直流电机对风力机特性的模拟

虽然在风力发电现场进行实验研究可以得到直接准确的实验结果，但是由于现场环境恶劣、实验空间狭小、进行实验的过程很难实现。这样一来，不仅需要增加研究经费和研究时间，并且要消耗大量的人力和物力。所以，就需要一种模拟风力机系统来解决此问题。因此构造风力机的模拟实验平台就成为在实验室研究风力发电系统的关键，它将对推动我国风力发电事业的开展有着重要意义。本文首先介绍了风能资源的开发利用以及风力发电系统的调节控制技术，分析了风力机运行特性和风力发电机组实现最大风能捕获的原理，给出了直流电机模拟风力机输出特性的控制策略。讨论了各种工况下的风力机的运行状态，通过仿真及实验验证了利用直流电动机模拟风力机特性的可行性，设计了一套由交流变换器开关管控制脉冲，对直流电动机进行调压调速来实现对风力机运行特性进行模拟的系统，并设计了由DSP控制电动机进行风力机特性模拟的程序及其相关的控的具体实现。实验结果说明在不同的风速模型下，风力机都能够遵循最大风能捕获的机理运行，而且能够很快运进入的稳定运行状态，得到了良好的控制效果。在实验室条件下提供了一种可行的模拟风力机运行特性的实用方法。ABSTRACTDoingtheexperimentatthefieldofwindpowergeneration,whichcouldobtaintheexactandaccurateresultsdirectly,butduetothebadconditions,thenarrowexperiment’sspace,theprocessofexperimentcanbedifficulttoachieve.Asaresult,notonlyneedtoincreaseresearchfundingandresearchtime,andconsumesalotofmanpowerandmaterialresources.So,weneedawindmachinesimulationsystemtosolvetheproblem.Therefore,constructingtheexperimentalplatformofwindturbinesimulator,whichisthekeyofresearchingthewindpowergenerationsystem,meansgreatsignificancetousindrivingourwindpowergenerationcontinuouslyexpanding.Firstly,thisarticleintroducesthedevelopmentandutilizationofwindenergyresourcesandtheadjustmentofthewindpowersystemcontroltechnology,analyzesthecharacteristicsofwindturbineoperationandwindgeneratingsettheprincipleofmaximumwindenergycapture,dcmotorisgivensimulationofthewindturbineoutputcharacteristiccontrolstrategy.DiscussedthestatusofthewindturbineundervariousworkingconditionsisverifiedbysimulationandexperimentofDCmotorsimulationthefeasibilityofthewindturbinecharacteristics,designasetofcommunicationpowersupply,thesingle-phaseuncontrollablerectifiermodules,rectifier,filter,usingDSPtocontrolDC-DCbuckconverterswitchtubetocontrolpulse,pressureregulatingofDCmotorspeedcontroltoimplementthesimulationonwindturbineoperationcharacteristicsofsystem,anddesignedawindmachinesimulationfeaturesbyDSPmotorcontrolprogramanditsassociatedcontrolcircuit,DSPintegrateddevelopmentenvironmentCCSisintroducedtogeneratePWMwave,andtheconcreteimplementationofuppermachinesoftware.Theexperimentalresultsshowthatunderthedifferentwindspeedmodel,themechanismofwindturbineisabletofollowthemaximumwindenergycaptureoperation,andabletobequicklytransportedintothestateofstableoperation,obtainedthegoodcontroleffect.Undertheconditionoflaboratoryprovidesafeasiblesimulationpracticalmethodofwindturbineoperationcharacteristics.Keywords:windmachinesimulation,DSP,dcmotor,theMATLABsimulation目录TOC\o"1-3"\h\u2567 I32034ABSTRACT II11007第1章 18713 114459 118986 232508 3102621.3风力发电模拟系统技术现状 41669 53251 5188521.4.2研究内容 618576第2章直流电动机模拟风力机特性的原理及方法 8322582.1风能的贝兹理论[11] 83259 10169802.3风力机的最大风能捕获原理与控制策略 1228527 1725817第3章风速的数学模型 2069383.1概述 20202143.2风速的四种分量模型 2088283.3风速模型仿真 2217536第4章风力机模拟器的仿真研究 2728124.1MATLAB软件简介 27263354.1.1MATLAB软件的典型特点 27262114.1.2Simulink的根底应用 2727544.2平波电抗器 30244684.3风力机选择 31233594.4直流机的控制 31312414.4.1根本控制思想 3110175 35527 39952 4423583致谢 4519764参考文献 46第1章 伴随着世界经济的高速开展，人们对能源的需求也在不断扩大，能源的消耗已经渗透到我们生活的每个角落，在社会、经济和人民生活等各方面能源都发挥着举足轻重的作用。世界能源的开展一直遵循着高效、清洁的轨迹前进。由于目前环境问题的突出表达，各国已经开始注意到不可再生能源正在逐步耗竭。于是，开发绿色环保的新能源逐渐成为社会各界关注的焦点。新能源是到目前尚未被人类大规模利用，还有待进一步研究试验与开发利用的能源，例如太阳能、风能、地热能、海洋能及核聚变能等。风能作为一种清洁的可再生能源，从70年代中期开始受到世界各国的重视，由于风力发电比其他可再生能源〔水能除外〕发电在经济上更具有竞争优势，因而开展迅速。近年来，风能已成为世界上开展最迅速的绿色能源之一，被称为“未来的能源〞。与传统能源如煤、石油和原子能不同，风能既不会污染环境，也不会枯竭，是一种便捷有效、兼顾能量增容和环保要求的新能源。自从七十年代以来，各国政府和国际组织都投入了大量的资金用于新能源和可再生能源的开发和利用，努力建设一条环境、资源、人口与经济开展相协调的、可持续开展的道路。世界上许多国家出台了一系列相关的扶持政策。如美国克林顿政府推出的“百万屋顶方案〞，荷兰政府1998年在一项新的电力法令中引进的“绿色证书方案〞，日本上世纪90年代提出的“阳光方案〞等等。近年来，我国提出的“中国光明工程＂和“乘风方案＂，目的就是为加快中国风力发电开展步伐，中国在几年前制定了到2021年的风力发电开展远景规划目标，并在2005年2月28日全国人大常委会表决通过了?可再生能源法?，从法律政策方面保障了风力发电投资者的利益，为鼓励风力发电的开展迈出了坚实的一步[1]。同时，为使北京2021年奥运会成为绿色奥运，北京市在2021年奥运会场馆的电力供给中，20%的电力供给是来自于风能发电。无论从经济效益还是社会效益上看，风电开展的效果都是巨大的。因此，世界上许多国家把开展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施，纳入国家开展规划，日益受到世界各国的重视。随着风电技术的不断开展，风力发电机组的结构也在不断成熟，并逐渐形成的开展主要表现在以下四个方面：(1)单机容量不断上升。德国2003年上半年安装的风机平均额定功率为1558.54kW，单机容量为5Mw的风机已经进入商业化运行阶段。到2002年底，世界总装机容量为32037MW,而欧洲占全世界的74.4%，为23832MW[2]。到2021年全世界总装机容量超过140000MW，预计到2021年全世界风力发电量将占全世界总发电量的10%[3]。无齿轮箱系统的直接驱动方式增多。去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计〔1〕从陆地向海面拓展。海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势。目前只有少数国家建立了海上风电场，但从2006年开始，欧洲已大规模地建立海上风力场。节技术将得到更多的应用：在发电机类型上，控制灵活的双馈型异步发电机和设计简单的永磁发电机奖成为风力发电的新宠；在励磁电源上，随着电力电子技术轮箱系统的直接驱动技术将更加吸引人们的注意。风电还具有较大的外部效益，首先风能的利用替代了传统的化石能源，减少了化石能源的枯竭危机，其次风能转换过程中，温室气体和有害物质的排放根本为零，保护了人类赖以生存的生态环境。正是由于具有正的外部性，风电的市场价格低于其真正的社会本钱，在市场机制下，资源不能有效配置，风电的开发利用受到阻碍，因此政府对产业的积极扶持政策对风电的开展至关重要。年份 新增装机容量/MW增长率%累计增长容量/MW增长率%1997156876361998251761.521015332.961999377950.141393237.222000451719.531844932.422001647843.412492735.11200271109.763203728.522003826416.234030125.79平均增长率33.4332表1-1世界各国风电累计装机容量比照年间的风力发电增长率超过30%，而煤电、水电、核电等常规能源的增长率缺乏我国从20世纪70年代开始进行了大量的风能资源调查工作，据国家气象局调查说明，我国陆地上的可开发的风力资源在2.53亿k以上，沿海水深为2～15m虽然我国风能资源十分丰富，但是具备规模开发利用的地区主要几种在新疆、甘肃，河北，东北等地区。中国风力等新能源发电行业的开展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速开展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电本钱有望再降。因此，风电领域逐渐成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为1.3风力发电模拟系统技术现状风力发电模拟系统的关键问题是要解决如何对风力机进行有效的模拟，因此，于实现、并且具有良好的动静态特性等优点，由于风力机的风能利用系数是风力机出厂时就固定的，所以风力机特性模拟系统的功率曲线都是事先给定的，发电机组的机械功率和输出转矩是随着发电机转速和风速的变化而变化。因此在模拟风力机输出特性的时候就需要对电机转矩进行适当的控制。所以现阶段的模拟方案大多是基于直流电动机的控制方案，在风力发电试验系统中广泛用做原动机来模拟风力机的输出功率和输出转矩运行特性。因此，本文选用直流电动机模拟风力机特性的实验平台。模拟系统中利用直流电动机来模拟风力机，拖动测功机运行。调压器经过不可控整流把交流电转换为直流电，在通过直流斩波装置来对直流电动机进行调速。〔2〕与交流电动机相比，直流电动机仍然存在一些缺点，如结构制造工艺复杂、体积大、价格高等。因此在风力发电模拟系统中，也有采用交流电动机来模拟风力机的。但是利用交流电动机来模拟风力机的实验系统复杂，控制实现也较复杂，所以在风力发电模拟系统中，应用异步电动机模拟风力机特性较少。究中，利用两组双馈发电机组进行对拖来进行实验研究。图中第一组双馈发电机作为模拟系统的原动机做电动运行，拖动第二组双馈发电机组来进行并网发电。采用两组双馈发电机组对拖的试验系统，试验设备需要较多，研究经费较大，所以在实验室中一般都不采用这种方法。但在风力发电系统变流器生产厂商中较为流行。在风力发电系统中，要对风力发电技术进行研究试验，最理想的方法就是在风力发电现场把风力机与发电机直接相连进行试验。但这样做所需的研究经费比拟多，对实验的环境要求较高，在实验室条件下很不现实。对于小型的风力机发电系统，可以采用一个大的风扇吹动小型风力机从而拖动发电机工作在发电状态，进行相关的研究工作。这种方法对于大功率的风电系统就显得很不现实。因为大型的风力发电系统设备造价昂贵，还需要对风场进行选址，并且由于风力发电系统设备体积庞大，所以运输与安装都不方便，因此对于不具备风场环境的实验室，模拟出风力机的实际工作特性就成为重要研究风力发电系统的关键一步。使用模拟风力发电系统进行实验，可以随意设定不同的风速模型，而且可以利用同一个系统，模拟出不同风力机的工作特性，因此简化了风电技术的研究过程，节省了研究经费等。所以说对于在实验室研究、探讨风力发电模拟系统的控制原理、模拟系统的构成以及构造风力发电试验平台具有重要的现实意义。这样就解决了在实验室里进行风力机发电技术研究的问题。1.4.2研究内容风力机特性主要表现为风力机输出机械功率或者转矩与不同风速、风力机转速的关系，进行风力机特性模拟，就是使进行模拟的系统输出机械功率和转速与设定的风速满足风力的输出特性。可以利用电动机模拟风力机的机械特性，进行对风力发电的研究。当对异步电动机采用调压调速进行调速时，调速线性度不好且调速范围窄，而采用变频调速那么控制复杂，较难实现。与交流电动机相比，直流电动机调速系统的线性度较高，调速范围较宽，控制简单，易于实现。在他励直流电动机中，当电动机的磁通保持不变时，其转速和电动机的电枢电压为线性关系。这样对于联接不同负载的直流电动机，只要保持磁通大小，调节电动机的电枢电压就能得到不同的转速和输出机械功率。因此在实验室条件下，利用直流电动机来模拟风本文研究的内容是风力机特性的模拟。进行的研究工作主要有以下几个方面：1〕本文首先对模拟风力发电系统进行了介绍，分析了当前几种较为常见的风力发电系统，在此根底上对风力机的工作原理进行了分析，以及对最大风能捕获的原理和风力机运行时的功率和转矩的特性分析，确定模拟风力发电机组的根本控制策略，模拟方案和实施方法与步骤。2〕建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用仿真结果确定根本的PI控制参数等，并证明所设计的风力机模拟系统方案是否可以可行。所设计的电机控制系统能使直流电机模拟系统运行在风力机特性曲线的任一点上。直流电动机模拟风力机特性的原理及方法风力机作为风力发电机组中重要的组成局部，风力机承当将空气动能转化为机械能的任务，既然要研究风电技术，那么最理想的实验方法就是在风场中直接对风力机与发电机进行实验，但是由于风电场的环境往往很恶劣，而且风力发电设备都很庞大，安装与卸载都很不方便，因此，在风场中直接进行实验很不现实。于是，人们设计出风力机模拟系统来代替实际的风力机做实验。本章介绍了当前风力机模拟的原理和以及本课题中利用MATLAB/Simulink仿真的原理和结果。2.1风能的贝兹理论[11]风能作为一种稳定性较差的新能源，风力机承当的作用就是将风的动能转化为机械能的装置，但是由于通过风力机后的风速不可能变为零，所以说风力机不可能把所有流经它的动能全部转化为机械能，也就是说只有一局部风的能量被吸收，成为桨叶的机械能。为了研究方便，人们在研究风能的时候定义了一个风能利用系数。Cp=E/Ein=Pm/Pw(2-1)式中：E-tPm-t单位时间内叶轮吸收并且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；Pw-t单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。为讨论这个问题，贝兹假设了一种理想的风轮，即假定风力是一个平面桨盘流是均匀的；气流速度的方向在通过风轮前后都是与风轮轴线平行的。设Ｅ为被风力机吸收的风能，也就是气流通过风轮机后，使风轮旋转的能量，这局部能量可以用作用在风力机叶片上的作用力与风力叶片截面处的风速的乘积来表示：E=Fv(2-2)公式中F为风能作用在风力机的作用力，v是风速：根据物理学的动量守恒可以得出：E=(mv12-mv22)/2式中m=ρSv,ρ是空气密度，S为风轮截面面积，v1为风轮进入风轮机页面前的E=(mv12-mv22)/2=ρSv(v12-v22)/2(2-3)ρS(v12-v22)/2(2-4)根据流体动量原理，气流作用在风轮机上的作用力等于单位时间内通过风轮机叶面的气流量的变化量：F=mv1-mv2=ρS(v12-v22)(2-5)由式〔2-4〕和〔2-5〕可以得出：v=(v1+v2)/2(2-3)E=ρS(v1+v2)(v12-v22)/4(2-6)v1ρ,S式(2-6)上式就是贝兹推导出的理论上的风利用系数的极限值。贝兹所计算出的风能利用系数是在外界条件理想的情况下得到的，但是实际中，风力机的阻力，风力机的能量损耗等等都是不可防止的、也是必须考虑的，所以一般水平轴的风力风力发电机组包括作为原动力的风力机和转换能量用的发电机，风力机的作用就是把风能转化为机械能，发电机的作用是把机械能转化为电能，因此，作为原动力转换装置的风力机的效率在很大程度上就决定了整个发电机组的效率。风力机的效率的大小，由风力机是否运行于最正确状态所决定，如果风力机运行于超载或者负载状态，它的效率就会降低。所以说风力机的运行状态就决定了整个发电机组的功率。由空气动力学特性可以知道，风力机的输出功率为：Pm=0.5ρπCp(λ)V3R2(2-10)公式中各个符号的意义为：ρ—空气密度，为1.25kg/m3；Cp—风力机风能利用系数；R—风力机叶片半径；V—进入风力机扫掠面之前的风速。风能利用系数作为一个与风速、叶片半径、转速都有关系的物理量，是表征风力机效率的重要参数，但是风能利用系数是由风力机本身的特性所决定的。为了讨论具有普遍意义风力机特性，人们又定义了一个风力机的重要参数，叶尖速比λ，即风力机的叶片叶尖的线速度和风速的比值：λ=Rω/v=R2πn/60v=Rπn/30v(2-11)ω与风力机将风能转化为机械能的效率密切相关的是叶尖速比。叶尖速比λ只有在到达一定值时，风能利用系数Cp才能到达最大值。风力机可以分为变桨距和定桨距两类。变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距角控制外，还须通过控制发电机输出功率来调节整个风力发电机组的转速，使之在一定范围内能够快速响应风速的变化，使风力机的叶尖速比到达最正确，以捕获最大的风能。变桨距风力机的风能利用系数Cp。是叶尖比λ和桨叶节距角β的函数。如果保持桨叶节距角β不变，变桨距风力机也就变成定桨距风力机，由于定桨距风力机具有的特性是变桨距风力机的根本情况，因此具有普遍意义，可以作为讨论追踪最大风能的依据，因此，本文把定桨距风力机及其特性作为研究的重点。由于桨叶距角被固定下来，所以，风能利用系数就变成只与叶尖速比有关的函数，那么风能利用系数就可以用一条曲线来表示。在设定一个固定的风速后，按照转速的不同就可以得到不同的叶尖比，然后图2-1风力机风能利用系数与叶尖速比关系曲图2-2不同风速下电机输出功率是随着风力机转速的变化而变化的，从图中可以看出对于不同的风速，风力机的的输出功率都有一个最大值，假设把不同风速下的最大功率值点连接起来，就形成了风力机的最大功率曲线，也叫做风力机的最正确功率曲线。无论风速怎么变化，都希望风力机可以始终运行在最正确功率曲线上，这样风机理就可以保持输出的功率最大。2.3风力机的最大风能捕获原理与控制策略作为定桨距风力机的开展和改良，变桨距风力机的根本特性也是定桨距风力机的特性。所以定桨距风力机的运行特性可以作为追踪最大风能的依据，具有代表意义。风力发电的一个重要的目的就是在保证机组运行可靠。本钱适当的前提下，希望可以最大限度的利用风能，以获得尽可能多的发电量，到达良好的经济效益。，这就要提高机组的运行效率。变速恒频风力发电机组的运行可以划分为三个区域[13]，如表2-1所示。风机运行特点Cp恒定区当风速到达风力机的起动风速后，风力机的转速由零逐渐增大，直至到达发电机可以切入电网的转速，发电机组开始运行，并向电网输送电能。通过控制发电机的转速可以使Cp上升，最后当Cp=Cpmax时，风力机进入Cp恒定区，此时发电机组运行在最正确状态。这段区域主要是调节发电机的阻力矩〔有功功率给定值〕，让转速随着风速而变化，使λ=λmax,实现最大风能捕获。转速恒定区由于发电机组有允许的最大转速限制，所以，当风速逐渐增大时，机组的转速不可能无限增大，最终会到达发电机组允许的最大转速。维持这一转速不变，随着风速的增大，Cp值减小，机组的功率在增大。功率恒定区机械系统都要受到本身特性的限制，风力发电机组主要受功率限制和转速限制。随着风速增加和风力机功率的增大。发电机最终到达功率极限。如果风速继续增大，发电机的转速必须下降，使Cp迅速降低，从而维持该功率不变。使它们维持在风力发电机组的机械和电气极限要求的转速和输出功率限定值以下。在风能最大捕获的Cp恒定区，需要通过风力机与发电机的配合，使机组根据CpCpmax机输出最大机械功率时，发电机的输出功率也应相应地与之配合。由于在不同的风速下的输出功率曲线都存在一个最大的功率点，当把各种风速下的最大功率值点连成最正确功率曲线的时候，就形成了风力机的最正确功率曲线。从最正确功率曲线可以看出，它反映了风力机机械输出功率与转速的关系是立方关系。在风力发电机运行过程中，以此功率信号作为发电机的给定有功功率，与发电机输出电功率的反应信号构成闭环控制系统，使风力机在各种风速下均按最大功率运行，实现最大风能捕获。风力发电系统的功率配合调节示意图如图2-3所示[19]。设开始的风速为V1，此时风力机可以稳定的运行在最正确功率曲线Popt的A点，风力机的输出功率和发电机的输入机械功率在Pa点到达平衡，这时风力机将以转速ω1的值稳定的运行。当由于风力机的机械惯性和调节过程的滞后性，短时间内，发电机仍将暂时运行在A点，此时发电机的输入功率大于输出功率，功率的差值将导致发电机的转速上升。力机功率曲线与最正确曲线在C点相交时，功率将再一次到达平衡，转速稳定运行在对应于风速V2的最正确转速ω2上。图2-4他励直流电机的等效电路直流电机的动态特性方程可以由图2-4他励直流电机的等效电路图得到[14]:(2-12)式中Te—电动机电磁转矩；TL—负载转矩；Cmϕ—电动机电磁转矩常数；电动机转动惯量;ω—电动机的转速；U—电动机电枢电压；ia—电动机电枢电流；电枢绕组电感可由下式估计[15]:L=(2-13)其中C0取法：有补偿绕组为0.1，无补偿绕组为0.4.由方程组(2-12)可整理出直流电动机的动态特性模型：=+(2-14)由电压平衡方程可以看出，电磁现象的一个方面是当电枢绕组中有电流流过的时候，电枢绕组便会产生电磁力和电磁转矩；电磁现象的另一个现象是，在电磁转矩的作用力下，电枢绕组开始转动，电枢绕组还要做切割磁力线的运动，这样电枢导体又产生了感生电动势，其中产生的感应电动势的电流方向与电枢电流方向相反，有阻止电流增大或者减小的趋势。所以这个感应电动势是一种反电动势。反电动势为：Ea=Ceϕn(2-15)励磁控制即控制磁通ϕ，其控制功率虽然较小，但是低速时候受磁极饱和的限制，高速时候又受换向器结构和换向器火花的限制，而且因为励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法在实际的应用的用的较少，而是选择改变电枢端电压的调速方法，改变电枢端电压可以通过在电枢回路中串联电阻的方法或者是直接控制电枢电压法。串联电阻的方法虽然控制设备简单、操作方便、输出波动小、线性好、对临近电路干扰小，但是缺点也很明显，缺点是能耗损耗大、效率低、散热差并且不适合大功率的电机。随着电力电子技术的进步，各种高频大功率的半导体开关器件的实用化，出现了一种所谓PWM斩波器调压方式，这就是：斩波调压调速方法，即利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期，以到达变电压目的。或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以到达变压变频的目的。因此在直流电机的速系统中通常以调压调速为主。要想在实验室进行风力发电的实验，就必须要在实验室条件下，搭建风力机的模拟实验平台，从而模拟现场风力机的情况。由于直流电机具有调速性能好，出力大，调速范围广并且控制简单等一系列优点，所以要是能够用直流电动机来代替风力机，在实验室里进行风力机的特性模拟实验，就可以方便的在实验室进行风力发电的研究[17]。正是由于直流电机的上述优点，本文选用直流电动机对风力机的输出功率和输出转矩特性进行模拟。要利用直流电动机进行风力机特性的模拟，首先需要掌握风力机和直流电动机的特性的差异。直流电动机的输出功率可以写做：(2-17)式中：Cm—直流电机的转矩常数；直流电机的输出转矩可写为：(2-18)以上公式可以看出，由于Ceϕ，Ra，都是常数，假设保持电机的磁通ϕ不变，也就是电机的励磁电流不变，那么只要能确定Pm与n的值，就可以得到电机电枢绕组端电压的值。而当电压保持不变时，电机输出功率Pm与电机转速n成平方的关系，电机的输出转矩Te与电机转速n成线性关系，Te—n是一条直线，当连续改变电枢电压U时，就可以得到一组曲线。也就是说通过改变电枢绕组上的端电压的值，就可以使电机运行在图2.1上曲线的任意一点上，也就可以模拟出风力机的特性曲线。风力机本身是一种能量的转换装置，用直流电机来模拟风力机并不是简单的直流电机调速控制，本质上应该是对直流电机的输出功率和输出转矩的控制。由的输出功率，但是，由于电枢电压U的测量精度受到转速n的精度影响，所以用调节电枢电压来控制直流电机的输出功率必然有很大的误差。公式〔2-18〕得到电机的输出转矩可以由电枢电流来控制，由于电枢绕组的电流与直流电机的输出转矩Te成线性关系，并且电流信号的抗干扰能力要比电压信号要强，不易受到外界干扰信号的影响，而且相对于功率控制方案来说，转矩的控制方案具有实现简便，控制精度较高等优点，所以本文的控制方案选用转矩控制与转速控制双作用的控制方案。由于实际的风力机的转速很低，要想使发电机获得较大的输出功率和输出转矩，就必须要提升发电机的转速，所以，一般实际的风力发电系统的风力机都要通过一个变速齿轮箱来提升发电机的转速[18]，而在实验室里，直流电动机是直接与测功机相连接的，所以本文当中的变速比就是1。整体的控制过程是首先通过测量得到的电机转速，除以齿轮变速箱的变速比后得到风力机的转速，然后根据公式〔2-11〕算出叶尖速比λ。求出λ后根据风能求出电机的电枢电流作为电机的第一个控制量；第二个控制量是通过给定的转速与反应得到的电机转速计算出的转速，这样用２个控制量共同作用控制电机。通过电流的PI调节器送出电压控制信号，进而控制直流电机电枢的外加电压大小的控制来进行调节。把电枢绕组的电流作为控制变量，转矩作为控制指令。实现直流电机模拟风力机输出转矩的特性[19]。本课题利用测功机来实现模拟风力机的负载，通过上位机对测功机的负载调节，模拟出风力机输出的最正确功率曲线。由以上分析，设计的直流电机模拟控制系统原理图如图2-5所示。图2-5直流电机模拟风力机转矩特性控制原理图第3章风速的数学模型3.1概述在实际风轮机系统中，风是风轮机转动的源动力。虚拟风场是否能够真实地反映出真实风场的根本特性，是本文所设计的风轮机模拟系统能否正确模拟出实际风轮机在不同风况下的动态输出特性的关键，也是研究风轮机模拟系统时首先要解决的问题。风能是一种能量密度较低，稳定性较差的能源。风是自然界的产物，无法控制，风速的变化可以看作是随机的，但是从长期统计的角度来看也有一定的规律性。自然界的风并不是由单一元素组成，根据实际风场中的数据分析，通常可以把自然风速简化分解为四种分量，分别是：根本风速、渐变风速、阵性风速和随机噪声风速。以上四种风互相的叠加，根本可以反映出通常情况下风速的变化情况。由于风速的易变性和不可控性，风力发电机组几乎时刻遭受较大程度的扰动，这种扰动无论对机组本身还是对与之相连的电力系统，都将产生一定的影响。因此，在研究并网风电场运行、规划及动态特性等有关问题时就需要建立与之相适应的风速模型，从而能够对风速的变化进行模拟，研究在一定风速条件下系统的性能。在研究风速变化过程中风电场与电力系统的相互影响问题时，通常采用的风速数学模型都是假设风电场内所有风电机组的风速相同，而没有考虑风电场内风速的变化睁引。实际上，当风经过风力机时会损失局部能量，表现为风速的降低；同时由于尾流效应的影响，在某一风向上，坐落在下游风力机的输入风速要低于上游风力机的输入风速。风力机相距越近，前面风力机对后面风力机的影响就越大。为了充分利用当地风能资源和发挥规模效益，大型风电场通常由几十台甚至数百台风电机组组成，受场地和其它条件的限制，这些机组不可能相距太远。因此，在准确描述风速扰动下风电场输出功率的波动特性及其与电力系统的相互影响问题时，有必要考虑尾流效应对每台风电机组风速的影响，只有这样，才能保证计算的准确性，从而使研究结果更具有实际意义和实用价值。但由于本文采用单一的风力机，故模拟时，不考虑尾流效应等的影响，只采用简单的风速模型。3.2风速的四种分量模型1、根本风速表示风速中不随时间变化的分量，可以看作是一个常数。2、渐变风速用于描述风速变化的过程中逐渐变化的成分，渐变风速变化的大致趋势如图图3—1渐变风随时间变化曲线其数学表达式为：〔3-1〕其中：为渐变风开始时间，为渐变风终止变化时间，为最大风速保持时间，为渐变风最大值。3、阵性风速用于描述风速的变化过程中突然变化的成分，其变化趋势如下图：图3—2阵性风随时间变化的趋势阵性风随时间变化的趋势，其数学表达式为：〔3-2〕其中：为阵性风开始时间，为阵性风持续时间，为阵性风最大值。4、随机噪声风速用于描述风速变化中的随机波动特性，是由一些谐波分量所构成的，其数学表达式为：〔3-3〕其中：为风速随机波动量的最大值，为风速波动的平均间距，通常取0.5π～2π，为初相角，取0～2π之间平均分布的随机数[12]。3.3风速模型仿真风速模型的仿真验证为了验证上述风速数学模型的可行性和正确性，使用Matlab/Simulink软件对其进行了仿真验证。图3—3阵风模块图3—4随机风模块图3—5渐变风模块下面分别验证四种风速图3—6是渐变风的根本模型，根本风速选取11.5m/s在2s时开始变化，8s时到达一个新的风速即10m/s。图3—6渐变风的根本模型图3—7为阵风的根本模型，在4s前保持根本风速为10.5m/s，在4s到8s的时间内变化，最后到8s后又到达稳定。图3—7阵风的根本模型图3—8为随机风的模型，随机风辐值为1m/s。图3—8随机风根本模型图3—9为随机风与渐变风叠加后产生的风速模型，根本风速选取11.5m/s在4s时开始变化，8s时到达一个新的风速即10m/s。图3—9随机风与渐变风叠加后的风速模型图3—10为随机风与阵风叠加的风速模型，在4s前保持根本风速为10.5m/s，在4s到8s的时间内变化，最后到8s后又到达稳定。图3—10随机风与阵风叠加的风速模型第4章风力机模拟器的仿真研究4.1MATLAB软件简介MATLAB软件作为当今世界最流行的第四代计算机语言，由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统，在科学计算、网络控制、系统建模与仿真、数据分析、自动控制、图形图像处理、航天航空、生物医学、物理学、生命科学、通信系统、DSP处理系统、财务、电子商务、等不同领域广泛应用。Simulink是Matlab所提供的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。4.1.1MATLAB软件的典型特点〔1〕强大的数值和符号计算能力〔2〕简单易学的语言〔3〕强大的图形功能〔4〕独具特色的应用工具箱[13]4.1.2Simulink的根底应用Simulink是MATLAB软件的扩展和特色表达，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，它与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其优点是使用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言上的编程。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的根本系统的功能模块，用户只需要知道这些功能模块的输入输出及功能模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现和工作的，通过对这些根本功能模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，从而完成系统仿真模型的分析与构建[14]。Simulink提供了一种函数规那么——S函数。S函数可以是一个M文件、C语言程序或者其他高级语言程序。Simulink模型或者功能模块可以通过一定的语法规那么来调用S函数。正是由于S函数的引入，才使得Simulink更加充实，处理能力更加强大[13]。Simulink的另外一个重要特点就是它的开放性，它允许用户制定自己的功能模块和模块库。Simulink提供了13个子模型库:Continuous(连续模块)、Diserete(离散模块)、Look-UpTables(查询表模块库)、MathOperations(数学运算模块库)、Modelverification(模型验证模块库)、Model-WideUtilities〔模块实用模块库〕、Ports&Subsystem(端口和子系统模块库)、SignalAtributies〔信号属性模块库〕、SignalRouting〔信号路由模块库〕、Sinks〔接收器模块库〕、Sources〔输入源模块库〕、Used-DefinedFunctions〔用户定义模块库〕、Discontinuities〔非线性模块库〕。在以上每个子模型库中还包含有相应的功能模块，如MathOperations模块库里面的Gain〔常量增益模块〕，Sinks模块库里面的scope(示波器)，Used-DefinedFunctions模块库里面的S-Function〔调用自编的S函数的程序进行计算〕等等。功能模块的重要操作方法有：移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号的设定等等。Simulink的运行操作。运行Simulink有三种方式:(1)在Matlab的命令窗口直接键入Simulink；(2)点击Matlab的工具条上的simulink的快捷键图标；(3)在Matlab的菜单中，选择FileNewModel，会弹出新建立的模型窗口，名为untitled。图4—1Simulink模块库浏览器PowersystemBloekset(电力系统模块库),包括10类模块库，即电源元件库〔ElectricalSources〕、线路元件库〔Elements〕、电力电子元件库〔PowerElectronics〕、电机元件库〔Machines〕、连接器元件库〔Connectors〕、电路测量模块元件库〔Measurements〕、附加元件库〔Extras〕、演示教程〔Demos〕、电力图形读者接口〔Powergui〕和电力系统元件库〔Powerlib-models〕。如图5—2所示。图4—2SimPowerSystem〔电力系统模块库〕4.2平波电抗器平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。4.3风力机选择选择风力机型号型号：FD5-3叶轮直径：10m叶片材料：GFRP叶片数目：3支切入风速：3.5m/s切出风速：20m/s抗大风速：50m/s额定风速：10.5m/s额定转速：220r/min额定功率：3kW最大功率：4kW塔架方式：拉线钢管控制方式：智能控制发电机：钕铁硼永磁低速发电机输出电压：〔直流〕228V输出电压：〔交流〕220V偏航方式：尾翼自动跟踪风向功率调节：离心锤同步自动变桨距或尾翼自动偏侧和电加负载停机方式：手动刹车塔高：8m整机重量：1500kg逆变电源：3000W/220V/50Hz蓄电池：150Ah/18节4.4直流机的控制4.4.1根本控制思想风力机的转速、转矩特性为非线性关系。而直流机转矩、转速特性为线性关系。图4—8风力机转速转矩曲线风力机转矩公式为：(4-1)式中：为空气密度，为一个常数，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3R为风力机叶片的半径，单位为m；V为风速，单位为m/s；λ为叶尖速比，是风力机的运行参数，为叶片的叶尖速速度与风速之比，可以表示为(4-2)式中，为风轮角速度，单位；n是风力机的转速，单位为。将λ代入转矩公式，可以得到转矩和转速的关系[19]：〔4-3〕图4—9此风力机的转速转矩特性在MATLAB/SIMULINK中，直流电动机模型输入为转速或者转矩，根据公式：(4-4)转速或者转矩即可到另一量。现将风力机的转矩、转速公式代入直流电动机中：(4-5)(4-6)转速n可以由风力机转矩代替：(4-7)最终可得电动机要得到的电枢电压：(4-8)代入所要求的转矩T便可知道此时所需电压。图4—10根本原理图提供更为直观的，操作更为简便的建模方式，这将有助于将复杂的风力发电系统分解为简单的“物理〞模块[21]，适合用来分析发电机组的各种运行状态。5.1风力机模型关系曲线，由于资料有限，所以本文的风力机风能利用系数数据来至于参考文献[36],利用数据构造分段的多项式函数利用分段函数画出λ—Cp的函数曲线如图2-1所示，在图2-1中选取回一个向量长度为n+1的多项式的系数。本文分别用4次、6次、8次多项式对叶尖速比图2-6多项式拟合的转矩特性表2-2转矩特性曲线特征点λCpλCp03.5799e-0036.51.8424e-0010.57.0067e-00372.3723e-00111.1133e-00283.3685e-00122.7089e-00293.8422e-00133.9482e-002103.4855e-00144.7040e-002112.4809e-00157.2135e-00211.51.9078e-0015.59.8974e-002121.3559e-00161.3686e-00112.5-1.1557e-002通过函数polyfit()可以得到返回拟合的多项式系数，系数如表2-3所示。表2-3拟合多项式系数多项式系数取值0.00357990.012256-0.0213380.026674-0.012543多项式系数取值2.8002e-03-3.1328e-041.7030e-05-3.5930e-07风力机能从风能得到的能量是由空气动力学来决定的，涡轮的功率曲线是由式〔〕其中是功率系数和风力机上桨叶节距角β共同定义的。C1和C2，C3和C4，C5和C6是功率系数，是由风力机的设计决定的[17]。(4-5)(4-6)通过2.3节的内容知道，要想捕获最大风能，需要风力机于发电相互协调配合，在模型当中利用给定转矩TL模拟风力机的负载。首先根据风力机不同风速下的功率曲线得到风力机的最正确功率曲线只甜，利用上面介绍的拟合方法对只一曲根据拟合的多项式可以保证电机的负载运行在只。曲线上，这样也就模拟出了发电机的运行方向。表2-4Popt拟合多项式系数多项式系数取值3.2782e-6-0.00172950.3732-42.3953多项式系数取值2268.2083-88140.65441193729.4445通过这一节分析的直流电动机的控制策略，利用MATLAB/Simulink软件，搭直流电动机模型以及风速变化模型等。首先，利用直流电机输出的转速图2-7发电机的转速与风力机的关系实现与的导通角，来控制电枢电压的大小，到达控制电机转速的目的，电机的转矩是通过给电机加负载来实现的，这里的负载计算是利用风力机拟合的最正确功率曲线计算得到的，这样就可以保证风力机在风速改变的时候运行在风力机输出的最正确功率曲线上。也就到达了风力机特性模拟的目的。图2-8直流电机模拟风力机仿真模型 〔b〕电机输出转矩曲线〔c〕风能利用系数曲线图2-9风力机模型风速，输出转矩与转速的响应曲线图在实际运行时，风力机由于受外界风速条件的影响不可能是恒定不变的，所到结论。风力机的特性曲线与风力机能提供的最大输出转矩都会随着风速的改变而产生变化。如果对与恒定转矩的负载，

当风速减小的话，就有可能出现负载转

所以要对测功机的给定转矩进行大致的实验给定风速〔b〕风能利用系数〔c〕电机输出转速曲线〔d〕电机输出转矩曲线〔a〕电机输出转速曲线〔b〕电机输出转矩曲线〔c〕风能利用系数曲线〔d〕实验给定风速图2-11当风速突加扰动时的电机输出转速与输出转矩响应的曲线图进入风力机特性曲线，即电动机模拟风力机特性响应速度较快。系统是根据风速在利用直流电动机模拟风力机特性时，需要对负载转矩进行测量，如果负载转矩超出了当前风速下模拟的风力机可以输出的最大转矩时，应该调节负载转矩来控制直流电动机的输出转速，从而实现变速恒频运行。通过拖动系统理论可以得出结论，当原动机的转矩特性的斜率小于负载的转矩特性的斜率时拖动系统才能平衡。电动机控制系统是典型的拖动系统，稳定运行时也必须满足拖动平衡原理。从上述仿真波形可以看出，根据风速模型的不同，风力机都可以按照最大风能捕获的原理运行工作，并且能够快速响应新的运行状态，稳定的工作在新的运先，利用风力模型而到在实际硬件平台所需要的PI参数，在搭建风力机特性模拟实验平台的时候，可以根据仿真得到的PI参数在进行细微的调整；另一方面通过作用量控制。实验室研究风力发电技术提供了一种实用的方法。本章阐述了风力机的运行特性，分析了定桨距风力发电机组实现最大风能追踪的机理，给出了模拟系统的实现方法，首先采用多项式拟合的方法，对风力机的运行特性曲线和发电机负载的运行曲线进行模拟计算，并根据计算得到的指令对直流机进行控制，即随着风速的变动，改变电枢绕组上的电压值，使风力机始行性，给出了硬件平台所需要的一些参数，为硬件平台的搭建提供了参考数据，致谢在我即将完成四年的本科学习生活之际，我衷心的感谢我尊敬的导师王淑红教授，本文是在