风力机运行特性的仿真与实验研究

风力机运行特性的仿真与实验研究

0风机特性和控制方法的确定众所周知，风力作为清洁能源受到了越来越多国家的重视。它的研究、开发利用,也成为各国学者研究的热点。在不具备风场环境的实验室研究风力发电技术时,如何模拟出风机的实际工作特性也就成为重要的一步。本文在分析实际风力机特性后认为,可以采用经过特性改造和控制的直流电动机来模拟实际风机的输出特性。通过理论分析给出了控制规律,计算机仿真及实验结果验证了控制方案的可行性。构建的实用风力机模拟系统为实验室条件下研究风力发电技术提供了一条更接近现场实际可行途径。1风力机系统的最大功率曲线由空气动力学特性可知,通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用,可以定义出一个风能利用系数Cp:Cp=E/Ein=Pm/Pw(1)Cp=E/Ein=Ρm/Ρw(1)式中:E——t时间内叶轮吸收的风能;Ein——t时间内通过叶轮旋转面的全部风能;Pm——单位时间内叶轮吸收且转换的机械能,即风力机的机械输出功率;Pw——单位时间内通过叶轮扫掠面的风能,即风力机的输入功率。系数Cp反映了风力机吸收利用风能的效率,是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。为了在不考虑叶轮转速和直径的条件下对叶轮性能作更普遍的讨论,还可定义出风力机的另一个重要参数叶尖速比λ,即叶轮的叶尖线速度与风速之比:λ=RΩ/V=R2πn/(60V)(2)λ=RΩ/V=R2πn/(60V)(2)式中:R——叶轮的半径;Ω——叶轮旋转的角速度;n——叶轮的转速;V——风速。风力机的风能利用系数,即叶轮将风能转变为机械能的效率与叶尖速比密切相关。风能利用系数Cp只有在叶尖速比λ为某一定值λm时才达最大。如内蒙古动力机厂生产的FD7-5K型风力发电机:额定功率5kW,起动风速4m/s,额定风速9m/s,风轮直径7m,风轮额定转速223rpm,齿轮箱增速比7.846。其风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图1所示。风力机的输出机械功率为:Pm=12ρSV3Cp=π8ρD2V3Cp(3)Ρm=12ρSV3Cp=π8ρD2V3Cp(3)式中:ρ——空气密度,1.25kg/m3;S——叶轮的扫掠面积;D——叶轮的直径。风能利用系数Cp不是一个常数,它随着风速、风力机转速以及风力机叶片参数(如攻角、桨距角等)变化。我们可以取几个不同的风速,从图1中查出叶轮不同转速时所对应的风能利用系数,并将该风机的额定参数代入上式,即可算出该风力机对应于不同风速下输出机械功率,其曲线如图2所示。可以看出,不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化。但对于每一风速总存在一个最大输出功率点,与图1中λ=λm、Cp=Cpmax点相对应。风力机的叶片有定桨距和变桨距两种型式。对于定桨距的风力机,除了采用可控制的变速运行外,一般在额定风速以下恒速运行时,Cp常常会偏离其最佳值,使输出功率有所降低;超过额定风速后,则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。对于变桨距的风力机,通过调节桨距可使Cp在额定风速以下最大限度地接近最佳值,从而捕获到最大的风能以得到较多的能量输出;超过额定风速后,通过改变桨距减小Cp值,使输出功率保持在其额定值上。所以为获得最大的风能利用,实际运行时最好通过调节桨距来保证风机运行在最大功率曲线(图2中的虚线)上。实际风电系统中,风力机经齿轮箱升速后接至发电机,实验室模拟时则是由直流电动机直接与发电机相联,如何采用直流电动机特性模拟风力机经齿轮箱升速后的最大功率曲线是需要解决的技术核心。根据文献中给的齿轮箱增速比为7.846,直流电动机模拟风力机时应将图2中横坐标乘以该增速比求得应模拟的函数关系,如图6中虚线所示。2最大功率曲线的计算直流电动机输出机械功率可写为:Pm=TeΩ=CmΦia2πn60=CeΦnU−ERa=CeΦnU−CeΦnRa(4)Ρm=ΤeΩ=CmΦia2πn60=CeΦnU-ERa=CeΦnU-CeΦnRa(4)从式(4)中可见,若磁通Φ不变(保持励电流不变),则CeΦ、Ra均为常数,只要确定一组Pm、n,就可决定出所需的直流机电枢电压U,通过改变不同的U即可运行在最大功率曲线的任一Pm、n点上,从而模拟出最大风能捕获运行状态下的最大功率曲线。这种模拟的正确性可通过计算机仿真及实验研究来验证。直流电动机的动态特性可用以下方程来描述:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪E=KEΩTe=KTiaKE=KT=CeΦ2π60=CmΦTe=TL+JdΩdtTL=Pm/ΩU=Raia+Ladiadt+KEΩ(5){E=ΚEΩΤe=ΚΤiaΚE=ΚΤ=CeΦ2π60=CmΦΤe=ΤL+JdΩdtΤL=Ρm/ΩU=Raia+Ladiadt+ΚEΩ(5)La为电枢绕组电感,可由下式估算:La=1.91C0UN2pnNIN(6)La=1.91C0UΝ2pnΝΙΝ(6)其中C0取法:有补偿绕组0.1;无补偿绕组0.4。综上可整理出采用微分方程形式表达的直流电动机动态模型;[J00La][dΩdtdiadt]=[0−KEKT−Ra][Ωia]+[−1001][TLU](7)[J00La][dΩdtdiadt]=[0ΚΤ-ΚE-Ra][Ωia]+[-1001][ΤLU](7)限于实验条件,选用一台现有的4kW直流电动机(参数见附录)来模拟5kW的FD7-5K型风力机特性,此时应将5kW风力机特性折算成4kW特性来研究。折算后待要验证点的Pm、n及相应的U如下表所示。仿真所得的转速、功率曲线如图3、4所示。图4功率曲线中的冲击系转速、供电电压跃变引起的电流过渡过程。仿真结果验证了表1的数据关系,这组数据点也标示于图6中。3试验系统和实验数据根据以上分析所得直流电动机Pm、n和电枢电压U之间对应关系,可以构建一个如图6所示的晶闸管—直流电动机调速系统以模拟风力机特性。采用移相控制整流桥输出直流平均电压,实现直流电动机的调压调速。直流电机风力机模拟系统采用51系列八位单片机8031作为控制核心,通过串行口从上位机接受整流触发角α指令信号,经过相应定时器定时,由P0口发出6路触发脉冲,经隔离功放电路送至整流桥的对应6个晶闸管门极,实现相控调压,改变直流电动机的电枢电压,进而调节电机的转速和输出机械功率,模拟了风力机的输出特性,用于变速恒频风力发电技术研究。模拟系统结构框图如图5所示,其中发电机采用双PWM变频器实现交流励磁变速恒频发电运行方式。所用模拟风机系统实验后得到的数据点如表2所示。由于直流电动机的轴功率Pm不容易测得,采用直流电机输入功率P1乘以估计效率η=0.9的方法。实验数据点示于图6中。从仿真和实验结果得出,通过改变电枢绕组的供电电压并配合发电机输出功率的控制,完全可以使电机稳定运行在所需风机特性曲线的任一点上,验证了以上理论分析的正确性。4大功率特性的原理本文分析了采用直流电机输出特性来模拟风力机的最大输出功率特性的原理,同时通过仿真及实验验证了它的可行性,并给出了该系统的具体硬件实验,为实验室中研究风力发电原动