风力机模拟系统

2024-08-29

风力机模拟系统（通用8篇）

风力机模拟系统篇1

随着全球不可再生能源的日益紧张以及环境污染的逐渐严重,可再生能源的社会效益和环境效益逐渐被人们认可。为了在不具备风场环境的情况下可以进行风力发电技术的研究,本文设计了一套风轮输出特性模拟系统,模拟风轮系统的输出特性成为解决该问题的有效方法。在此提出了一种风轮模拟系统的设计方案,利用模拟控制器和变频器来控制异步电机,使异步电机的输出特性满足风轮的输出特性。首先建立风速模型和风轮输出特性模型,并对其模型进行仿真研究,在此基础上,根据矢量控制原理,完成了异步电机矢量控制系统的仿真研究[1,2,3]。

1 系统建模

1.1 组合风速模型

为了能更好的模拟作用在风力机上的实际风速,建立正确的风速模型具有很重要的意义。经过实际分析和运算,可以将自然风分解为四种成分,分别为基本风、阵风、渐变风和随机风:

(1)基本风

基本风描述的是风电场整体平均风速的变化情况,它存在于风轮运行的整个过程当中。因为本文实现的仅是对实际情况的模拟,因此此时的基本风可用一个常数来描述:

(2)阵风

阵风描述的是风速的突变性。其数学模型可用公式(2)表示:

公式(2)中,vg为阵风风速,(m/s);Tg为阵风周期,(s);T1为阵风启动时间,(s);vgmax为阵风最大值,(m/s);t为时间,(s)。

(3)渐变风

渐变风反映的是风速的渐变性。渐变风(vc)的数学模型表示为:

公式(3)中,vc为渐变风风速,(m/s);vcmax为渐变风最大值,(m/s);T'1为渐变风开始变化的时间,(s);T'2为渐变风结束的时间,(s);T为渐变风的保持时间,(s)。

(4)随机风

随机风反映的是风速变化的随机性。随机风(vn)的数学模型描述为:

公式(4)中,vn为随机风风速,(m/s);vnmax为随机风最大值,(m/s);Ram(-1,1)为-1和1之间均匀分布的随机数;ωv为风速波动的平均距离,一般的取值为0.5π~2π,(rad/s);φv为0~2π之间均匀分布的随机量。

综合上述四分量的风速成分,实际作用在风轮上的组合风速可以用公式(5)来描述:

公式(5)中,vw为作用在风轮上组合风速,(m/s)。通过对上述组合风速模型的建立,在Matlab—Simulink中进行仿真,得到如图1所示的仿真结果:其中基本风设定值为7 m/s;阵风的开始时间为0 s,结束时间为20 s,最大值为1 m/s;渐变风的开始时间为0 s,结束时间为10 s,保持时间为10 s,阵风最大值为1 m/s;仿真过程中,随机风的采样时间设定为0.1 s。

经过上述对比和分析,由仿真模型得到的组合风速波形与实测的风速曲线基本吻合,验证了风速模型的正确性。

1.2 风轮模型

风轮是风电系统的主要能量捕获部件,把捕获的风能转化成机械能,再经齿轮箱传送到发电机,发电机将机械能转化为电能,送入电网,因此风轮数学模型的正确建立可直接影响到整个系统的运行。

风轮的数学模型可以利用公式(6)进行搭建:

其中,P为风轮的输出功率,(W);R为风轮的半径,(m);ρ为当地风场空气密度,(kg/m2);v为风速,(m/s);λ为叶尖速比,无量纲;Cp为风能利用系数,无量纲;TW为风轮的输出转矩,(N·m);ω为风轮的角速度,(rad/s);TL为负载转矩,(N·m);J为风轮的等效转动惯量,(N·m·s2)。

2 实施方案

设计的整体思路是利用变频器来控制异步电机,用异步电机来模拟风轮的输出特性。这样就能够在实验室对风电机组做全工况试验以及进行验证和评估。

因为风速模型已经确定,因此用户可以通过编写上位机语言来设定不同的风轮参数和风速参数。对异步电机的控制选用变频器,由上位机程序计算出的转矩值传送给变频器作为给定,然后变频器内部的处理器通过矢量控制算法进行处理,提供给异步电机电源信号,从而控制电机的转矩输出,使其输出特性满足风轮的输出特性,这样即可实现风轮的模拟。具体的硬件示意图如图2所示。

3 风轮输出特性仿真

风轮仿真模型中有风速和发电机负载转矩两个给定信号,当负载转矩为零时,风轮空载。为方便观察和分析,在此仅对直驱式风轮的特性进行了模拟仿真。下文仿真结果中的五条曲线分别是风轮的功率Pt,(W);转矩Tt,(N·m);旋转角速度ωt,(rad/s);转速n,(r/min)以及风速v,(m/s)。

1)空载状态下风轮的输出特性仿真

当风速比较低的时候,风轮应空载起动。在给定风速为v=3 m/s(为了方便分析,仿真中利用基本风作风速给定),负载转矩为TL=0的情况下,图3所示即为此情况下的仿真图形。

从图3中可知,当状态稳定之后,风轮的转速以及旋转角速度都趋于稳定,当风轮稳定转动后,风轮的输出转矩及输出功率等于零。

2)风速变化,加负载转矩之后的风轮输出特性仿真

给定风速为v=3 m/s,当t=200 s的时候,负载转矩TL给定从0增加到250 N·m;当t=400 s的时候,风速发生了变化,从v=3 m/s变为v=5 m/s,仿真图见图4。

可见,在t=200 s以后,因为施加了发电机负载,风轮的转速降低,而风轮的输出转矩及输出功率都增加,之后逐渐趋于稳定。在t=400 s时,风速发生了突变,从图4可知,风轮的输出功率以及转速都随着风速的增大而增大。

4 异步电机调速系统

4.1 矢量控制变频调速原理

异步电机经坐标变换能够等效成直流电机,仿照直流电机的控制方法,求出直流控制量,通过相应的坐标反变换,就可以实现对异步电机的控制。因为是要对电流的空间矢量进行相应的坐标变换,所以,把采用坐标变换来实现控制的系统叫矢量控制系统。

以旋转磁动势不变为原则,将三相坐标系下的定子电流iA、iB、iC经3S/2S坐标变换能够变换为两相静止坐标下的交流电流iα及iβ,然后再经过2S/2R坐标变换,能够变换为同步旋转坐标系下的直流电流id及iq。

采用矢量控制,能够将交流电机的转子总磁通ψ2等效成直流电机的励磁磁通,则d绕组和直流电机的励磁绕组等效,id等效为励磁电流;q绕组和伪静止的电枢绕组等效,iq等效为和转矩成正比的电枢电流。所以说,异步电机通过坐标变换能够和直流电机等效,仿照直流电机的控制方法,求出“直流控制量”就能够像控制直流电机那样来有效地控制异步电机了[4,5]。

4.2 异步电机调速系统仿真

按转子磁场定向的矢量控制调速系统仿真模型主要由异步电机与逆变器、矢量控制器和信号测量等子模块构成。

具体的仿真模型如图5所示。

当转速给定为120 r/min,空载时,转速-转矩以及三相定子电流的仿真波形如图6所示。

具体的参数设置如下:

异步电机参数:额定线电压380 V;极对数为2;转动惯量J=1.662;阻尼系数D=0.1;定子内阻R=0.087Ω;定子漏感L=0.8 m H;转子内阻R=0.028Ω;转子漏感L=0.8 m H;定转子互感L=34.7 m H。逆变器参数:逆变器直流电源VDC为780 V;给定磁通值Flus为0.96 Wb;转速控制器参数Kp=13,Ki=26。其他参数设置:缓冲电路电阻R为1 000Ω;系统中积分器采样周期为2μs。

5 结语

通过对于风速以及风轮模型的建立,搭建风轮模拟的实验平台,实现了在不具备风场实验环境下的风电技术研究,并进行了详细的仿真分析,可以直观的对风速以及风轮的输出特性进行分析研究。仿真模型运行结果真实地反应了定桨距风轮的实际运行情况。在完成了风速以及风轮输出特性的仿真研究之后,建立了按转子磁场定向矢量控制调速系统的仿真模型,经验证可知该调速系统具有良好的动、静态性能,响应平稳,电流谐波成分小,转矩脉动小,可以达到瞬时高动态的调速的目的。上述的仿真研究对于整个风轮模拟实验平台的搭建奠定了一定的研究基础,起到了关键的作用。

参考文献

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[5]李丹娜.风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2007.

风力机模拟系统篇2

Microtab对风力机叶片翼型气动特性的影响研究

选取S814风力机叶片翼型进行了二维几何建模和计算网格划分,通过求解Navier-Stokes方程对翼型的空气动力特性进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析,验证了计算模型及求解器的可靠性.对S814翼型后缘加载Microtab进行了气动数值模拟,分析了其流场和空气动力特性.计算结果表明:风力机叶片翼型后缘加载Microtab可以改变翼型的`环量,达到增升的目的,与此同时伴随一定阻力的增加,但升阻比得到小幅的提升.

作者：郝礼书乔志德宋科宋文萍袁先士 HAO Li-shu QIAO Zhi-de SONG Ke SONG Wen-ping YUAN Xian-shi 作者单位：西北工业大学,翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室,陕西,西安,710072刊名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：201040(2)分类号：V211.3关键词：Navier-Stokes方程翼型 Microtab 空气动力特性

风力机模拟系统篇3

实验室的前期探索对风力发电技术的发展起着重要的推动作用,但是大多数实验室不具备风场环境或风力机。因此,探讨在实验室条件下如何模拟风力机的特性是深入研究风力发电技术的前提,具有重要的现实意义。本文在分析风力机的工作特性及最佳风能利用原理的基础上,采用直流电机转矩控制方案实现风力机特性的模拟,并利用Simplorer软件进行仿真分析。

2 模拟风力机的设计理论

2.1 风力机的特性

风力机作为能量捕获部件,把风的动能转换成为风力机的机械能,风力机运转时的实际捕获风能功率为[1,2]:

风力机的功率也可以由风力机的转矩T与其旋转角速度ω的乘积来表示[1],即P=Tω:

2.2 直流电动机模拟风力机

在风力发电系统中,风力机实质上是一个功率随着风速和风力机转速的变化而变化的功率源,即幅值变化的功率源,用电机模拟风力机的特性实际上就是对风力机功率模拟。为了很好地模拟风力机的特性,必须保证模拟电机输出的功率要与实际风力机输出的功率相等。

稳态下直流电动机的数学模型可用下式表示[3]:

直流电动机模拟风力机的基本思路如图1所示。根据当前模拟的风速和检测的直流电动机的转速,通过风力机数学模型计算出风力机的输出功率和输出转矩,然后通过计算可得直流电机的给定输出电流,将其作为直流电动机的控制指令加以控制,直流电动机控制系统通过改变控制系统的变量使得直流电动机输出给定的功率。

2.3 直流电动机模拟风力机系统主电路

直流电机模拟风力机系统的主电路如图2所示,图中将实际电感等效为一个理想电感和一个理想电阻的串联,电感的作用为平抑电流的波动,直流电机为他励直流电动机,他励直流电动机的输出转矩近似与电枢电流成比例。

3 风力机的仿真模型的建立

本文中采用的风力机的额定功率为3kW,额定转速为150r/min,假设空气的密度不会发生变化,为1.25kg/m3,功率利用系数的最大值为0.4。则风力机在额定转速下,额定风速下的最佳叶尖速比为7;风力机在额定转速下捕获到额定功率为3000kW;风力机的半径R=3.206m;风力机的额定风速vrated=7.2m/s。

实际风力机的cp-λ是一个很复杂的多元函数,在Simplorer的环境下完成模拟风力机的仿真分析,首先要解决的一个问题就是如何构造风力机的cp-λ曲线。本文采用风力机的cp-λ简化后的结果,即用一个分段函数来表示这个复杂的多元函数。这样近似并不会影响风力机模拟的效果,因为分段函数大致的轮廓不会偏离实际的风力机的特性很远,这样做能够保证足够的精度[4,5]。

在对三相晶闸管模拟系统的仿真时,本文采用了分立元件直接加触发信号的方法来实现,六个晶闸管的触发信号依次相差60°,而上桥臂三个晶闸管的触发信号依次相差120°,下桥臂的触发信号也依次相差120°,PWM模块可以方便地实现互差60°的PWM波。

4 模拟风力机的仿真结果

图3是风速为5m/s时的仿真结果,从仿真的波形来看,实际电流与给定电流差别很小,说明直流电动机能够很好地模拟风力机。

5 结论

在分析风力机特性的基础上,利用Simplorer对直流电机模拟风力机进行了仿真。仿真结果表明实际电流能很好地跟踪给定电流,说明直流电机能够模拟风力机。

摘要：为了能在实验室条件下对风力发电技术进行研究,在分析风力机工作特性的基础上,采用直流电机转矩控制方案实现风力机特性的模拟,并运用Sim plore r对直流电机模拟风力机进行了仿真,仿真结果表明实际电流能很好地跟踪给定电流,直流电机能够模拟风力机。

关键词：直流电机,风力机,仿真

参考文献

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风力机模拟系统篇4

液压型风力发电机组[1,2,3]是新型的风力发电机型, 采用液压传动系统, 与励磁同步发电机有效组合, 提高了发电质量, 降低了机舱质量以及对电网的冲击。

液压型风力发电机组主要由风力机、定量泵-变量马达闭式液压传动系统和同步发电机组成[4]。风力机驱动定量泵输出高压油, 高压油输入到变量马达, 最后变量马达驱动同步发电机并网发电。机组通过实时调整变量马达的摆角实现同步发电机的转速控制, 从而使同步发电机稳定于工频转速实现并网发电。

风力机是液压型风力发电机能量转化的关键动力部件, 约占整机成本的20%~30%[5,6], 并且随着风电行业的发展越来越受到重视。为了在不具备风场环境的情况下能够进行风力发电技术的研究, 本文在液压型风力发电机组半物理仿真实验台以及相关厂家提供的数据基础上, 利用变频器控制变频电机, 使变频电机的输出特性与实际风力机的输出特性相吻合[7]。

1 局部负载区风力机特性

根据贝兹极限[8], 风力机捕获风能的效率极限值为59.3%, 而由于功率损失等影响, 效率一般都小于该极限值。因此, 风力机作为整个风力发电机组的能量源头, 对其特性的研究具有重要意义。

在不同的风速下, 希望机组发电功率总在最大功率点上, 故需对现有风力机参数建立数学模型以得到风力机捕获功率以及气动转矩对转速的特性。风力机捕获的功率和气动转矩[9]计算式为

式中, P为风力机输出功率;CP为风能利用系数;ρ为空气密度;Tm为气动转矩;v为风速;ω为风力机角速度;λ为叶尖速比;β为桨距角度, 在额定负荷区内其值为0°;A为扫略面积。

故在特定风速下, 由式 (1) 和式 (2) 可得出风力机输出功率和气动转矩变化规律, 如图1和图2所示。

风力机输出功率和气动转矩出现图1和图2所示的变化规律, 主要是由于风能利用系数CP (λ, β) 变化所致。风能利用系数[10?11]计算式为

根据厂家数据, 最佳叶尖速比λ=8 (图3) , 最大风能利用系数CP=0.4496。各系数确定为:C1=0.5176, C2=116, C3=0.4, C4=5, C5=21, C6=0.00303。

在工程应用时, 可通过调整上述相关参数的变化, 得到吻合得比较好的风力机特性数学模型。

风力机输出功率和输出气动转矩仿真模型以式 (1) 和式 (2) 为依据, 相应参数取值见表1。

基于数学模型, 利用MATLAB中Simulink工具建立的仿真模块如图4所示, 功率、转矩对风力机转速仿真结果分别如图5和图6所示。

把仿真结果和相关合作公司给出的数据 (图7) 进行对比, 其变化趋势和每种风速下的最大功率点的数据误差在0.3%以内, 从而验证了风力机仿真模型的正确性。

2 等效风力机模型实验

为在无风的条件下进行液压型风力发电机组的功率追踪以及转速控制等方面的研究, 需要对等效风力机模型进行实验研究。

在进行风力机模型等效实验时, 需要在计算机里建立风力机特性数学模型, 通过给定风速, 检测出等效风力机 (变频电机) 的转速, 然后由风力机数学模型计算出所需要的转矩给变频器, 由变频器根据给定转矩控制变频电机模拟风力机。风力机相似等效实验台实物以及原理分别如图8和图9所示。

实验时为模拟真实风力发电机的发电能力, 需满足一些相似等效条件, 计算过程如下:变量马达 (二次元件) 最大功率为30kW, 但在工作时, 仅使用其80%的能力, 即实验时最大功率取24kW, 通过流量关系, 可得定量泵的转速 (即电机的转速) 为

变量马达 (二次元件) 工作在24kW时, 对应真实风力机的最大功率点为850kW, 此时真实风力机的转速约为45r/min (图10所示是生产厂家给出的风力机转速在局部负载区随风速变化的要求) 。

定义相似系数如下:Kn为转速系数, KP为功率系数, KR为半径系数, Kλ为叶尖速比系数。

根据上述已知关系, 可知在相似等效时, 转速之间和功率之间的比例分别为

式中, 下标s表示模拟实验。

在相似变换时, 要保证风能利用系数和实际值相同, 因此对应的叶尖速比λ要发生变化。

由式 (1) 可得

又有

故相应实验条件下的叶尖速比相对于真实风力机的叶尖速比有一个相似变换的关系, 由式 (3) 、式 (4) 和式 (11) 可得实验时的等效风能利用系数:

由式 (1) 和式 (12) 可得实验时的等效风力机输出功率, 进而可得等效转矩。

由于等效系统在工作时, 可以看成是刚体绕定轴转动, 故根据刚体绕定轴转动的微分方程有

式中, TP为负载转矩;J为风力机转动惯量。

等效时按几何相似计算, 具体方法如下:将风力机看作一个均质圆盘, 半径为Rs, 面密度为ρ, 按几何相似等效原则, 其转动惯量为

联立式 (13) 和式 (14) 可求出在某一风速下变频器对电机转矩的给定值, 从而模拟出风力机的特性。

但由式 (14) 可知, 按照上述方法求出的模拟风力机转动惯量比实验系统的固有转动惯量大很多, 所以需要对实验系统进行转动惯量的模拟补偿。

基于能量守恒, 对变频器采用转速控制模式, 估计出目标转速后直接输入变频器, 转矩补偿由变频器根据给定转速自行计算得出。

假设没有功率损失, 根据风力机动能守恒, 参考模型为

目标转速为

式中, PG为发电机发出的功率。

观测变频电机转速ω1, 由ωs到ω1经控制律kp+ki/s (kp为比例调节系数, ki为积分调节系数) , 计算功率补偿值ΔP, 使实验系统角加速度与参考模型角加速度相同, 即ω1=ωs, 控制框图如图11所示。

图11中, 转速给定值可与实际系统的真实转动惯量发生联系, 转矩补偿在变频器中以转速闭环形式进行调整, 得到模型参考的目标转速, 进而得到了等效风力机输出功率和等效转矩的曲线, 分别如图12和如图13所示。

实验时的等效转矩特性曲线如图13所示。

由图12和图13所示的风力机输出的功率以及转矩特性曲线分析可知:在风速为4 m/s至13m/s时, 所对应的等效风力机的输出功率以及转矩分别随着等效风力机的转速先增大后减小, 并存在最佳功率和转矩点。

将上述等效风力机输出功率实验结果乘以相似等效转换系数, 得到在现有实验条件下的实验结果, 如图14所示, 并将其与相关厂家提供的数据 (图7) 和仿真结果 (图5) 进行对比。

由图14可知, 将风力机输出功率乘以转换系数之后的实验结果与仿真结果以及相关厂家提供的输出功率特性曲线变化趋势和每种风速下的最大功率点的数据误差在允许误差范围 (3%~5%) 之内, 即可实现风力机精准模拟, 从而进一步验证了该模拟方法的准确性。

3 结束语

通过建立数学模型, 从理论和实验两个角度分析液压型风力发电机组工作时的风力机特性, 并进行仿真分析和等效实验研究, 采用转速控制方法回避了实际系统转动惯量太小、固有频率很高的不足, 并和已有的工厂数据进行对比分析, 验证该模型的精确性, 能比较好地反映工程实际情况, 从而为液压型风力发电理论和实验的研究提供了良好的参考。

摘要：在不具备风场环境的情况下, 针对液压型风力发电机组风力机特性模拟问题, 在实际数据的基础上, 建立了风力机输出特性数学模型, 依据相似模拟的原理, 采用转速控制的补偿方法对风力机特性进行了实验研究。将等效功率实验数据乘以转换系数之后的结果、仿真结果以及相关合作公司提供的850kW风力机的实际数据进行了对比。结果表明:系统能够在误差允许范围内精准模拟风力机的输出功率和输出转矩。

关键词：液压型风力发电机组,风力机特性,惯量模拟,风力机模型

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风力机模拟系统篇5

叶轮作为风力机的主要能量转化部件, 其气动性能直接影响风力机的输出功率, 且成本占整机预算的70%[1]。风力机的主流样式为水平轴3叶片, 而叶片多基于传统NACA或风力机专用的NREL S、DU、Ris、FFA-W等翼型族。此类传统叶轮有一定的切入速度, 导致在风速小于7 m/s~8 m/s时其效率较低, 平均风速在此区间的地区较多;翼型的几何特性决定加工及维护有一定难度。基于Magnus效应的风力机, 其叶片为圆柱, 加工简单;旋转速度比普通的风力机低2倍~3倍, 更安全并且维护成本更低;升力系数大, 低风速区间升阻比适中[2]。由此可见, Magnus效应风力机有可能与现有的商业风力机形成互补关系。基于此, 本文探索Magnus效应风力机的气动性能, 并通过建立三维模型与数值模拟方法来进一步了解其性能。

1 马格努斯效应

马格努斯效应由是作用在物体上的马格努斯力造成的, 在黏性的不可压缩流体中运动的物体, 由于其表面是不对称的流体分离, 形成了马格努斯力, 如图1所示。

最早Fletter利用Magnus升力作为驱动力来驱动“Buchau”号船舶[3]。在20世纪30年代, 名为“Madaras”的项目初次应用Magnus风力机发电[4]。最近俄罗斯的N.M.Bychkov等人对配备6个旋转圆柱的Magnus效应风力机进行了实验, 得到其切入风速可以低至1 m/s~2 m/s;日本的Murakami在其2010年的新专利中提出一种新型的配备5个旋转圆柱的Magnus效应风力机并在8 m/s的速度下输出3 k W功率[5]。Giudice设计了一种基于Magnus效应的圆柱型叶片的微型水力发电系统。

由此可见, Magnus效应风力机有一定的应用前景, 需要探索其性能。除了实验手段, 数值模拟也是经济可行的选择。

2 模型建立

类比于传统翼型风力机的性能分析过程, 对于Magnus效应风力机的性能分析也从其二维翼型开始。本文算例中, 二维算例即为叶片截面翼型-旋转的圆柱。通常状况下, Magnus效应风力机由叶片、端板、轮毂及塔架构成[6], 如图2所示, 图2中右侧小图为旋转圆柱二维截面图。本文为简化计算取叶轮部分, 略去塔架和端板。叶轮直径D=10 m, 轮毂直径为1 m, 叶片为直筒型圆柱型叶片, 截面直径d=0.5 m。

3 数值模拟

3.1 计算区域及网格划分

本文中算例运用FLUENT求解, FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法, 因此计算区域被网格划分为若干控制体, 进而对每个控制体求解三大控制方程。整体计算区域大小需要大于风轮旋转区域, 且需要在风轮旋转区域及附近加密网格。在满足精度要求的前提下, 网格划分参照计算区域大小采用四面体非结构网格, 逐渐增加网格数量, 并在旋转流域附近速度梯度大的区域适当加密。

3.2 边界条件设定及求解

导入网格文件, Check网格质量并Scale网格至实际尺寸。设置计算域的进口边界为速度进口 (VELOCITY-INLET) , 二维算例为多工况故风速由2 m/s~20 m/s不等;三维算例中来流风速为6 m/s。出口边界为出流 (OUT-FLOW) 。叶轮各个叶片设置为可转动的壁面, 指定为WALL, 选定湍流模型之后迭代求解。

3.3 计算结果及分析

静止圆柱的绕流基本对称, 阻力较小。旋转圆柱流动分离不对称并伴随着滞止点的移位, 因此主要由压差形成的力在各个轴上均有分量, 进而形成升力与阻力。整理模拟结果, 得出不同转速下升力系数与来流风速的关系如图3所示。

随着风速的增大, 升力系数不断减小。在二维空间中, 旋转圆柱绕流产生的升力由Kutta-Joukowshi定理给出:

根据升力系数的定义得出:

式 (1) ~ (2) 中, Fl为旋转圆柱上的马格努斯力/升力, N;ρ为流体的密度, 此处为空气, kg/m3, Γ为旋转圆柱上环量, m2/s;Ω为圆柱旋转角速度, r/s;R为圆柱半径, m;U为来流风速, m/s;Cl为升力系数;A为参考面积, m2;d为直筒型圆柱型叶片截面直径, m;Ψ为圆柱表面点的弧度。

由公式可以得出升力系数与来流风速成反比, 而图3的模拟结果也和理论推导吻合。升阻比作为判断叶片气动性能的关键参数, 不同转速下其与风速的关系如图4所示。

图4中升阻比随风速的变化趋势类似于升力随风速的变化趋势, 也表明Magnus效应的风力机其在低风速区间性能良好, 与动辄兆瓦级及切入风速4 m/s的大型商业风力机形成互补。除去定转速的算例, 本文也探索了来流风速确定的情况下, 升力系数与转速的关系, 如下图5所示。

公式 (2) 揭示了升力系数与转速的关系, 图5显示其基本呈正相关与公式推导结果吻合。需要注意的是, 旋转速度过大给叶片的维护造成一定困难, 能量消耗的同时也会增加安全风险。因此需要综合考虑各参数后选择一个合适的转速。

三维算例中来流风速取为6 m/s, 变化自转速比并观察风能利用效率与叶片自转速度的关系。自转速比定义类似于叶尖速比, 可表达为:

式 (3) 中, r为叶片截面半径, m;Ωblade为叶片自转角速度, r/s;U∞为来流风速, m/s。

风能利用效率与自转速比关系如图6所示。

图6表明, 在一定来流风速下, Magnus效应风力机的风能利用效率与其自转速比有关。在自转速比值小于最优值时, Magnus效应风力机的风能利用效率随着自转速比的增大而增大;之后随着自转速比的增大而减小, 最优自转速比位于2~4区间内。

4 结语

Magnus效应产生的升力量纲可观, 随着Magnus力在升力方向的增量增大, 其阻力方向的分量也会增大, 导致升阻比没有升力可观的数值。Magnus效应风力机在低风速区间性能良好, 可与传统大型商业风力机形成互补, 完成对风资源各个风速区间的充分利用。Magnus风力机整机气动性能受很多因素影响, 自转速比是其中一个重要的参数。对于确定了几何外形的风力机, 其最优自转速比在3.5附近, 偏离最优值后效率急剧降低。通过对二维的旋转圆柱绕流问题进行理论分析与数值模拟, 得出升力系数、升阻比等关键气动参数的变化规律, 并进一步对三维叶轮进行数值模拟, 探索最优设计及提升空间, 对以后同类型风力机的设计有重大参考意义。

摘要：探索Magnus效应风力机的气动性能, 从二维翼型-旋转圆柱绕流到建立三维叶轮模型, 通过数值模拟方法来进一步了解其气动性能, 为之后Magnus效应风力机设计提供参考。

关键词：Magnus效应,旋转圆柱绕流,风力机,数值模拟

参考文献

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风力机模拟系统篇6

1 风力机特性分析及模拟

理论计算证明, 理想风轮机最大风能转化效率为59.3%, 风轮所提取的能量等于气流进出口的动能差。风力机实际能获得的有用功率输出为

式中:ρ为空气密度;D为风力机叶片直径;v为风速;Cp为风能利用系数, 即叶片桨距角和叶尖速比λ的相关函数, 若保持风速不变, 此时Cp值的大小由λ决定。λ为叶尖的圆周速度与风速之比, 即

式中:ω为风轮角速率, rad·s-1。

对于特定的风力机, Cp最大值时的叶尖速比称为最佳叶尖速比λopt, 相应的Cp称之为最大风能利用系数, 用Cpmax表示。当λ偏离λopt时, Cp都会小于唯一的Cp最大值, 从而引起机组发电功率的降低。不同的桨距角β, Cp变化如图1所示。

由转矩与功率之间关系式T=P/ω得到风力机输出转矩为

转矩与转速特征曲线如图2所示。

把风力机回馈的转速值 (模拟电机转速) , 以及实际的风速值代入上述风力机特性公式可以得到风力机的输出转矩, 并作为异步电动机模拟风力机的控制信号。计算转矩用的风力机模型如图3所示, 其中风能利用系数的函数关系可从实际风机的经验公式得到。仿真结果表明, 异步电机输出的转矩与实际风力机输出转矩的特性一致, 达到了本次试验异步电机模拟风力机特性的预期目的。

2 异步电机的工作原理及控制策略

2.1 矢量坐标变换的方法

矢量坐标变换分为三相静止坐标到两相静止坐标的变换 (3s/2s) 、两相静止坐标到两相旋转坐标的变换 (2s/2r) 和三相静止坐标到两相静止坐标的变换 (3s/2r) 。本文直接给出 (3s/2r) 变换的方法。

式中, 三相静止坐标到两相旋转坐标的变换矩阵为

式中, φ为d-q坐标系d轴与α-β坐标系α轴之间的夹角。

如果旋转坐标系的旋转速度等于静止绕组产生的旋转磁动势的角速度, 那么d-q坐标系可改为M-T坐标系, 相应的变量也可由d、q改为M、T。

2.2 异步电机的矢量控制思想

交流异步电机是非线性、强耦合性的系统[5], 其输出转矩的控制相对于直流电机要更为复杂。所以根据磁动势和功率等效的原则, 异步电动机需进行坐标变换将定子电流分解为同步旋转坐标下的励磁电流分量和转矩电流分量, 然后对这两个分量加以单独控制。异步电机的坐标变换如图4所示。

在三相坐标系中, 定子交流iu、iv、iw, 通过 (3s/2s) 变换为两相静止坐标系上的交流电流iα和iβ, 再经过 (3s/2s) 变换为同步旋转坐标下的直流电流im和it。在坐同步旋转坐标下, 可以把对异步电机的控制近视为他励直流电机。ism和ist分别相当于直流电机的励磁电流和电枢电流。异步电机等效成直流电机后, 可按照控制直流电机的方法对异步电机进行控制。矢量控制原理如图5所示。

2.3 异步电机矢量控制方案

在M-T坐标系下, 按转子磁链定向推倒, 可得异步电机的矢量控制方程为

式中:σ为电机漏磁系数, σ=1-Lm/LsLr;Tr为转子电磁时间常数, Tr=Lr/Rr。

通过矢量控制方程 (1) , 可以计算得到电机转子磁链ψr。通过矢量控制方程 (2) , 可以计算得到电机转差ωs以及定子频率 (ω1=ωr+ωs) 。如果采取磁通不变的控制ψrn=ψrd=ψr, ψrt=ψrq=0, 由式 (1) 可得ψr=LmLsm, 代入式 (2) 可得ωs=ist/Trism。

对异步电机的矢量控制, 需要确定转子磁链的位置, 而实际上对其直接测量很难实现。故本文采用基于转差频率的间接矢量控制, 这种控制方式利用电机的转速和按照控制算法得到的转差频率之和来估计磁链相对于定子的位置[6]。其结构相比真实计算出转子磁链的相位与幅值来说相对简单, 而且可得到较好的实验效果和动态特性, 这种矢量控制的原理如图6所示。

由图6可知, 按照以上算法确定定子电流的励磁分量ism为一恒值后, 转矩分量ist可由风力机数学模型计算获得转矩给定信号与电机输出转矩回馈作差, 再经转矩调节器ATR得到。另外由于本实验采用电压型逆变器, 需要将矢量控制方程得到的定子电力转矩分量和励磁分量转换成相应的电压控制信号。对式 (3) 进行整理, 可得定子电压和电流的转换公式为

usm、ust经过两相旋转坐标到三相静止坐标变换 (2r/3s) , 得到SPWM逆变器的三相电压控制信号, 并控制逆变器的输出电压, 则逆变器便可以输出异步电机调速所需的三相变频电压及电流, 从而达到控制电机转速和转矩的目的。

3 模拟仿真实验

根据对风力机特性的分析, 转矩由风力机叶尖转速和实际风速决定。因此, 异步电机模拟风力机特性的基本思路就是通过风力机模型根据当前环境的实际风速和回馈的风力机转速 (实际为模拟电机转速) , 理论计算出风力机输出转矩, 然后异步电机的控制系统根据这个转矩信号控制电机的运行, 使其输出特性与实际风力机一致, 以此实现风力机特性的模拟。本文采用异步电动机在实验室中代替风力机拖动风力发电机, 其结构如图7所示。

以上模拟系统主要由3部分组成:风力机模型、异步电机的控制部分以及异步电机模型。其中, 风力机模型由数学模块搭建;异步电机控制系统采用基于转差频率的间接矢量控制算法;电机采用理想的异步电机模型。

在Matlab/Simulink中搭建了风力机模拟试验平台如图8所示。其中电机控制系统模块的仿真模型如图9所示。

本文所模拟的风力机型号是恒风-HF4.0.2, 具体参数:额定功率PN为2 k W, 桨叶半径R为2 m, 额定风速VN为8 m/s, 额定转矩TN为60 N·m。

所选的电机模型参数:额定电压220 V, 额定频率50 Hz, 定子电阻Rs为0.453Ω, 转子电阻Rr为0.816Ω, 转子漏感Llr为0.004 m H, 定子漏感Lls为0.004 m H, 定转子自感Lm为0.069 m H, 极对数为2, 逆变器的直流电压为510 V。转矩调节器ATR设置如表1所示。

定风速为8 m/s下, 控制电机转速逐步增加, 电机输出转矩如图10所示。从图10中可以看到, 在定风速下, 随着转速的增加, 叶尖速比相应增加。输出转矩由小到大增长, 达到一个峰值, 随后由大到小减小, 直至为零。其中输出转矩达到峰值时, 对应的叶尖速比接近风力机的最佳叶尖速比。可见对电机加以一定的控制, 其输出转矩或功率特性基本达到了模拟风力机特性的效果。

在不同风速下, 电机输出转矩与转速的关系曲线如图11所示。从图11中可以看到, 其关系基本符合风力机的输出特性, 达到了本次实验对电机控制模拟风力机特性的目的。但是由于异步电机的特性, 以及本文对电机控制采取的策略, 在仿真环境下仍有少部分的波动。特别是在给定风速较低情况下, 控制效果较不理想, 所以更为先进的控制策略有待于近一步的研究。

摘要：为研究风力机发电技术, 基于异步电机性能基础上, 建立了风力机运行特性的数学模型, 分析了其基本原理, 通过采取异步电机矢量控制方式实现了对电机转速、转矩的有效控制。仿真实验表明, 在Matlab/Simulink环境下, 对异步电机模型进行转差频率控制, 可使其转矩输出吻合风力机模型的特性。

关键词：交流异步电机,风力机,矢量控制,Matlab

参考文献

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风力机模拟系统篇7

风能是一种无污染可再生的绿色能源, 风能的大规模开发和利用, 将会有效减少化石能源的使用和温室气体的排放, 成为解决全球性能源危机和环境危机的重要手段[1,2]。

目前较多地采用直流电机来模拟风力机[3,4]。但由于直流电机本身固有的缺点, 不适于构建MW级大功率风电实验平台。随着交流调速技术的发展, 开始逐步采用异步电动机来进行风力机的模拟[5,6]。文献[5]给出了异步电机转矩指令的计算方法, 但缺乏具体的电机控制方法。文献[6]研究了一种异步电机的转差频率控制方案, 但由于是基于电机的稳态模型, 其控制性能有待改进。

本文设计了一套采用矢量控制的异步电机模拟风力机的实验方案, 构建了包括硬件平台和控制软件在内的完整的风力发电系统实验平台, 并对不同运行条件下风力机的运行特性进行了模拟实验, 为实验室条件下进行风力发电技术的深入研究创建了条件。

2 风力机特性分析及模拟

由风力机的空气动力学可知风力机输出的机械功率为[4,5]

p=πρD2v3Cp (β, λ) /8 (1)

式中:ρ为空气密度;D为风力机叶片直径;v为风速;Cp为风能利用系数, 为桨距角β和叶尖速比λ的非线性函数 (如果保持桨距角不变, 此时Cp的值由λ决定) 。

叶尖速比λ定义为风力机叶尖线速度与风速的比值

λ=Dω/ (2v) (2)

式中:ω为风力机的角速度, rad/s。

典型的Cp—λ关系曲线如图1所示, 对于特定的风力机, 具有唯一一个对应Cp最大值的叶尖速比, 称之为最佳叶尖速比, 用λopt表示, 对应的Cp 称为最大风能利用系数, 用Cpmax 表示。当λ大于或小于λopt 时, Cp 都会偏离Cpmax, 引起机组发电效率的下降。

由式 (1) 与图1可知, 在风速一定下, 功率与转速曲线形状与图1一致, 如图2所示。在额定风速以下, 发电机转速相同时, 风速越大则风力机输出的机械功率越大。同一风速时, 风力机在某一最优转速下可输出最大功率。不同风速对应的最优转速和最大功率点不同。变速恒频风电机组可以通过调节发电机转速, 使得风能利用系数保持在最大值, 风力机就可以实现最大风能捕获。

又由转矩与功率之间关系式

T=p/ω (3)

可得转矩与转速特性曲线如图3所示。

本文采用异步电动机在实验室中代替风力机拖动风力发电机, 其结构如图4所示。此处未考虑齿轮变速箱。

按照给定的风速和实测的发电机转速, 根据上述风力机特性可计算出风力机的输出转矩, 并作为异步电动机的控制指令。计算转矩用的风力机模型如图5所示, 其中风能利用系数的函数关系可根据具体风力机参数编制相应表格实现。只要异步电机输出的转矩与实际风力机相同, 便达到了模拟风力机的目的。

3 用于风力机模拟的异步电机控制

异步电机是一个非线性强耦合系统, 其转矩的控制相对直流电机要复杂得多。通过转子磁场定向的旋转变换, 可将异步电机等效为直流电机, 模型大为简化。以此为基础的矢量控制, 可以得到近似直流电机的控制性能[7,8]。

选取旋转坐标系中的d轴方向与转子磁链的方向重回, 则可得异步电机模型如下:

式中:usd, usq为定子d, q轴电压;isd, isq为定子d, q轴电流;Ψr为转子磁链;Rs, Rr为定、转子电阻;Ls, Lr和Lm分别为定、转子自感与互感;σ为漏磁系数;ωr为电机转子角频率;ωs为定子电源频率;ωsl为异步电机转差频率;θ为转子磁链角度;Te为电磁转矩;np为电机极对数;J为转动惯量;TL为负载转矩。

由式 (6) 可知, 通过调节励磁电流isd可保证转子磁链为常数。根据式 (8) , 此时电机转矩由转矩电流isq确定, 故利用转矩电流可方便地控制电机的转矩, 实现风力机的模拟。

由式 (4) 、式 (5) 电流方程表明d, q轴电流与电压之间还存在较为复杂的耦合关系, 为了获得更高的控制性能, 通常需进行解耦控制, 本文采用了前馈解耦方法。电流方程经变换后可得

考虑稳态时式 (9) 中磁链导数为零, 并将式 (10) 进一步化简后可得解耦项为

实际的d, q轴指令电压由电流环PI调节器的输出与解耦项相加而得, 最后再通过空间矢量PWM方式给出逆变器的开关控制指令。进行旋转坐标变换时所需的转子磁链角度由式 (7) 计算而得, 即采用所谓的间接磁场定向矢量控制方案。控制框图如图6所示, 图6中的转矩指令T*由图5中的风力机模型计算而得。

4 实验结果

按照上述方法搭建了风力发电系统实验平台, 一台功率为2.2 kW的异步电动机模拟风力机拖动同轴连接的风力发电机。此处风力发电机为同型号的异步电机, 采用AC/DC/AC变流器并网发电。发电机同样采用间接磁场定向控制实现转速的调节, 而并网逆变器采用电网电压定向的矢量控制实现直流电压和功率因数的控制。更换电机后, 该平台也可以进行双馈发电机和永磁发电机的实验研究。实验平台框图如图7所示。电机额定电压380 V, 额定转速1 430 r/min。电动机侧变流器直流电压530 V, 而发电机侧变流器直流电压为650 V。实验平台模拟的风力机特性根据式 (1) 和图1, 结合电机参数人为给定。

上位机完成整个系统的监控功能, 包括控制信号输入, 转速、功率、电压、电流等变量的采集与显示等。通过控制面板可给定风速, 也可通过编程来模拟阵风等较为复杂的实际情况。各变流器的控制系统采用基于F2407的DSP数字控制平台。

图8为在恒定风速 (6 m/s) 、变转速条件下的实验波形。图8中, 转速经历了从300 r/min到600 r/min再到1 200 r/min的变化过程, 被模拟的风力机在风速6 m/s时的最优转速为800 r/min。

由图8可以看出, 当电机转速由300 r/min增加到600 r/min时, 电机的转矩随之增加。而当电机转速增加到1 200 r/min时, 由于已经越过了最优转速点, 电机的转矩反而下降, 满足图3所示的风力机转矩转速特性。

图9为恒定转速 (600 r/min) 、变风速条件下的实验波形, 风速由4 m/s增加到7 m/s再到10 m/s, 然后再反向减小。

从图9中可以看出, 在转速保持不变的情况下, 电机的输出转矩随风速增加而增加, 符合图3所示的风力机特性。

图10与图11为在转速1 050 r/min, 风速分别为8 m/s和10 m/s时风力发电机电网侧波形。

图10、图11中, 当转速保持不变, 风速增大时, 电网侧电流随之增大, 表示发电机输出功率增加。另外, 由bc线电压与a相电流的波形及相位关系可知, 发电机并网逆变器实现了高功率因数控制。

图12给出了不同风速和转速下风力机的模拟结果。图12中实线为被模拟的风力机功率-转速特性, 各点为实测的异步电动机运行点, 可见本实验平台能够模拟事先给定的风力机特性。

5 结论

本文采用异步电动机完成了风力机模拟实验平台。对典型情况下风力机特性的模拟实验表明, 该平台可以准确地模拟风力机在不同风速和转速下的输出转矩和功率特性, 为今后在实验室深入研究风力发电系统的控制技术, 例如最大风能跟踪等提供了基础。在此基础上, MW级的风力发电系统实验平台正在开发过程中。

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风力机模拟系统篇8

风力送丝系统因其投资较小、维护方便等优点,在中小型卷烟企业中应用较广。但是风力送丝过程中不同卷烟机组风速大小不一或同一机组不同时段风速大小不一直接导致烟丝香精香料的挥发和水分指标的波动,对卷烟吸味等内在品质影响极大;同时,因为风力送丝过程中风速不平衡产生的部分机组风速过大导致烟丝造碎加大,直接影响烟支端部落丝量和硬、软点等质量指标,使空头等次品量增多,增加了生产成本。

汉中卷烟厂某车间2006年9月1日到9月11日1#、2#机组风速记录(每天采样3次)见表1。由表1可以看出1#卷烟机组的风速范围为15m/s～32m/s,2#卷烟机组的风速范围为22m/s～45m/s。

根据卷烟机制造厂提供的技术资料要求,送丝管道内风速v达到15m/s以上便可正常抽送烟丝,送丝风速超过25m/s后,烟丝造碎加大。我厂的风力送丝系统风速在15m/s～45m/s之间波动,风速极不平衡,增加了烟丝造碎的可能,对卷烟质量有很大的影响。目前,解决风力送丝系统风速不平衡这一问题,各厂家采用的方法不尽相同,而风力补偿装置就是一种较为普遍采用的方法。

2风力送丝系统分析

2.1 风力送丝系统结构

风力送丝系统由负压产生部分、送丝管道和喂料机3部分组成,见图1。其中,负压产生部分由抽丝风机和除尘系统组成,输送管道包括了送丝管道和送丝回风管道。

正常工作时,喂料机振槽内的烟丝通过送丝管道由抽丝风机产生的负压吸风吸进卷烟机的料槽,所有的送丝回风管道最终汇总到一根主管道,通过除尘系统过滤后由抽丝风机排出。其中抽丝风机的通风量是每台卷烟机送丝管道通风量的总和,通风量基本恒定。所有卷烟机同时抽送烟丝时调整抽丝风机的通风量,保证每台卷烟机送丝管道口的风速能够正常为卷烟机抽送烟丝。

2.2 对烟丝造碎的影响

卷烟机在生产时是间歇性地抽送烟丝,并且所有卷烟机在工作时抽送烟丝不一定是同步的。假定单台卷烟机送丝管道通风量为q,抽丝风机在正常工作时的总风量Q基本恒定,那么N台卷烟机生产时所需的总通风量为:

Q=Nq 。

当N-1台卷烟机同时抽送烟丝时通风量为:

Q=(N-1)q′ 。

这时,单台卷烟机抽送烟丝时的通风量q′为:

q′=λqN/(N-1) 。

其中:λ为补偿系数,由工作条件决定,抽丝时为1.2～1.5。由此可以看出,这时的通风量是N台设备同时生产时通风量的λN/(N-1)倍。

q又与风速v和管道截面积S有关,即:

q=v×S 。

根据流体力学关系:

F∝v ,

W=F×s 。

其中:F为烟丝所受的风力;W为输送烟丝过程中所作的功;s为在风力作用下烟丝的位移。可以看出,v越大,W相应的越大,而W同时反映了影响烟丝造碎的程度。抽送烟丝的机台数不同时送丝管道内的风速v是不一样的,抽丝机台数越多,风速v越低;抽丝机台数越少,风速v越高。

而实际生产过程中卷烟机都是需要时再抽送烟丝,为间歇性抽丝,所有机台不可能同时抽丝。而要保证所有机台同时抽丝时风速足够大,就会造成实际生产中间歇性抽丝的风速偏大,烟丝造碎增大。

3补风装置分析

3.1 风力补偿装置工作原理

在每台卷烟机组料槽处送丝回风管道上安装补风装置,图2为风力补偿装置示意图。在卷接机台需要烟丝时,卷烟机抽丝回风口开合电磁阀2动作,卷烟机抽丝回风口碟阀1打开,送丝系统开始为该机台输送烟丝,此时补风装置进风口碟阀3关闭,补风装置不工作;在卷接机台不需要烟丝时,卷烟机抽丝回风口碟阀1关闭,送丝系统停止为该机台输送烟丝;补风装置进风口开和电磁阀4动作,补风装置进风口碟阀3打开,补风装置从送丝回风管道上为风力送丝系统补充适量的通风量,使抽送烟丝的机组风速不再受其它机台的影响,保持恒定大小。

每隔半个月对送丝料管进行风速测量,由富有经验的机修工调整上料阀和平衡阀打开时的开度,再用风速表进行测定,使每台机组单独抽送烟丝时和同时抽送烟丝时风速大小一致。

3.2 系统组成

图3为电器控制原理图,继电器TF的控制信号来自卷烟机PLC,当卷烟机需要烟丝时,TF线圈得电,TF常开触电闭合,补风口闭合电磁阀动作,补风装置停止为风力送丝系统进行风量补充;当卷烟机不需要烟丝时,TF线圈失电,TF常闭触电闭合,补风口打开电磁阀动作,补风装置开始为风力送丝系统进行风量补充。

1,3—碟阀;2,4—开合电磁阀

4效果比较

4.1 加风力补偿后风速统计

从2006年12月开始,同样对1#、2#机组风速进行了10天的记录(每天采样3次),风速统计结果见表2。

根据表2统计的数据我们可以看到,使用风力补偿装置后1#、2#卷烟机组送丝管道口风速被有效地控制在18.5m/s～23.5m/s之间,既能够满足卷烟机对风速的要求,又不至于出现风速过大的情况。

4.2 对香烟品质方面影响情况的调查

针对相同牌号、相同批次的香烟,用同一机台(2#)分别在屏蔽掉风力补偿系统和运用风力补偿系统两种情况下生产出的烟支进行了几个品质方面的检查。

4.2.1 水分波动情况

对两种情况下生产的产品进行了水分测量统计,取样个数均为30,结果见表3。表3验证了风速对香精香料均匀性方面的影响。