直流電機(jī)對風(fēng)力機(jī)特性的模擬

雖然在風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場進(jìn)行實驗研究可以得到直接準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，但是由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣、實驗空間狹小、進(jìn)行實驗的過程很難實現(xiàn)。這樣一來，不僅需要增加研究經(jīng)費和研究時間，并且要消耗大量的人力和物力。所以，就需要一種模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)來解決此問題。因此構(gòu)造風(fēng)力機(jī)的模擬實驗平臺就成為在實驗室研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵，它將對推動我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的開展有著重要意義。本文首先介紹了風(fēng)能資源的開發(fā)利用以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)，分析了風(fēng)力機(jī)運行特性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的原理，給出了直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性的控制策略。討論了各種工況下的風(fēng)力機(jī)的運行狀態(tài)，通過仿真及實驗驗證了利用直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的可行性，設(shè)計了一套由交流變換器開關(guān)管控制脈沖，對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速來實現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)運行特性進(jìn)行模擬的系統(tǒng)，并設(shè)計了由DSP控制電動機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性模擬的程序及其相關(guān)的控的具體實現(xiàn)。實驗結(jié)果說明在不同的風(fēng)速模型下，風(fēng)力機(jī)都能夠遵循最大風(fēng)能捕獲的機(jī)理運行，而且能夠很快運進(jìn)入的穩(wěn)定運行狀態(tài)，得到了良好的控制效果。在實驗室條件下提供了一種可行的模擬風(fēng)力機(jī)運行特性的實用方法。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目錄TOC\o"1-3"\h\u2567 I32034ABSTRACT II11007第1章 18713 114459 118986 232508 3102621.3風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀 41669 53251 5188521.4.2研究內(nèi)容 618576第2章直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的原理及方法 8322582.1風(fēng)能的貝茲理論[11] 83259 10169802.3風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理與控制策略 1228527 1725817第3章風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型 2069383.1概述 20202143.2風(fēng)速的四種分量模型 2088283.3風(fēng)速模型仿真 2217536第4章風(fēng)力機(jī)模擬器的仿真研究 2728124.1MATLAB軟件簡介 27263354.1.1MATLAB軟件的典型特點 27262114.1.2Simulink的根底應(yīng)用 2727544.2平波電抗器 30244684.3風(fēng)力機(jī)選擇 31233594.4直流機(jī)的控制 31312414.4.1根本控制思想 3110175 35527 39952 4423583致謝 4519764參考文獻(xiàn) 46第1章 伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速開展，人們對能源的需求也在不斷擴(kuò)大，能源的消耗已經(jīng)滲透到我們生活的每個角落，在社會、經(jīng)濟(jì)和人民生活等各方面能源都發(fā)揮著舉足輕重的作用。世界能源的開展一直遵循著高效、清潔的軌跡前進(jìn)。由于目前環(huán)境問題的突出表達(dá)，各國已經(jīng)開始注意到不可再生能源正在逐步耗竭。于是，開發(fā)綠色環(huán)保的新能源逐漸成為社會各界關(guān)注的焦點。新能源是到目前尚未被人類大規(guī)模利用，還有待進(jìn)一步研究試驗與開發(fā)利用的能源，例如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能及核聚變能等。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，從70年代中期開始受到世界各國的重視，由于風(fēng)力發(fā)電比其他可再生能源〔水能除外〕發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更具有競爭優(yōu)勢，因而開展迅速。近年來，風(fēng)能已成為世界上開展最迅速的綠色能源之一，被稱為“未來的能源〞。與傳統(tǒng)能源如煤、石油和原子能不同，風(fēng)能既不會污染環(huán)境，也不會枯竭，是一種便捷有效、兼顧能量增容和環(huán)保要求的新能源。自從七十年代以來，各國政府和國際組織都投入了大量的資金用于新能源和可再生能源的開發(fā)和利用，努力建設(shè)一條環(huán)境、資源、人口與經(jīng)濟(jì)開展相協(xié)調(diào)的、可持續(xù)開展的道路。世界上許多國家出臺了一系列相關(guān)的扶持政策。如美國克林頓政府推出的“百萬屋頂方案〞，荷蘭政府1998年在一項新的電力法令中引進(jìn)的“綠色證書方案〞，日本上世紀(jì)90年代提出的“陽光方案〞等等。近年來，我國提出的“中國光明工程＂和“乘風(fēng)方案＂，目的就是為加快中國風(fēng)力發(fā)電開展步伐，中國在幾年前制定了到2021年的風(fēng)力發(fā)電開展遠(yuǎn)景規(guī)劃目標(biāo)，并在2005年2月28日全國人大常委會表決通過了?可再生能源法?，從法律政策方面保障了風(fēng)力發(fā)電投資者的利益，為鼓勵風(fēng)力發(fā)電的開展邁出了堅實的一步[1]。同時，為使北京2021年奧運會成為綠色奧運，北京市在2021年奧運會場館的電力供給中，20%的電力供給是來自于風(fēng)能發(fā)電。無論從經(jīng)濟(jì)效益還是社會效益上看，風(fēng)電開展的效果都是巨大的。因此，世界上許多國家把開展風(fēng)力發(fā)電作為改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一種措施，納入國家開展規(guī)劃，日益受到世界各國的重視。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷開展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)也在不斷成熟，并逐漸形成的開展主要表現(xiàn)在以下四個方面：(1)單機(jī)容量不斷上升。德國2003年上半年安裝的風(fēng)機(jī)平均額定功率為1558.54kW，單機(jī)容量為5Mw的風(fēng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運行階段。到2002年底，世界總裝機(jī)容量為32037MW,而歐洲占全世界的74.4%，為23832MW[2]。到2021年全世界總裝機(jī)容量超過140000MW，預(yù)計到2021年全世界風(fēng)力發(fā)電量將占全世界總發(fā)電量的10%[3]。無齒輪箱系統(tǒng)的直接驅(qū)動方式增多。去掉齒輪箱雖然提高了發(fā)電機(jī)的設(shè)計〔1〕從陸地向海面拓展。海面的廣闊空間和巨大的風(fēng)能潛力使得風(fēng)機(jī)從陸地移向海面成為一種趨勢。目前只有少數(shù)國家建立了海上風(fēng)電場，但從2006年開始，歐洲已大規(guī)模地建立海上風(fēng)力場。節(jié)技術(shù)將得到更多的應(yīng)用：在發(fā)電機(jī)類型上，控制靈活的雙饋型異步發(fā)電機(jī)和設(shè)計簡單的永磁發(fā)電機(jī)獎成為風(fēng)力發(fā)電的新寵；在勵磁電源上，隨著電力電子技術(shù)輪箱系統(tǒng)的直接驅(qū)動技術(shù)將更加吸引人們的注意。風(fēng)電還具有較大的外部效益，首先風(fēng)能的利用替代了傳統(tǒng)的化石能源，減少了化石能源的枯竭危機(jī)，其次風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程中，溫室氣體和有害物質(zhì)的排放根本為零，保護(hù)了人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。正是由于具有正的外部性，風(fēng)電的市場價格低于其真正的社會本錢，在市場機(jī)制下，資源不能有效配置，風(fēng)電的開發(fā)利用受到阻礙，因此政府對產(chǎn)業(yè)的積極扶持政策對風(fēng)電的開展至關(guān)重要。年份 新增裝機(jī)容量/MW增長率%累計增長容量/MW增長率%1997156876361998251761.521015332.961999377950.141393237.222000451719.531844932.422001647843.412492735.11200271109.763203728.522003826416.234030125.79平均增長率33.4332表1-1世界各國風(fēng)電累計裝機(jī)容量比照年間的風(fēng)力發(fā)電增長率超過30%，而煤電、水電、核電等常規(guī)能源的增長率缺乏我國從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行了大量的風(fēng)能資源調(diào)查工作，據(jù)國家氣象局調(diào)查說明，我國陸地上的可開發(fā)的風(fēng)力資源在2.53億k以上，沿海水深為2～15m雖然我國風(fēng)能資源十分豐富，但是具備規(guī)模開發(fā)利用的地區(qū)主要幾種在新疆、甘肅，河北，東北等地區(qū)。中國風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的開展前景十分廣闊，預(yù)計未來很長一段時間都將保持高速開展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風(fēng)電裝機(jī)的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；?，風(fēng)電本錢有望再降。因此，風(fēng)電領(lǐng)域逐漸成為越來越多投資者的逐金之地。風(fēng)電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為1.3風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是要解決如何對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行有效的模擬，因此，于實現(xiàn)、并且具有良好的動靜態(tài)特性等優(yōu)點，由于風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)力機(jī)出廠時就固定的，所以風(fēng)力機(jī)特性模擬系統(tǒng)的功率曲線都是事先給定的，發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率和輸出轉(zhuǎn)矩是隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的變化而變化。因此在模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性的時候就需要對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｋ袁F(xiàn)階段的模擬方案大多是基于直流電動機(jī)的控制方案，在風(fēng)力發(fā)電試驗系統(tǒng)中廣泛用做原動機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩運行特性。因此，本文選用直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的實驗平臺。模擬系統(tǒng)中利用直流電動機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)，拖動測功機(jī)運行。調(diào)壓器經(jīng)過不可控整流把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，在通過直流斬波裝置來對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速?！?〕與交流電動機(jī)相比，直流電動機(jī)仍然存在一些缺點，如結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜、體積大、價格高等。因此在風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)中，也有采用交流電動機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的。但是利用交流電動機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)的實驗系統(tǒng)復(fù)雜，控制實現(xiàn)也較復(fù)雜，所以在風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)中，應(yīng)用異步電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性較少。究中，利用兩組雙饋發(fā)電機(jī)組進(jìn)行對拖來進(jìn)行實驗研究。圖中第一組雙饋發(fā)電機(jī)作為模擬系統(tǒng)的原動機(jī)做電動運行，拖動第二組雙饋發(fā)電機(jī)組來進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。采用兩組雙饋發(fā)電機(jī)組對拖的試驗系統(tǒng)，試驗設(shè)備需要較多，研究經(jīng)費較大，所以在實驗室中一般都不采用這種方法。但在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器生產(chǎn)廠商中較為流行。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，要對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究試驗，最理想的方法就是在風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場把風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接相連進(jìn)行試驗。但這樣做所需的研究經(jīng)費比擬多，對實驗的環(huán)境要求較高，在實驗室條件下很不現(xiàn)實。對于小型的風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，可以采用一個大的風(fēng)扇吹動小型風(fēng)力機(jī)從而拖動發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)的研究工作。這種方法對于大功率的風(fēng)電系統(tǒng)就顯得很不現(xiàn)實。因為大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備造價昂貴，還需要對風(fēng)場進(jìn)行選址，并且由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備體積龐大，所以運輸與安裝都不方便，因此對于不具備風(fēng)場環(huán)境的實驗室，模擬出風(fēng)力機(jī)的實際工作特性就成為重要研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。使用模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實驗，可以隨意設(shè)定不同的風(fēng)速模型，而且可以利用同一個系統(tǒng)，模擬出不同風(fēng)力機(jī)的工作特性，因此簡化了風(fēng)電技術(shù)的研究過程，節(jié)省了研究經(jīng)費等。所以說對于在實驗室研究、探討風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的控制原理、模擬系統(tǒng)的構(gòu)成以及構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電試驗平臺具有重要的現(xiàn)實意義。這樣就解決了在實驗室里進(jìn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)研究的問題。1.4.2研究內(nèi)容風(fēng)力機(jī)特性主要表現(xiàn)為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率或者轉(zhuǎn)矩與不同風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性模擬，就是使進(jìn)行模擬的系統(tǒng)輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)速與設(shè)定的風(fēng)速滿足風(fēng)力的輸出特性?？梢岳秒妱訖C(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性，進(jìn)行對風(fēng)力發(fā)電的研究。當(dāng)對異步電動機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速進(jìn)行調(diào)速時，調(diào)速線性度不好且調(diào)速范圍窄，而采用變頻調(diào)速那么控制復(fù)雜，較難實現(xiàn)。與交流電動機(jī)相比，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的線性度較高，調(diào)速范圍較寬，控制簡單，易于實現(xiàn)。在他勵直流電動機(jī)中，當(dāng)電動機(jī)的磁通保持不變時，其轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的電樞電壓為線性關(guān)系。這樣對于聯(lián)接不同負(fù)載的直流電動機(jī)，只要保持磁通大小，調(diào)節(jié)電動機(jī)的電樞電壓就能得到不同的轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率。因此在實驗室條件下，利用直流電動機(jī)來模擬風(fēng)本文研究的內(nèi)容是風(fēng)力機(jī)特性的模擬。進(jìn)行的研究工作主要有以下幾個方面：1〕本文首先對模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了當(dāng)前幾種較為常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在此根底上對風(fēng)力機(jī)的工作原理進(jìn)行了分析，以及對最大風(fēng)能捕獲的原理和風(fēng)力機(jī)運行時的功率和轉(zhuǎn)矩的特性分析，確定模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的根本控制策略，模擬方案和實施方法與步驟。2〕建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，利用仿真結(jié)果確定根本的PI控制參數(shù)等，并證明所設(shè)計的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)方案是否可以可行。所設(shè)計的電機(jī)控制系統(tǒng)能使直流電機(jī)模擬系統(tǒng)運行在風(fēng)力機(jī)特性曲線的任一點上。直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的原理及方法風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要的組成局部，風(fēng)力機(jī)承當(dāng)將空氣動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的任務(wù)，既然要研究風(fēng)電技術(shù)，那么最理想的實驗方法就是在風(fēng)場中直接對風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行實驗，但是由于風(fēng)電場的環(huán)境往往很惡劣，而且風(fēng)力發(fā)電設(shè)備都很龐大，安裝與卸載都很不方便，因此，在風(fēng)場中直接進(jìn)行實驗很不現(xiàn)實。于是，人們設(shè)計出風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)來代替實際的風(fēng)力機(jī)做實驗。本章介紹了當(dāng)前風(fēng)力機(jī)模擬的原理和以及本課題中利用MATLAB/Simulink仿真的原理和結(jié)果。2.1風(fēng)能的貝茲理論[11]風(fēng)能作為一種穩(wěn)定性較差的新能源，風(fēng)力機(jī)承當(dāng)?shù)淖饔镁褪菍L(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，但是由于通過風(fēng)力機(jī)后的風(fēng)速不可能變?yōu)榱悖哉f風(fēng)力機(jī)不可能把所有流經(jīng)它的動能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也就是說只有一局部風(fēng)的能量被吸收，成為槳葉的機(jī)械能。為了研究方便，人們在研究風(fēng)能的時候定義了一個風(fēng)能利用系數(shù)。Cp=E/Ein=Pm/Pw(2-1)式中：E-tPm-t單位時間內(nèi)葉輪吸收并且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能，即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率；Pw-t單位時間內(nèi)通過葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機(jī)的輸入功率。為討論這個問題，貝茲假設(shè)了一種理想的風(fēng)輪，即假定風(fēng)力是一個平面槳盤流是均勻的；氣流速度的方向在通過風(fēng)輪前后都是與風(fēng)輪軸線平行的。設(shè)Ｅ為被風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能，也就是氣流通過風(fēng)輪機(jī)后，使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，這局部能量可以用作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的作用力與風(fēng)力葉片截面處的風(fēng)速的乘積來表示：E=Fv(2-2)公式中F為風(fēng)能作用在風(fēng)力機(jī)的作用力，v是風(fēng)速：根據(jù)物理學(xué)的動量守恒可以得出：E=(mv12-mv22)/2式中m=ρSv,ρ是空氣密度，S為風(fēng)輪截面面積，v1為風(fēng)輪進(jìn)入風(fēng)輪機(jī)頁面前的E=(mv12-mv22)/2=ρSv(v12-v22)/2(2-3)ρS(v12-v22)/2(2-4)根據(jù)流體動量原理，氣流作用在風(fēng)輪機(jī)上的作用力等于單位時間內(nèi)通過風(fēng)輪機(jī)葉面的氣流量的變化量：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)上式就是貝茲推導(dǎo)出的理論上的風(fēng)利用系數(shù)的極限值。貝茲所計算出的風(fēng)能利用系數(shù)是在外界條件理想的情況下得到的，但是實際中，風(fēng)力機(jī)的阻力，風(fēng)力機(jī)的能量損耗等等都是不可防止的、也是必須考慮的，所以一般水平軸的風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括作為原動力的風(fēng)力機(jī)和轉(zhuǎn)換能量用的發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)的作用就是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，作為原動力轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力機(jī)的效率在很大程度上就決定了整個發(fā)電機(jī)組的效率。風(fēng)力機(jī)的效率的大小，由風(fēng)力機(jī)是否運行于最正確狀態(tài)所決定，如果風(fēng)力機(jī)運行于超載或者負(fù)載狀態(tài)，它的效率就會降低。所以說風(fēng)力機(jī)的運行狀態(tài)就決定了整個發(fā)電機(jī)組的功率。由空氣動力學(xué)特性可以知道，風(fēng)力機(jī)的輸出功率為：Pm=0.5ρπCp(λ)V3R2(2-10)公式中各個符號的意義為：ρ—空氣密度，為1.25kg/m3；Cp—風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)；R—風(fēng)力機(jī)葉片半徑；V—進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的風(fēng)速。風(fēng)能利用系數(shù)作為一個與風(fēng)速、葉片半徑、轉(zhuǎn)速都有關(guān)系的物理量，是表征風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，但是風(fēng)能利用系數(shù)是由風(fēng)力機(jī)本身的特性所決定的。為了討論具有普遍意義風(fēng)力機(jī)特性，人們又定義了一個風(fēng)力機(jī)的重要參數(shù)，葉尖速比λ，即風(fēng)力機(jī)的葉片葉尖的線速度和風(fēng)速的比值：λ=Rω/v=R2πn/60v=Rπn/30v(2-11)ω與風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率密切相關(guān)的是葉尖速比。葉尖速比λ只有在到達(dá)一定值時，風(fēng)能利用系數(shù)Cp才能到達(dá)最大值。風(fēng)力機(jī)可以分為變槳距和定槳距兩類。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對槳葉進(jìn)行節(jié)距角控制外，還須通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來調(diào)節(jié)整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使之在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比到達(dá)最正確，以捕獲最大的風(fēng)能。變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp。是葉尖比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。如果保持槳葉節(jié)距角β不變，變槳距風(fēng)力機(jī)也就變成定槳距風(fēng)力機(jī)，由于定槳距風(fēng)力機(jī)具有的特性是變槳距風(fēng)力機(jī)的根本情況，因此具有普遍意義，可以作為討論追蹤最大風(fēng)能的依據(jù)，因此，本文把定槳距風(fēng)力機(jī)及其特性作為研究的重點。由于槳葉距角被固定下來，所以，風(fēng)能利用系數(shù)就變成只與葉尖速比有關(guān)的函數(shù)，那么風(fēng)能利用系數(shù)就可以用一條曲線來表示。在設(shè)定一個固定的風(fēng)速后，按照轉(zhuǎn)速的不同就可以得到不同的葉尖比，然后圖2-1風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲圖2-2不同風(fēng)速下電機(jī)輸出功率是隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的，從圖中可以看出對于不同的風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)的的輸出功率都有一個最大值，假設(shè)把不同風(fēng)速下的最大功率值點連接起來，就形成了風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，也叫做風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線。無論風(fēng)速怎么變化，都希望風(fēng)力機(jī)可以始終運行在最正確功率曲線上，這樣風(fēng)機(jī)理就可以保持輸出的功率最大。2.3風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理與控制策略作為定槳距風(fēng)力機(jī)的開展和改良，變槳距風(fēng)力機(jī)的根本特性也是定槳距風(fēng)力機(jī)的特性。所以定槳距風(fēng)力機(jī)的運行特性可以作為追蹤最大風(fēng)能的依據(jù)，具有代表意義。風(fēng)力發(fā)電的一個重要的目的就是在保證機(jī)組運行可靠。本錢適當(dāng)?shù)那疤嵯拢Ｍ梢宰畲笙薅鹊睦蔑L(fēng)能，以獲得盡可能多的發(fā)電量，到達(dá)良好的經(jīng)濟(jì)效益。，這就要提高機(jī)組的運行效率。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行可以劃分為三個區(qū)域[13]，如表2-1所示。風(fēng)機(jī)運行特點Cp恒定區(qū)當(dāng)風(fēng)速到達(dá)風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速后，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速由零逐漸增大，直至到達(dá)發(fā)電機(jī)可以切入電網(wǎng)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)組開始運行，并向電網(wǎng)輸送電能。通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以使Cp上升，最后當(dāng)Cp=Cpmax時，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入Cp恒定區(qū)，此時發(fā)電機(jī)組運行在最正確狀態(tài)。這段區(qū)域主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的阻力矩〔有功功率給定值〕，讓轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速而變化，使λ=λmax,實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。轉(zhuǎn)速恒定區(qū)由于發(fā)電機(jī)組有允許的最大轉(zhuǎn)速限制，所以，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時，機(jī)組的轉(zhuǎn)速不可能無限增大，最終會到達(dá)發(fā)電機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速。維持這一轉(zhuǎn)速不變，隨著風(fēng)速的增大，Cp值減小，機(jī)組的功率在增大。功率恒定區(qū)機(jī)械系統(tǒng)都要受到本身特性的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要受功率限制和轉(zhuǎn)速限制。隨著風(fēng)速增加和風(fēng)力機(jī)功率的增大。發(fā)電機(jī)最終到達(dá)功率極限。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須下降，使Cp迅速降低，從而維持該功率不變。使它們維持在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求的轉(zhuǎn)速和輸出功率限定值以下。在風(fēng)能最大捕獲的Cp恒定區(qū)，需要通過風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的配合，使機(jī)組根據(jù)CpCpmax機(jī)輸出最大機(jī)械功率時，發(fā)電機(jī)的輸出功率也應(yīng)相應(yīng)地與之配合。由于在不同的風(fēng)速下的輸出功率曲線都存在一個最大的功率點，當(dāng)把各種風(fēng)速下的最大功率值點連成最正確功率曲線的時候，就形成了風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線。從最正確功率曲線可以看出，它反映了風(fēng)力機(jī)機(jī)械輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系是立方關(guān)系。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行過程中，以此功率信號作為發(fā)電機(jī)的給定有功功率，與發(fā)電機(jī)輸出電功率的反應(yīng)信號構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使風(fēng)力機(jī)在各種風(fēng)速下均按最大功率運行，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率配合調(diào)節(jié)示意圖如圖2-3所示[19]。設(shè)開始的風(fēng)速為V1，此時風(fēng)力機(jī)可以穩(wěn)定的運行在最正確功率曲線Popt的A點，風(fēng)力機(jī)的輸出功率和發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率在Pa點到達(dá)平衡，這時風(fēng)力機(jī)將以轉(zhuǎn)速ω1的值穩(wěn)定的運行。當(dāng)由于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械慣性和調(diào)節(jié)過程的滯后性，短時間內(nèi)，發(fā)電機(jī)仍將暫時運行在A點，此時發(fā)電機(jī)的輸入功率大于輸出功率，功率的差值將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升。力機(jī)功率曲線與最正確曲線在C點相交時，功率將再一次到達(dá)平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行在對應(yīng)于風(fēng)速V2的最正確轉(zhuǎn)速ω2上。圖2-4他勵直流電機(jī)的等效電路直流電機(jī)的動態(tài)特性方程可以由圖2-4他勵直流電機(jī)的等效電路圖得到[14]:(2-12)式中Te—電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Cm?—電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)；電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;ω—電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；U—電動機(jī)電樞電壓；ia—電動機(jī)電樞電流；電樞繞組電感可由下式估計[15]:L=(2-13)其中C0取法：有補(bǔ)償繞組為0.1，無補(bǔ)償繞組為0.4.由方程組(2-12)可整理出直流電動機(jī)的動態(tài)特性模型：=+(2-14)由電壓平衡方程可以看出，電磁現(xiàn)象的一個方面是當(dāng)電樞繞組中有電流流過的時候，電樞繞組便會產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩；電磁現(xiàn)象的另一個現(xiàn)象是，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用力下，電樞繞組開始轉(zhuǎn)動，電樞繞組還要做切割磁力線的運動，這樣電樞導(dǎo)體又產(chǎn)生了感生電動勢，其中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的電流方向與電樞電流方向相反，有阻止電流增大或者減小的趨勢。所以這個感應(yīng)電動勢是一種反電動勢。反電動勢為：Ea=Ce?n(2-15)勵磁控制即控制磁通?，其控制功率雖然較小，但是低速時候受磁極飽和的限制，高速時候又受換向器結(jié)構(gòu)和換向器火花的限制，而且因為勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法在實際的應(yīng)用的用的較少，而是選擇改變電樞端電壓的調(diào)速方法，改變電樞端電壓可以通過在電樞回路中串聯(lián)電阻的方法或者是直接控制電樞電壓法。串聯(lián)電阻的方法雖然控制設(shè)備簡單、操作方便、輸出波動小、線性好、對臨近電路干擾小，但是缺點也很明顯，缺點是能耗損耗大、效率低、散熱差并且不適合大功率的電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，各種高頻大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件的實用化，出現(xiàn)了一種所謂PWM斬波器調(diào)壓方式，這就是：斬波調(diào)壓調(diào)速方法，即利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期，以到達(dá)變電壓目的。或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以到達(dá)變壓變頻的目的。因此在直流電機(jī)的速系統(tǒng)中通常以調(diào)壓調(diào)速為主。要想在實驗室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的實驗，就必須要在實驗室條件下，搭建風(fēng)力機(jī)的模擬實驗平臺，從而模擬現(xiàn)場風(fēng)力機(jī)的情況。由于直流電機(jī)具有調(diào)速性能好，出力大，調(diào)速范圍廣并且控制簡單等一系列優(yōu)點，所以要是能夠用直流電動機(jī)來代替風(fēng)力機(jī)，在實驗室里進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的特性模擬實驗，就可以方便的在實驗室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的研究[17]。正是由于直流電機(jī)的上述優(yōu)點，本文選用直流電動機(jī)對風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行模擬。要利用直流電動機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性的模擬，首先需要掌握風(fēng)力機(jī)和直流電動機(jī)的特性的差異。直流電動機(jī)的輸出功率可以寫做：(2-17)式中：Cm—直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可寫為：(2-18)以上公式可以看出，由于Ce?，Ra，都是常數(shù)，假設(shè)保持電機(jī)的磁通?不變，也就是電機(jī)的勵磁電流不變，那么只要能確定Pm與n的值，就可以得到電機(jī)電樞繞組端電壓的值。而當(dāng)電壓保持不變時，電機(jī)輸出功率Pm與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成平方的關(guān)系，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Te與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，Te—n是一條直線，當(dāng)連續(xù)改變電樞電壓U時，就可以得到一組曲線。也就是說通過改變電樞繞組上的端電壓的值，就可以使電機(jī)運行在圖2.1上曲線的任意一點上，也就可以模擬出風(fēng)力機(jī)的特性曲線。風(fēng)力機(jī)本身是一種能量的轉(zhuǎn)換裝置，用直流電機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)并不是簡單的直流電機(jī)調(diào)速控制，本質(zhì)上應(yīng)該是對直流電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。由的輸出功率，但是，由于電樞電壓U的測量精度受到轉(zhuǎn)速n的精度影響，所以用調(diào)節(jié)電樞電壓來控制直流電機(jī)的輸出功率必然有很大的誤差。公式〔2-18〕得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以由電樞電流來控制，由于電樞繞組的電流與直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Te成線性關(guān)系，并且電流信號的抗干擾能力要比電壓信號要強(qiáng)，不易受到外界干擾信號的影響，而且相對于功率控制方案來說，轉(zhuǎn)矩的控制方案具有實現(xiàn)簡便，控制精度較高等優(yōu)點，所以本文的控制方案選用轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制雙作用的控制方案。由于實際的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，要想使發(fā)電機(jī)獲得較大的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，就必須要提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以，一般實際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)都要通過一個變速齒輪箱來提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[18]，而在實驗室里，直流電動機(jī)是直接與測功機(jī)相連接的，所以本文當(dāng)中的變速比就是1。整體的控制過程是首先通過測量得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速，除以齒輪變速箱的變速比后得到風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)公式〔2-11〕算出葉尖速比λ。求出λ后根據(jù)風(fēng)能求出電機(jī)的電樞電流作為電機(jī)的第一個控制量；第二個控制量是通過給定的轉(zhuǎn)速與反應(yīng)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速計算出的轉(zhuǎn)速，這樣用２個控制量共同作用控制電機(jī)。通過電流的PI調(diào)節(jié)器送出電壓控制信號，進(jìn)而控制直流電機(jī)電樞的外加電壓大小的控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)。把電樞繞組的電流作為控制變量，轉(zhuǎn)矩作為控制指令。實現(xiàn)直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的特性[19]。本課題利用測功機(jī)來實現(xiàn)模擬風(fēng)力機(jī)的負(fù)載，通過上位機(jī)對測功機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)，模擬出風(fēng)力機(jī)輸出的最正確功率曲線。由以上分析，設(shè)計的直流電機(jī)模擬控制系統(tǒng)原理圖如圖2-5所示。圖2-5直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性控制原理圖第3章風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型3.1概述在實際風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)中，風(fēng)是風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動的源動力。虛擬風(fēng)場是否能夠真實地反映出真實風(fēng)場的根本特性，是本文所設(shè)計的風(fēng)輪機(jī)模擬系統(tǒng)能否正確模擬出實際風(fēng)輪機(jī)在不同風(fēng)況下的動態(tài)輸出特性的關(guān)鍵，也是研究風(fēng)輪機(jī)模擬系統(tǒng)時首先要解決的問題。風(fēng)能是一種能量密度較低，穩(wěn)定性較差的能源。風(fēng)是自然界的產(chǎn)物，無法控制，風(fēng)速的變化可以看作是隨機(jī)的，但是從長期統(tǒng)計的角度來看也有一定的規(guī)律性。自然界的風(fēng)并不是由單一元素組成，根據(jù)實際風(fēng)場中的數(shù)據(jù)分析，通常可以把自然風(fēng)速簡化分解為四種分量，分別是：根本風(fēng)速、漸變風(fēng)速、陣性風(fēng)速和隨機(jī)噪聲風(fēng)速。以上四種風(fēng)互相的疊加，根本可以反映出通常情況下風(fēng)速的變化情況。由于風(fēng)速的易變性和不可控性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎時刻遭受較大程度的擾動，這種擾動無論對機(jī)組本身還是對與之相連的電力系統(tǒng)，都將產(chǎn)生一定的影響。因此，在研究并網(wǎng)風(fēng)電場運行、規(guī)劃及動態(tài)特性等有關(guān)問題時就需要建立與之相適應(yīng)的風(fēng)速模型，從而能夠?qū)︼L(fēng)速的變化進(jìn)行模擬，研究在一定風(fēng)速條件下系統(tǒng)的性能。在研究風(fēng)速變化過程中風(fēng)電場與電力系統(tǒng)的相互影響問題時，通常采用的風(fēng)速數(shù)學(xué)模型都是假設(shè)風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速相同，而沒有考慮風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速的變化睜引。實際上，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機(jī)時會損失局部能量，表現(xiàn)為風(fēng)速的降低；同時由于尾流效應(yīng)的影響，在某一風(fēng)向上，坐落在下游風(fēng)力機(jī)的輸入風(fēng)速要低于上游風(fēng)力機(jī)的輸入風(fēng)速。風(fēng)力機(jī)相距越近，前面風(fēng)力機(jī)對后面風(fēng)力機(jī)的影響就越大。為了充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源和發(fā)揮規(guī)模效益，大型風(fēng)電場通常由幾十臺甚至數(shù)百臺風(fēng)電機(jī)組組成，受場地和其它條件的限制，這些機(jī)組不可能相距太遠(yuǎn)。因此，在準(zhǔn)確描述風(fēng)速擾動下風(fēng)電場輸出功率的波動特性及其與電力系統(tǒng)的相互影響問題時，有必要考慮尾流效應(yīng)對每臺風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的影響，只有這樣，才能保證計算的準(zhǔn)確性，從而使研究結(jié)果更具有實際意義和實用價值。但由于本文采用單一的風(fēng)力機(jī)，故模擬時，不考慮尾流效應(yīng)等的影響，只采用簡單的風(fēng)速模型。3.2風(fēng)速的四種分量模型1、根本風(fēng)速表示風(fēng)速中不隨時間變化的分量，可以看作是一個常數(shù)。2、漸變風(fēng)速用于描述風(fēng)速變化的過程中逐漸變化的成分，漸變風(fēng)速變化的大致趨勢如圖圖3—1漸變風(fēng)隨時間變化曲線其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-1〕其中：為漸變風(fēng)開始時間，為漸變風(fēng)終止變化時間，為最大風(fēng)速保持時間，為漸變風(fēng)最大值。3、陣性風(fēng)速用于描述風(fēng)速的變化過程中突然變化的成分，其變化趨勢如下圖：圖3—2陣性風(fēng)隨時間變化的趨勢陣性風(fēng)隨時間變化的趨勢，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-2〕其中：為陣性風(fēng)開始時間，為陣性風(fēng)持續(xù)時間，為陣性風(fēng)最大值。4、隨機(jī)噪聲風(fēng)速用于描述風(fēng)速變化中的隨機(jī)波動特性，是由一些諧波分量所構(gòu)成的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：〔3-3〕其中：為風(fēng)速隨機(jī)波動量的最大值，為風(fēng)速波動的平均間距，通常取0.5π～2π，為初相角，取0～2π之間平均分布的隨機(jī)數(shù)[12]。3.3風(fēng)速模型仿真風(fēng)速模型的仿真驗證為了驗證上述風(fēng)速數(shù)學(xué)模型的可行性和正確性，使用Matlab/Simulink軟件對其進(jìn)行了仿真驗證。圖3—3陣風(fēng)模塊圖3—4隨機(jī)風(fēng)模塊圖3—5漸變風(fēng)模塊下面分別驗證四種風(fēng)速圖3—6是漸變風(fēng)的根本模型，根本風(fēng)速選取11.5m/s在2s時開始變化，8s時到達(dá)一個新的風(fēng)速即10m/s。圖3—6漸變風(fēng)的根本模型圖3—7為陣風(fēng)的根本模型，在4s前保持根本風(fēng)速為10.5m/s，在4s到8s的時間內(nèi)變化，最后到8s后又到達(dá)穩(wěn)定。圖3—7陣風(fēng)的根本模型圖3—8為隨機(jī)風(fēng)的模型，隨機(jī)風(fēng)輻值為1m/s。圖3—8隨機(jī)風(fēng)根本模型圖3—9為隨機(jī)風(fēng)與漸變風(fēng)疊加后產(chǎn)生的風(fēng)速模型，根本風(fēng)速選取11.5m/s在4s時開始變化，8s時到達(dá)一個新的風(fēng)速即10m/s。圖3—9隨機(jī)風(fēng)與漸變風(fēng)疊加后的風(fēng)速模型圖3—10為隨機(jī)風(fēng)與陣風(fēng)疊加的風(fēng)速模型，在4s前保持根本風(fēng)速為10.5m/s，在4s到8s的時間內(nèi)變化，最后到8s后又到達(dá)穩(wěn)定。圖3—10隨機(jī)風(fēng)與陣風(fēng)疊加的風(fēng)速模型第4章風(fēng)力機(jī)模擬器的仿真研究4.1MATLAB軟件簡介MATLAB軟件作為當(dāng)今世界最流行的第四代計算機(jī)語言，由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)，在科學(xué)計算、網(wǎng)絡(luò)控制、系統(tǒng)建模與仿真、數(shù)據(jù)分析、自動控制、圖形圖像處理、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、通信系統(tǒng)、DSP處理系統(tǒng)、財務(wù)、電子商務(wù)、等不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Simulink是Matlab所提供的用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境，是結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的非線性動態(tài)系統(tǒng)仿真工具。4.1.1MATLAB軟件的典型特點〔1〕強(qiáng)大的數(shù)值和符號計算能力〔2〕簡單易學(xué)的語言〔3〕強(qiáng)大的圖形功能〔4〕獨具特色的應(yīng)用工具箱[13]4.1.2Simulink的根底應(yīng)用Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展和特色表達(dá)，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其優(yōu)點是使用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言上的編程。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的根本系統(tǒng)的功能模塊，用戶只需要知道這些功能模塊的輸入輸出及功能模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)和工作的，通過對這些根本功能模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，從而完成系統(tǒng)仿真模型的分析與構(gòu)建[14]。Simulink提供了一種函數(shù)規(guī)那么——S函數(shù)。S函數(shù)可以是一個M文件、C語言程序或者其他高級語言程序。Simulink模型或者功能模塊可以通過一定的語法規(guī)那么來調(diào)用S函數(shù)。正是由于S函數(shù)的引入，才使得Simulink更加充實，處理能力更加強(qiáng)大[13]。Simulink的另外一個重要特點就是它的開放性，它允許用戶制定自己的功能模塊和模塊庫。Simulink提供了13個子模型庫:Continuous(連續(xù)模塊)、Diserete(離散模塊)、Look-UpTables(查詢表模塊庫)、MathOperations(數(shù)學(xué)運算模塊庫)、Modelverification(模型驗證模塊庫)、Model-WideUtilities〔模塊實用模塊庫〕、Ports&Subsystem(端口和子系統(tǒng)模塊庫)、SignalAtributies〔信號屬性模塊庫〕、SignalRouting〔信號路由模塊庫〕、Sinks〔接收器模塊庫〕、Sources〔輸入源模塊庫〕、Used-DefinedFunctions〔用戶定義模塊庫〕、Discontinuities〔非線性模塊庫〕。在以上每個子模型庫中還包含有相應(yīng)的功能模塊，如MathOperations模塊庫里面的Gain〔常量增益模塊〕，Sinks模塊庫里面的scope(示波器)，Used-DefinedFunctions模塊庫里面的S-Function〔調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行計算〕等等。功能模塊的重要操作方法有：移動、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、顏色設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、屬性設(shè)定、模塊輸入輸出信號的設(shè)定等等。Simulink的運行操作。運行Simulink有三種方式:(1)在Matlab的命令窗口直接鍵入Simulink；(2)點擊Matlab的工具條上的simulink的快捷鍵圖標(biāo)；(3)在Matlab的菜單中，選擇FileNewModel，會彈出新建立的模型窗口，名為untitled。圖4—1Simulink模塊庫瀏覽器PowersystemBloekset(電力系統(tǒng)模塊庫),包括10類模塊庫，即電源元件庫〔ElectricalSources〕、線路元件庫〔Elements〕、電力電子元件庫〔PowerElectronics〕、電機(jī)元件庫〔Machines〕、連接器元件庫〔Connectors〕、電路測量模塊元件庫〔Measurements〕、附加元件庫〔Extras〕、演示教程〔Demos〕、電力圖形讀者接口〔Powergui〕和電力系統(tǒng)元件庫〔Powerlib-models〕。如圖5—2所示。圖4—2SimPowerSystem〔電力系統(tǒng)模塊庫〕4.2平波電抗器平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。4.3風(fēng)力機(jī)選擇選擇風(fēng)力機(jī)型號型號：FD5-3葉輪直徑：10m葉片材料：GFRP葉片數(shù)目：3支切入風(fēng)速：3.5m/s切出風(fēng)速：20m/s抗大風(fēng)速：50m/s額定風(fēng)速：10.5m/s額定轉(zhuǎn)速：220r/min額定功率：3kW最大功率：4kW塔架方式：拉線鋼管控制方式：智能控制發(fā)電機(jī)：釹鐵硼永磁低速發(fā)電機(jī)輸出電壓：〔直流〕228V輸出電壓：〔交流〕220V偏航方式：尾翼自動跟蹤風(fēng)向功率調(diào)節(jié)：離心錘同步自動變槳距或尾翼自動偏側(cè)和電加負(fù)載停機(jī)方式：手動剎車塔高：8m整機(jī)重量：1500kg逆變電源：3000W/220V/50Hz蓄電池：150Ah/18節(jié)4.4直流機(jī)的控制4.4.1根本控制思想風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性為非線性關(guān)系。而直流機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性為線性關(guān)系。圖4—8風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為：(4-1)式中：為空氣密度，為一個常數(shù)，通常情況下，即20攝氏度時，取1.205kg/m3R為風(fēng)力機(jī)葉片的半徑，單位為m；V為風(fēng)速，單位為m/s；λ為葉尖速比，是風(fēng)力機(jī)的運行參數(shù)，為葉片的葉尖速速度與風(fēng)速之比，可以表示為(4-2)式中，為風(fēng)輪角速度，單位；n是風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為。將λ代入轉(zhuǎn)矩公式，可以得到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系[19]：〔4-3〕圖4—9此風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性在MATLAB/SIMULINK中，直流電動機(jī)模型輸入為轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式：(4-4)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩即可到另一量。現(xiàn)將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速公式代入直流電動機(jī)中：(4-5)(4-6)轉(zhuǎn)速n可以由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩代替：(4-7)最終可得電動機(jī)要得到的電樞電壓：(4-8)代入所要求的轉(zhuǎn)矩T便可知道此時所需電壓。圖4—10根本原理圖提供更為直觀的，操作更為簡便的建模方式，這將有助于將復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分解為簡單的“物理〞模塊[21]，適合用來分析發(fā)電機(jī)組的各種運行狀態(tài)。5.1風(fēng)力機(jī)模型關(guān)系曲線，由于資料有限，所以本文的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)數(shù)據(jù)來至于參考文獻(xiàn)[36],利用數(shù)據(jù)構(gòu)造分段的多項式函數(shù)利用分段函數(shù)畫出λ—Cp的函數(shù)曲線如圖2-1所示，在圖2-1中選取回一個向量長度為n+1的多項式的系數(shù)。本文分別用4次、6次、8次多項式對葉尖速比圖2-6多項式擬合的轉(zhuǎn)矩特性表2-2轉(zhuǎn)矩特性曲線特征點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通過函數(shù)polyfit()可以得到返回擬合的多項式系數(shù)，系數(shù)如表2-3所示。表2-3擬合多項式系數(shù)多項式系數(shù)取值0.00357990.012256-0.0213380.026674-0.012543多項式系數(shù)取值2.8002e-03-3.1328e-041.7030e-05-3.5930e-07風(fēng)力機(jī)能從風(fēng)能得到的能量是由空氣動力學(xué)來決定的，渦輪的功率曲線是由式〔〕其中是功率系數(shù)和風(fēng)力機(jī)上槳葉節(jié)距角β共同定義的。C1和C2，C3和C4，C5和C6是功率系數(shù)，是由風(fēng)力機(jī)的設(shè)計決定的[17]。(4-5)(4-6)通過2.3節(jié)的內(nèi)容知道，要想捕獲最大風(fēng)能，需要風(fēng)力機(jī)于發(fā)電相互協(xié)調(diào)配合，在模型當(dāng)中利用給定轉(zhuǎn)矩TL模擬風(fēng)力機(jī)的負(fù)載。首先根據(jù)風(fēng)力機(jī)不同風(fēng)速下的功率曲線得到風(fēng)力機(jī)的最正確功率曲線只甜，利用上面介紹的擬合方法對只一曲根據(jù)擬合的多項式可以保證電機(jī)的負(fù)載運行在只。曲線上，這樣也就模擬出了發(fā)電機(jī)的運行方向。表2-4Popt擬合多項式系數(shù)多項式系數(shù)取值3.2782e-6-0.00172950.3732-42.3953多項式系數(shù)取值2268.2083-88140.65441193729.4445通過這一節(jié)分析的直流電動機(jī)的控制策略，利用MATLAB/Simulink軟件，搭直流電動機(jī)模型以及風(fēng)速變化模型等。首先，利用直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速圖2-7發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)的關(guān)系實現(xiàn)與的導(dǎo)通角，來控制電樞電壓的大小，到達(dá)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是通過給電機(jī)加負(fù)載來實現(xiàn)的，這里的負(fù)載計算是利用風(fēng)力機(jī)擬合的最正確功率曲線計算得到的，這樣就可以保證風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速改變的時候運行在風(fēng)力機(jī)輸出的最正確功率曲線上。也就到達(dá)了風(fēng)力機(jī)特性模擬的目的。圖2-8直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)仿真模型 〔b〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔c〕風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖2-9風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)速，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線圖在實際運行時，風(fēng)力機(jī)由于受外界風(fēng)速條件的影響不可能是恒定不變的，所到結(jié)論。風(fēng)力機(jī)的特性曲線與風(fēng)力機(jī)能提供的最大輸出轉(zhuǎn)矩都會隨著風(fēng)速的改變而產(chǎn)生變化。如果對與恒定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，

當(dāng)風(fēng)速減小的話，就有可能出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)

所以要對測功機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行大致的實驗給定風(fēng)速〔b〕風(fēng)能利用系數(shù)〔c〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線〔d〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔a〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線〔b〕電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線〔c〕風(fēng)能利用系數(shù)曲線〔d〕實驗給定風(fēng)速圖2-11當(dāng)風(fēng)速突加擾動時的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的曲線圖進(jìn)入風(fēng)力機(jī)特性曲線，即電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性響應(yīng)速度較快。系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)速在利用直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性時，需要對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超出了當(dāng)前風(fēng)速下模擬的風(fēng)力機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)該調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩來控制直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)變速恒頻運行。通過拖動系統(tǒng)理論可以得出結(jié)論，當(dāng)原動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性的斜率小于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性的斜率時拖動系統(tǒng)才能平衡。電動機(jī)控制系統(tǒng)是典型的拖動系統(tǒng)，穩(wěn)定運行時也必須滿足拖動平衡原理。從上述仿真波形可以看出，根據(jù)風(fēng)速模型的不同，風(fēng)力機(jī)都可以按照最大風(fēng)能捕獲的原理運行工作，并且能夠快速響應(yīng)新的運行狀態(tài)，穩(wěn)定的工作在新的運先，利用風(fēng)力模型而到在實際硬件平臺所需要的PI參數(shù)，在搭建風(fēng)力機(jī)特性模擬實驗平臺的時候，可以根據(jù)仿真得到的PI參數(shù)在進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整；另一方面通過作用量控制。實驗室研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)提供了一種實用的方法。本章闡述了風(fēng)力機(jī)的運行特性，分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的機(jī)理，給出了模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，首先采用多項式擬合的方法，對風(fēng)力機(jī)的運行特性曲線和發(fā)電機(jī)負(fù)載的運行曲線進(jìn)行模擬計算，并根據(jù)計算得到的指令對直流機(jī)進(jìn)行控制，即隨著風(fēng)速的變動，改變電樞繞組上的電壓值，使風(fēng)力機(jī)始行性，給出了硬件平臺所需要的一些參數(shù)，為硬件平臺的搭建提供了參考數(shù)據(jù)，致謝在我即將完成四年的本科學(xué)習(xí)生活之際，我衷心的感謝我尊敬的導(dǎo)師王淑紅教授，本文是在