风力机模拟实验平台的研究

王 琼，周国平

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏 南京 210013)

风力机模拟实验平台的研究

王 琼，周国平

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏 南京 210013)

风力发电设备体积巨大，对环境要求苛刻，再加上自然风具有随机性、不可重复性，使得对风力机特性的研究尤为困难。针对这些情况，建立风力机模拟实验平台就显得尤为必要。结合理论，提出风力机模拟的设计方案，运用MATLAB软件对设计方案进行仿真，论证了该设计的可行性。搭建了风力机模拟实验平台，该实验平台由PC机界面和微控制器系统组成，PC机界面采用组合风速模型对自然风速进行模拟，微控制器系统实现了不同风速下转速闭环控制以及转矩闭环控制。通过实验得出风力机气动转矩的实验值与理论值相对误差小于0.02，验证了该实验平台对风力机特性的模拟符合理论变化趋势。

风速模型；风力机；MATLAB；模拟实验平台

将绿色风能转化成生产生活所需的电能，可有效解决能源危机和环境污染这两大难题[1]。因此，近年来风力发电一直是人们研究的热点。研究风力发电系统的整体性能，最理想的方法是在实际风场中，运用实际风力发电机组进行相关试验[2]。然而风速在真实自然环境下，是随机的、突发的、瞬时的，不可重复也难以控制；其次，风力发电设备体积庞大，需要足够大的空间；再加上风力发电对环境要求较为苛刻。这些给研究人员对真实的风力发电系统的测试和实验带来了诸多困扰。风力机模拟实验平台克服了以上缺点，实现了模拟真实风力机的特性，为风力发电的实验教学，风力发电的人才培养提供了有利条件。

1 风力机特性

气流的质量m，单位时间内风力机叶片扫掠面积A，风速v，空气密度ρ，叶片半径Rw，叶尖速比λ，则单位时间内风力机的输入功率[3]：

.

(1)

风能利用系数Cp，是输出功率Po与输入功率Pi之比[3]。

风力发电机转矩系数[3-4]：

CT=CP/λ

(2)

风轮的输出转矩To的表达式为[5-6]：

.

(3)

由此可以看出，风速和风力机转矩是风力机的重要性能指标，也是实现风力机特性准确模拟的必要控制量。

2 风力机模拟

2.1 风力机模拟系统简述

风力机模拟系统分为两大部分： PC机界面、微控制器系统。

PC机界面采用由基本风、阵风、渐变风、噪声风构成的组合风速模型模拟自然风。通过程序语言可以任意组合四种风型，还可以改变四种风型的参数，获得不同的风型风速。PC机界面还可以在图形窗口中将风型的图像展示出来，给用户直观的视觉。图1给出了PC机界面中某种组合风速风型图。横坐标为时间轴，单位为s，纵坐标为风速,单位为m/s。

微控制器根据上位机发出的数据，产生命令控制变频装置，对原动机进行驱动。微控制器通过速度传感器获得原动机的转动速度，该速度与给定速度经过PI运算作为变频装置的新的控制量，从而形成速度闭环；原动机与直流发电机同轴相连，微控制器与电压传感器、电流传感器、驱动电路、IGBT板、负载构成转矩的闭环控制，实现负载功率匹配。整个微控制器系统通过转速闭环控制和转矩闭环控制，完成了风力机特性的模拟。风力机模拟系统示意图如图2所示。

图1 PC机界面某种风速风型图

图2 风力机模拟系统示意图

2.2 风力机模拟的主要步骤

模拟系统中，风力机特性的模拟步骤如下：

1) 在PC机界面中，首先选择风型种类，改变风型的系数和持续时间，在图形窗口中绘出风速图像；同时计算出实时风速与风力机的转矩；

2) 微控制器根据所接到的风速和风力机转矩，计算出此时的叶尖速比；

3) 风力机在额定风速以下运行，根据公式能够计算出风能利用系数CP、风力发电机转矩系数CT、风轮的输出转矩To；

4) 基于异步电机的转速与频率关系，微控制器将转速ω转换成频率后写入变频装置驱动原动机转动；

5) 微控制器通过速度传感器获取电机的实际转速ω1，设定转速ω与实际转速ω1经PI运算后产生的值作为变频装置的控制量，从而实现闭环控制转速；

3 风力机模拟系统的MATLAB仿真

为了验证风力机模拟系统的合理性和正确性，采用功能强大的MATLAB软件对其进行仿真。该仿真系统由风机模型子系统、异步电机子系统、直流发电机子系统、PWM驱动子系统、IGBT子系统等构成。其中，直流发电机的额定功率为400 W，额定电流为2 A，额定转速为1 450 rpm；异步电动机的额定功率为500 W，额定转速为1 450 rpm，额定电流为2.3 A；风力机的额定功率为500 W，风机半径设定为0.8 m，齿轮箱变比设为1∶1.8。

在多个风速下，比较了风力机仿真特性曲线与理论特性曲线，相对误差小于0.01，仿真系统的风力机特性曲线符合理论特性变化趋势，由此可见该风力机模拟设计方案的合理性和正确性。

4 风力机模拟实验平台的搭建及结果分析

PC机、微控制器、工业变频器、交流电动机、速度传感器、直流发电机、IGBT、负载、电流/电压传感器检测电路等共同构成了风力机模拟实验平台。实物图如图3所示。

图3 风力机模拟实验平台实物图

6 m/s风速下的风力机模拟的理论数据点和实验稳态数据点如表1所示。

选取多个风速下风力机模拟实验平台的实验稳态数据点与理论数据点进行分析比较，得出风力机气动转矩的实验数据与理论数据的相对误差小于0.02。实验得出的数据曲线呈现出的变化符合理论曲线的变化趋势，说明了风力机实验模拟平台的有效性。

表1 6 m/s风速下稳态特性点

5 结束语

本文针对真实风场中风力发电研究的不便，设计了上位机界面与微控制器系统相结合的风力机特性模拟实验平台。上位机界面的风速模拟为风力机特性的研究提供可控制，可多次重复的风速。在风速模拟的基础上，以微控制器及其外围电路、交-直流电机系统、负载为核心的微控制器系统将软件与硬件相结合，实现了转矩、转速的闭环控制，达到了模拟风力机的转矩与转速的效果，为风力机特性的研究提供一种方案。

[1] 曹新.中国新能源发展战略问题研究[J].经济研究参考,2011(52):1-20.

[2] 顾为东.中国风电产业发展新战略与风电非并网理论[M].北京:化学工业出版社,2006：52-53.

[3] 岳一松.风场与风力机模拟系统的设计与实现[C].上海:上海交通大学,2008-7-1(1).

[4] Diop A D,Nichita C, Belhache J J, et al. Modeling Variable Pitch HAWT Chracteristics for a Real Time Wind Turbine Simulator [J]. Wind Engineering,1999，23(4):225-243.

[5] 贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出社,2006.

[6] 倪受元.风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性[J].太阳能,2000,3:12-16.

ResearchonExperimentalPlatformofWindTurbineSimulator

Wang Qiong , Zhou Guoping

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,JiangsuNo.2NormalCollege,NanjingJiangsu210013,China)

Wind generation, which has vast volume, is critical for the environment. Natural wind is random and unrepeatable. All these disadvantages make it difficult to research the characteristics of wind turbine. Based on the theories, a scheme of experimental platform is put forward. It is simulated by MATLAB software, then turn out to be feasible. The experimental platform is composed of PC interface and microcontroller system. PC interface adopts combined model of wind speed to simulate natural wind, microcontroller system achieves the closed-loop control of speed and torque. With analyzing the steady-state data of this trial platform, it can conclude that the relative error between the experimental data and theoretical data of wind turbine torque is less than 0.02, which validates that the characteristics of this platform are in accordance with the trend of theoretical change.

combined model of wind speed; wind turbine; MATLAB; simulation platform

2017-11-12

王 琼(1988- )，女，助教，硕士，主要研究方向为计算机测控技术及仪器。

1674- 4578(2017)06- 0091- 03

TM614;TM315

A