的风能的功率系数Cp求解验证其算法求解的合理性。采用matlab/Simulink进行机的建模,模拟外界真实情况下,通过已知的λ和Cpmax,求得风机的转速与风速之间的比例系数,在最佳比例系数下,实现机的最大功率捕捉,得到机的静态波?#24013;?/p>

    0 引言

      随着化石能源的不断消耗和化石能源所带来的环境问题,人们转向了清洁能源的开发,风能具有资源范围广,清洁无污染,建设周期短等特点,成为主要开发对象。近20年来世界风力发电技术有了飞速的发展,据统计,截止到2013年12?#29575;?#30028;装机容量总计318137MW,全球新增装机容量35467MW,风力发电成为当今电力系统的重要研究领域之一。

      变速恒频风力发电是20世纪发展的一?#20013;?#39118;力发电技术,优点是发电机以变速运行、噪声低和损?#30007; ?#36890;过发电机转速控制,保证风力机在最佳叶尖速度比 下运行,从而实现最大风能跟踪。因为变速系统成本在大型风力发电机组中占得比例小,所以今后大力发展变速恒频技术是风力发展的必然趋势。本文通过遗传算法计算最佳叶尖速度比 和最大风能的功率系数Cp,并在 matlab/Simulink中对变速风力发电机的风力机进行静态,为建立合理的变速风力发电系统作准备。

    1 变速风力机原理及特性

      1.1 风力机结构

      风力机是风电发电系统中的重要组成?#32771;?#39118;力机由桨叶和?#31181;?#32452;成,桨?#23545;?#27668;流作用下带动风轮使旋转,风力机把捕获的风能转化为机?#30340;埽?#28982;后?#26469;?#21457;电机将机?#30340;?#36716;化为电能。由贝兹理论可知,风力机的最大风能利用率为0.593。本文针对定桨距、变转速发电机的变速风力机进行仿真,结构如图1所示。

      1.2 变速风力机基本特性

      通过对比参考文献1和2中的风力机吸收利用风能的功率系数Cp,本文选择参考文献2中的Cp

    (1)

      式中λ为风力机的叶尖速比,β为风力机的桨距角。

      发电机的角速度ωm,风力机捕获的?#34892;?#21151;率Pm,风力机机械转矩TL的表示如?#29575;?2)所示:

    (2)

      式(2)中Rw为风力机叶片半径,n为风力机转速, ωr为风力机的角速度,N齿轮箱增速比,?#24378;?#27668;密度。

    2 风力机性能simulink模型

      2.1 最大功率系数Cp max的计算

      从式(1)可得到,当风力机桨矩角β恒定?#20445;?#24403;风速不同?#20445;?#21482;需控制风力机叶尖速比λ在合适的范围,这样就能得到风力机最大功率系数 ,从而变速风力机能捕获到最大功率。由于(1)中的式子比较复杂,才用直接计算法很难求得Cp的最大值,本文在matlab中使用遗传算法可?#38498;?#36731;松求得Cpmaxλ。为了验证使用遗传算法计算的结果是否可靠,对参考文献1中Cp进行了最大值求解,求解结果如图2所示,和文中所提到的Cpmaxλ一致。图3是对本文中Cpmaxλ的计算结果,得到当λ=6.325?#20445;?em>Cpmax=0.44

      2.2 Cpmax和风机性能的matlab模型

      根据式1在simulink中搭建模型,把λ作为输入量,Cp作为输出量,建立的Cp(λ,β)模型如图4所示。

      对Cpmax matlab模型进行封装得到风机性能matlab模型如下图5所示。

      2.3 风力机matlab模型

      由式1和式2在simulink中对风力机进行建模,风速v和风力机的角速度ωr作为输入量,风力机的叶尖速比 λ、功率系数Cp、风力机捕获的?#34892;?#21151;率Pm和风力机机械转矩TL作为输出。在模型建立起来后,对风力机的性能进行仿真。

      2.4 风力机性能模拟仿真matlab图

      将风力机matlab模型进行封装,再把与风力机各参数输入封装的风力机模块中,变速风力发电机组的仿真整体matlab模型如图6所示。

    3 仿真结果分析

      对图5模型进行仿真,得到仿真结果如图7所示。对图6的变速风力发电机进行matlab/Simulink仿真,空气密度为12.5kg.m-3,风力机的桨距角β为0,风力机半径36m,变速风速为0~14.5m.s-1,仿真图如图9所示。

      已知当叶尖速比λ=6.325?#20445;?em>Cpmax=0.44,和式2中λωr和v之间关系,得到最好的比例系数K,由此仿真得到最佳的输出转矩和功率,如图10和11所示。

    4 结论

      本文通过选用文献2中的Cp(λ,β),采用遗传算法计算得到λ=6.325?#20445;珻pmax=0.44,并在matlab/Simulink中对风力发电系统中的变速风力机进行建模仿真分析。模拟外界真实情况下,通过已知的λ和Cpmax,求得风机的转速与风速之间的比例系数,在最佳比例系数下,实现风力机的最大功率捕捉,得到风力机的静态仿真波?#24013;?/p>

      参考文献:

      [1]高平, 王辉, 佘岳,等. 基于Matlab/Simulink的风力机性能仿真研究[J]. 能源研究与信息, 2006, 22(2):79-84.

      [2] 任永峰. 双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制[M]. 机械工业出版社, 2011.

      本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第68页,?#38431;?#24744;写论文时引用,并注明出处。



    关键词: Maylab 风力 仿真 201810

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