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    基于Matlab/Simulink的風力機特性仿真

    作者:張天一 楊巍 郝玉然時間:2018-09-27來源:電子產品世界 收藏
    編者按: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。

    作者 / 張天一1 楊巍2 郝玉然3

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

      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進行機的建模,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,實現機的最大功率捕捉,得到機的靜態波形。

    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,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Cp,本文選擇參考文獻2中的Cp

    (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ωm,風力機捕獲的有效功率Pm,風力機機械轉矩TL的表示如下式(2)所示:

    (2)

      式(2)中Rw為風力機葉片半徑,n為風力機轉速, ωr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Cp的最大值,本文在matlab中使用遺傳算法可以很輕松求得Cpmaxλ。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Cp進行了最大值求解,求解結果如圖2所示,和文中所提到的Cpmaxλ一致。圖3是對本文中Cpmaxλ的計算結果,得到當λ=6.325時,Cpmax=0.44

      2.2 Cpmax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,Cp作為輸出量,建立的Cp(λ,β)模型如圖4所示。

      對Cpmax 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ωr作為輸入量,風力機的葉尖速比 λ、功率系數Cp、風力機捕獲的有效功率Pm和風力機機械轉矩TL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,Cpmax=0.44,和式2中λωr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Cp(λ,β),采用遺傳算法計算得到λ=6.325時,Cpmax=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。

      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。



    關鍵詞: Maylab 風力 仿真 201810

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