基于LabVIEW DSC/Matlab的风力机风轮特性实验平台设计与实现

李迺璐， 杨 华， 朱卫军， 蒋 伟， 张继勇

(扬州大学 水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225127)

基于LabVIEWDSC/Matlab的风力机风轮特性实验平台设计与实现

李迺璐， 杨 华， 朱卫军， 蒋 伟， 张继勇

(扬州大学 水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225127)

为将风力机风轮理论应用于风电课程的实验教学，设计了基于LabVIEW DSC 模块与Matlab/Simulink的风力机风轮特性虚拟仿真实验平台。该平台包括风轮模型仿真、数据采集和存储、风轮原理分析、风速/风轮特性实验和历史实验数据查询。该虚拟实验平台可自主选择多种风况和多种负载工况来模拟实际风轮运行特性，在提高学生的主观能动性、实验平台的经济性、实验时间与空间的开放性上有明显优势。

风力机风轮； 实验平台； LabVIEW； Matlab

在新能源科学与工程专业与风电课程相关的实验教学中，实验硬件平台及设备不但价格高，而且配套的实验程序一般由厂家编写与封装，风电实验教学以学生观察为主，学生能够参与实践与设计的环节很少。与传统风电机组实验室相比，基于虚拟仿真技术的风力机实验平台能够大幅度节省购买、维护风电实验设备的资金，更好地帮助学生理解复杂的风力机原理。实验平台完全开放式的源程序，也有利于提高学生关于风力机系统的设计能力与实践能力。

美国NI公司的LabVIEW DSC功能模块与MathWorks公司的Matlab/Simulink，在系统仿真、数据通信、虚拟仪器以及数据存储方面有明显的优势[1-4]。基于LabVIEW/Matlab的虚拟仿真技术可以开发出精确、美观的虚拟仿真实验平台[5-7]；通过这样的平台，不仅能够精确模拟复杂的风电系统及风力发电过程，同时能够实现高效数据通信，实时显示采集的仿真数据，并实现数据存储及历史实验数据查询功能[8-10]。

风轮原理及特性是高校新能源、电气等专业风电课程的基础内容，涉及空气动力学与发电机负载相关理论，内容较为复杂，教学难度较大。笔者设计了基于LabVIEW DSC和Matlab的风力机风轮特性实验平台，用以模拟风力机风轮的工作原理及特性，将抽象的理论公式、复杂工作环境下的风轮特性用动态画面展示出来，以直观、通俗易懂的方式帮助学生理解风力机捕获风能的物理过程。学生可以自主选择不同风况、不同负载进行风轮特性实验，并随时查看历史实验数据。

1 风力机风轮特性分析

风轮是风力机捕获风能的主要部件，风轮的特性分析主要是空载下的风轮输出转矩特性分析(只受风速变化影响)和负载下的风轮输出转矩特性分析(受风速和发电机负载的综合影响)[11]。

1.1 风况

最常见的风可分为基本风、渐变风、阵风和随机风，自然界多为这4种风及其组合形成的组合风。这4种风的运动状态可由数学式表达[12]。

(2) 渐变风的表达式为

式中，Vc是渐变风的风速，Vc max是渐变风最大值，T1是渐变风开始变化时间，T2是结束时间，T是保持时间。

(3) 阵风的表达式为

式中，Vg是阵风的风速，T1是阵风的启动时间，Tg是时间周期，阵风的最大值是Vg max。

(4) 随机风的表达式为

Vn=Vnmax·Ram(-1,1)·cos(wVt+φV)

式中，随机风的风速是Vn, 最大值是Vn max，Ram(-1,1)是-1和1中均匀分布的随机数；风速波动的平均距离是ωV，随机量是φV。

利用这4种风，可模拟多种不同特性的组合风，研究多种风况下的风轮特性。

1.2 空载下的风轮输出转矩特性

仅考虑来自风的影响，有2种风轮特性描述方法。

一种是基于空气动力学的理想风轮特性描述方法[13]，即：

式中，叶尖速比λ，风轮功率系数Cp，桨距角β，风速V，风轮半径R，风轮角速度ω，风轮输出功率P，风轮输出转矩Tw。

另一种是基于实际公式法的风轮特性描述方法[14]，即：

1.3 负载下的风轮输出转矩特性

风轮通过齿轮箱带动发电机后，来自发电机的负载转矩会对风轮输出转矩产生影响，即：

式中，风轮的输出转矩是Tw，负载转矩是TL，齿轮箱的增速比是Kgear，风轮的等效转动惯量是J。本文通过虚拟仿真对风速特性、空载/负载下的风轮输出转矩特性展开研究。

2 系统结构

系统的结构如图1所示。系统设计工具包括图形化编程软件LabVIEW和LabVIEW DSC模块、Matlab/Simulink仿真软件以及实现联合仿真的Simulation Interface Toolkit(SIT)附加工具包。LabVIEW作为测控平台，实时向Matlab仿真平台下达控制命令；Matla仿真平台根据控制命令控制风轮仿真系统的启动、停止和暂停等，并将仿真数据输出；LabVIEW测控平台实时采集仿真数据，并完成风速和风轮特性数据的显示、分析和存储。

图1 系统结构框图

3 虚拟实验平台的设计与实现

3.1 建立Matlab风力机风轮仿真模型

根据风力机风轮特性原理，在Matlab/Simulink中搭建了不同风速、不同负载工况下的风力机风轮模型(见图2(a))，其中包括：

(1) 4种单一风况及相应的组合风况：单一风况包括基本风、阵风、渐变风、随机风，组合风况包括基本风+渐变的组合风、基本风+阵风+渐变风+随机风的组合风等； (2) 3种负载情况：空载、正常负载和过大负载；

(3) 2种风轮气动特性建模方法：理论空气动力学法和实际公式法。

所建风轮模型可以模拟多种工况下的风轮特性，极大地丰富了风力机实验内容，满足了实验的需要。

Matlab风轮模型的启动和停止由LabVIEW的前面板进行控制。当Matlab风轮模型接收到来自LabVIEW测控平台的指令后开始仿真运行，同时产生大量风轮特性数据。风轮特性数据通过多个SIT Out端口和SignalProbe模块向LabVIEW传输数据，如图2(b)所示。

图2 Matlab/Simulink风力机风轮模型

3.2 LabVIEW测控平台设计

3.2.1 程序框图设计

采用Simulation Interface Toolkit(SIT)的附加软件工具包来构建LabVIEW和Matlab的联合虚拟仿真平台。由于风轮特性数据为多种特性参数的大量、高速数据流，采用LabVIEW DSC模块对采集的数据进行存储，可以实现多个监控界面之间的实时通信，实现历史实验数据的分析和查询等。

程序设计(见图3)主要包括：

(1) 登录程序设计：保证用户名和密码输入正确时才能够进入实验系统；

(2) 通信程序设计：利用SIT工具包完成通信程序设计，实时控制Matlab风轮模型，实时采集Matlab风轮特性数据；

(3) 存储程序设计：利用LabVIEW共享变量技术，设计采集数据的共享变量并实时存储至Citadel数据库；

(4) 子界面通信设计：在多个LabVIEW监控界面，利用共享变量实时传输采集的风速及风轮特性数据，用于显示和分析；

(5) 历史查询程序设计：选取所需时段和查询参数，实现对特定历史实验数据的查询和分析。

图3 LabVIEW风轮测控平台程序框图

3.2.2 前面板设计

前面板设计包括实验平台系统登录界面设计、风轮测控主界面设计、风速界面设计、风轮原理界面设计、风轮运行界面设计和历史查询界面设计。在风轮测控主界面上，使用风力机风轮结构图显示风力机、风轮特性及对应参数，并设计子界面按钮来调用其他监控界面。在风速界面，可以通过下拉选单选择风速组合类型，方便学生学习风轮及风速特性；在风轮运行界面设计了风轮利用系数原理内容，可以显示用理论公式和实际公式计算的结果；在风轮运行界面可选择显示风轮在不同风速和不同负载下的特性响应，并用不同颜色以示区分；在历史查询界面可选择某个时段下的某个参数，通过表格和图显示历史数据。

4 风轮特性实验

(1) 登录实验平台。如果输入的用户名和密码正确，即可进入实验平台系统主界面。如果输入错误，系统会弹出“用户名或密码错误”的提示。若非开发人员欲查看程序框图或编辑系统，前面板会提示输入密码，以保证系统的安全性。

(2) 风轮测控实验。通过使用“状态控制”区域的运行按钮，可以直接控制Matlab风轮模型的启/停。当在主界面上按下启动按钮，可实时显示风速、输出转矩、输出功率、叶尖速比和功率系数等多种特性参数，如图4所示。这些参数会根据风轮模型的运行实时更新，直至按下暂停或是停止按钮。

图4 LabVIEW风力机风轮测试主界面

(3) 风速实验。在基本风区域，风速始终保持不变，符合公式中基本风的变化规律。在随机风区域，可见风速在[-1 m/s,1 m/s]之间随机改变，符合随机风的定义。在组合风区域，如选择4种单一风况的组合风：参数为基本风8 m/s，随机风在[-1 m/s,1 m/s]之间变化；阵风最大值2 m/s，开始时间为1 s，时间周期为20 s；渐变风最大值2 m/s，开始时间0 s，保持时间6 s，结束时间4 s。可见组合风的变化趋势符合参数的设置情况，表明实际中风速的变化是一个较为复杂的随机过程。实验结果如图5所示。

图5 风速实验界面

(4) 风轮原理实验。根据理想的气动理论方法和实际公式法，分别计算得出叶尖速变化范围内的风轮功率因子(即风能利用系数CP)，如图6所示。可见，随着风轮叶尖速比的变化，CP实现了从零增加到最佳功率因子之后又下降的过程，两种方法的计算结果都符合实际CP变化规律。由于理论计算方法未考虑涡流、气动阻力和噪声等影响，计算结果比实际公式法计算值偏大。分析表明：实际风轮利用风能的效率一般低于40%。

(5) 风轮特性实验。分别在空载状态选择4种单一风况的组合风，在正常负载下选择阵风，在过大负载下选择基本风展开风轮特性实验。实验结果如图7所示，其中有风轮转速n、旋转角速度ω、风轮输出转矩T和风轮输出功率P曲线。可以观察到：①在组合风空载工况下，风轮的最大功率输出是1 714 N·m，转速与角速度分别增至340 r/s和34 rad/s后保持稳定；②在阵风和正常负载下，在8 s时增加负载转矩从零到10 N·m，可见输出转矩T与输出功率P随之增大，而转速n与角速度ω随之递减；③风轮在基本风且

图6 风轮原理实验界面

过大负载下，在1.2 s增加负载，转矩从零增至79.4N·m，可见输出转矩与输出功率随之增大，而转速与角速度随之递减，可是在10 s时，转速、角速度、输出转矩均逐渐下降为零，表明超出风轮承受的最大负载以至于风轮停止。

图7 风轮特性实验界面

(6) 历史实验数据查询。选择需要查询的时间区域，并在共享变量下选择待查询的参数。在输出的表格中可以观察到所选时间段内的所有历史数据、数据曲线和生成数据的时间。通过滑动游标可以方便地观察到历史曲线上对应的数据以及与数据对应的时间。

5 结语

利用基于LabVIEW DSC模块和仿真工具Matlab的风力机风轮实验平台可自主选择风轮的工况进行实验，直观、动态地学习和观察风力机结构、风轮原理和风轮负载特性曲线，并可随时查看历史实验数据，大大提高了学生对于复杂风轮捕获风能的物理过程的理解，节省了购置风电实验设备的资金，为学生创造了不受时间和空间限制的实验环境。

References)

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[2] 谢斌,张超,孙红霞,等.基于LabVIEW电动车辆双电机控制教学实验平台[J].实验室研究与探索,2015,34(4):78-82.

[3] 康守强,王玉静,李琬璐,等.基于LabVIEW的混沌保密通信实验平台设计与实现[J].实验技术与管理,2016,33(12):63-66.

[4] 刘政,赵振华.应用型自动化类专业Matlab实验教学应用研究[J].教育教学论坛,2015(22):227-228.

[5] 张秀玲,李海滨,刘志新.基于“教学学术”理念的倒立摆控制系统设计[J].教学研究,2015(5):35-39.

[6] 郝雯娟,张祺.教学用风力发电系统虚拟实验台的设计与实现[J].实验技术与管理,2016,33(2):97-99.

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[10] 靳畅,周鋐.MATLAB与LabVIEW联合编程在声品质教学实验中的应用[J].实验室科学,2016,19(1):39-42.

[11] 陈清丽.风力发电机组风轮建模及运行特性研究[D].北京：华北电力大学,2007.

[12] 万杰.风电场风速特性及不确定性模型研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2016.

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[14] 王旭东,王立存,夏洪均.风力机叶片动力学响应的数值模拟研究[J].现代制造工程,2016(2):103-107.

Design and realization of experimental platform of wind turbine wheel performance based on LabVIEW DSC/Matlab

Li Nailu, Yang Hua, Zhu Weijun, Jiang Wei, Zhang Jiyong

(School of Hydraulic and Energy Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In order to apply the theory of the wind turbine wheel to the experimental teaching of the wind and power courses, an experimental platform with wind turbine wheel characteristics is designed on the basis of the LabVIEW DSC module and the Matlab/Simulink. This platform includes the wind wheel model simulation, the data acquisition and storage, the wind wheel principle analysis, the wind speed and wind wheel characteristic experiment and the historical experimental data inquiry. This virtual experimental platform can select a variety of wind conditions and a variety of load conditions to simulate the operational performance of the actual wind wheel, which has obvious advantages in the promotion of students’ subjective initiative, the economy of the experimental platform, and the openness of the experimental time and space.

wind turbine wheel; experimental platform; LabVIEW; Matlab

TK83；G642

A

1002-4956(2017)10-0102-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.026

2017-04-01

国家自然科学基金项目(11672261)；教育部留学回国人员科研启动基金项目(教外司留[2015]1098号)；扬州大学教学改革项目(YZUJX2016-16B，YZUJX2015-28B)；扬州市-扬州大学科技合作资金计划项目(YZ2016262)，扬州大学科技创新培育基金项目(2016CXJ044)

李迺璐(1985—)，女，江苏扬州，博士，校内副教授，硕士生导师，主要研究方向为风力机叶片动力学与控制.

E-mail：nellylee85101@163.com