风力机模拟系统
风力机模拟系统（精选8篇）
风力机模拟系统 第1篇
由于风能的特殊性,在实验室无法具备实际风场环境或风力机设备。在实验室的环境下,建立一套能够模拟风力机转矩特性的风力机模拟装置,能够为实验室环境下的风力发电系统整体研究提供有力的手段。风力机模拟的本质就是在适当的控制策略下进行能量或转矩的模拟,从而可在实验室模拟风机对发电机的作用[1]。由于风能具有随机性和不稳定特点,控制和监控技术是风力机安全高效运行的关键,故研究运行可靠、效率高、先进的监控系统是风力机模拟技术的重要组成部分。
目前已有的风力机模拟装置,按其使用的电动机,分为基于直流电动机[2]与异步电动机[3,4]的模拟装置;按整体结构分为采用单一DSP控制方式[3]和采用上、下位机联合控制方式[5,6,7]的结构。当前的主流方式是采用上、下位机联合控制异步电动机,以模拟实际风力机输出转矩。而上位机设计大多采用Visual Basic或Visual C开发工具来实现[7,8,9],其工作量较大,软件开发周期较长,且需要一定的软件设计基础。
为了缩短开发周期且达到同样的开发效果[10],本文采用LabVIEW软件开发了风力机模拟装置的上位机监控系统。该软件拥有友好的用户界面、强大的内置函数以及出色的仪器控制等特性[11,12]。在上位机监控系统内部,建立了上位机人机交互界面与风力机模型,通过调用PC机内部的风速数据库,利用风力机数学模型计算出风力机的瞬时转矩。同时监测系统的运行参数和运行状态。
1 风力机模拟装置
风力机是将风能转换为机械能的装置,风力机模拟装置由上位机系统和下位机系统构成,如图1所示。在上位机内部,通过风力机数学模型,得到风力机转矩信号,再将其送入到下位机,作为原动机的控制指令。同时,监测系统的运行参数和运行状态。下位机控制系统根据转矩指令和反馈转矩,实现异步电动机的转矩控制。
2 基于LabVIEW的监控系统设计
为了监视和控制整个风力机模拟装置,本文采用LabVIEW构建上位机监控系统,图2给出了上位机监控示意图。它实现的主要功能包括获取风速数据、发送转矩指令信号、实时收集电动机相关参数(电压、电流、转速)以及监视模拟器各个设备的运行状况和通讯软件的运行状态。
3 上位机的LabVIEW语言实现
本文以LabVIEW软件完成了上位机监控系统的建立。其中,建立风力机模型是编程的关键,它负责调用风速数据库,将实时风速点通过相应算法转化成转矩指令值,以上实现了监控软件的控制部分,基于此基础进行扩展就实现了监控软件的监视功能。风力机模型如图3所示。
在实验室研究风力发电技术,获取当地风速信息是开展研究的准备阶段。本文以河西地区的风电场为研究环境,使用河西地区某一时间段内测量的风速数据。风速数据库保存在PC机内,通过使用LabVIEW软件的“文件I/O”VI,对风速数据进行方便、快捷的调用。这就使得以LabVIEW语言编译的风力机模型有了外部输入数据源。
图4是上位机人机主界面。风力机监控系统主界面由四个子VI组成,分别是风速调用VI,曲线拟合VI,监控平台VI和退出系统VI。其中前三个VI为模拟器主体部件。
3.1 风速调用VI
在主界面窗口下,点击“风速调用”控件即可进入风速调用程序面板。在VI中,调用PC机磁盘中存放的风速文本文件数据,让其进入由LabVIEW编译的平台内部,继而对数据进行相关操作。风速序列波形框图将不断显示当前时刻被读取的风速数据点值,而风速曲线波形框图则用来显示全部的风速数据点值,两个不同显示尺度的框图能带给研究员不同的分析途径。
此外,为方便从其它途径分析风速数据文件,在VI中还增加了多种显示框。例如,最大/最小风速值、风速序列数以及每个序号点对应具体风速值等。
3.2 曲线拟合VI
主界面窗口下的另一个Ⅵ是“曲线拟合”控件,图5为其前面板:
风力机转矩系数特性曲线是一个非标准曲线,在风力机叶片的桨距角、叶轮半径一定时,它仅与当前风速和叶片转速有关,可用下面公式表示[2,5]
本文选定某一型号的风力机为研究对象,其转矩系数特性曲线可以通过风力机空气动力特性参数获得,对于小型风力机也可在风洞试验中得到[3]。风力机转矩系数特性曲线的解析式是构建风力机模型的必要条件,而多项式曲线拟合是解决此类问题最常用方法。选取风力机转矩系数特性曲线上具有代表性的特征坐标,如表1所示,通过“曲线拟合”程序得到指定系数的多项式拟合曲线。
3.3 监控平台VI
“监控平台”程序是监控系统的核心部分,主要用来设置风机模型参数、显示采集到的各参数波形曲线以及给定上下位机串口通讯的相关参数,实现监测与控制的功能。
“监控平台”Ⅵ前面板主要分为三大模块,开关按钮模块、输入/输出显示模块以及I/O参数设定模块。该Ⅵ是上、下位机连接的纽带,通过此Ⅵ前面板,可以设置相关参数,即可实现控制功能;其“参数显示模块”能及时反映系统运行状况,达到监测目的。
4 实验结果
图6为实际的风力机转矩系数特性曲线,根据表1内选定的特征坐标,采用不同系数进行多项式拟合,在图7中得到相应的多项式拟合结果。
由图7可以看出6次多项式拟合与实际被模拟风力机的转矩特性曲线的误差最小。因此选用6次多项式的系数作为风力机转矩特性的多项式系数,如表2所示。
得到了风力机转矩特性的多项式系数,就可以用LabVIEW软件编写风力机模型的程序,其原理框图如图8所示。启动上位机LabVIEW程序,“风速曲线”前面板成功获取了河西风场实际风速数据,并将150组风速数据绘制成风速实时变化曲线,如图9所示。
5 结束语
本文基于LabVIEW开发了风力机模拟装置的上位机监控平台,通过以上的数值仿真和实测结果,能够得到如下结论
(1) 通过LabVIEW软件编写的多项式拟合程序,采用多项式拟合的方法,对风力机转矩系数特性曲线进行了拟合,由多次拟合的实验结果得出,6次多项拟合结果最为理想。
(2) 实验表明在LabVIEW中设计的风力机模型能够成功地调用数据库的风速数据,实现模拟风力机的功能。
(3) 运用LabVIEW虚拟仪器作为上位机监控软件能够有效地控制和监视风力机模拟装置的运行。
摘要：风力机模拟装置,由上位机和下位机共同构成,能够控制异步电动机按照上位机给定的转矩运行,从而可在实验室模拟风力机对发电机的作用。采用LabVIEW语言建立了上位机监控系统,通过内部建立的风力机数学模型,完成了风速输入到转矩输出的转换,并利用串口实时向下位机发送转矩指令值;同时监控系统能够实时采集异步电动机运行参数,监视各模块的运行状态。实验室测试表明,上位机监控系统功能正常,达到了设计要求。
关键词：风力机,模拟装置,LabVIEW,上位机监控,人机界面
参考文献
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大型风力机的复合材料叶片 第2篇
随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪末，风电机组主力机型是750kW。到2002年前后，主力机型已经达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。海上风电场的建设要求单机容量更大的机组，欧洲已批量安装 3.6MW机组，5MW机组也已安装运行。
叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键。如1.5MW主力机型风力机叶片长 34～37m，每片重6t，设计制造难度很高。在国外叶片集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是丹麦的LM公司，是世界上唯一一家全球叶片生产商。目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上都是LM的产品。至2000年LM已生产6万片叶片，当年生产7200片叶片，占居世界市场的45%，近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产叶片。大型风力机的复合材料叶片技术 2.1 材 料
目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点： ①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻 叶片的重量。②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产。
③叶片使用20a，要经受108次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料。
④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。
2.2 气动设计
风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论做出了贡献。Betz、Glauert、Wilson等在此基础上发展了风轮气动理论。我国的气动学家对风轮气动理论也做出过贡献。
Betz采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。理论假定，风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。应用动量方程，Betz推导出风能利用系数： Cpmax=16/27≈0.59
3这就是著名的Betz极限。叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法，但目前不常用。Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能影响较大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对Glauert设计方法进行了改进。研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮Cp值最大，须使每个叶素dCP值最大。理论建立了dCP与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。确定气动外形后计算气动性能，主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。上述气动理论有其局限性，理论设计须结合风场运行验证更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。
2.3 风力机复合材料叶片构造设计
设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上，因此叶根的荷载最大。根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高。上述强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端设计应予以重视。大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。金属法兰与叶根柱壳胶结，而不是传统的螺栓连接，这可减轻根部的重量。大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。蒙皮由双向玻纤织物增强，以提高蒙皮的剪切强度。蒙皮的后缘部分采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部弯曲荷载，它采用单向程度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。
2.4 结构设计
叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算50a一遇的极端风速，要求叶片在极限荷载
下满足强度、变形、稳定条件。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S N曲线，应用Palmgren
miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。
风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上的气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整数倍。对于3叶片风力机组，频率为转速3倍的动荷载分量最大。为避免叶片共振或产生较大的动应力，规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。叶片的频率计算较复杂。叶片是变截面的，各截面的扭角是不同的。振动时各个截面可分解为两个方向的位移，产生了两个方向互相耦合的弯曲振动，计算时应考虑耦合影响。叶片的弯曲耦合振动方程：
(EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0
(EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0
上述方程可采用数值方法求解。大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏，称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此本设计采用夹层结构。芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。叶片的构造较复杂，由外壳、主梁、夹层等构件组成，模型建立较困难。目前有叶片专用前处理软件，简化了叶片的结构分析。2.5 工艺制造
大型风力机叶片大多采用组装方式制造。在两个阴模上分别成型叶片蒙皮，主梁及其他GRP部件分别在专用模具上成型，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。胶粘剂是叶片的重要结构材料。它应具有较高的强度和韧性以及良好的操作工艺性，如不坍落、易泵输及室温固化特性等。
早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺，目前已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是最近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。真空辅助灌注技术是应用薄膜包覆敞口模具，应用真空泵抽真空，借助于铺在结构层表面的高渗透率的介质引导，将树脂注入到结构铺层中。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，在国外已用于成型大型的GRP叶片。
我国GRP叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。但对于大型的兆瓦级风力机叶片，由于叶片体形庞大，最宽处达300cm左右，最高处大于200cm，传统的手糊成型工艺已不适用。况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。真空辅助灌注技术是解决这一难题的一种新的成型工艺。本文通过多次试验摸索，解决了一系列技术问题，如布管方式、真空度控制、树脂选择、层板皱折等，取得了很好的效果。为国内的叶片成型工艺技术水平的提高和今后兆瓦级风力机叶片的产业化奠定了技术基础。2.6 产品认证
风力机及部件的用户自己很难评估机械部件的质量和安全性，须经权威机构检验和认证，如德国 GL、丹麦的RISOE、中国船级社等。商业化风力机机组的安全等级评估是认证的最重要的内容，对风力机的结构设计和安全性进行评估，确认是否符合IEC 标准或其他相关标准。考虑不同的气象和地理环境，标准将风力机的安全等级按50a一遇的极端风速及年平均风速分类，对一些特殊情况规定了S级。S级风力机组的设计值由设计者确定。
我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准，其中关于大型风力机叶片的标准为“风力机组风轮叶片”。该标准基本上参照了IEC标准与德国劳埃德船级社规范。标准对复合材料叶片的材料选择、制造工艺、结构设计等方面均作出规定。中国船级社组织制订了风力机认证规范。国家标准及认证规范的颁布实施使国内生产厂家可按与国际标准等效的技术要求进行整机及部件的设计、生产与质量控制。风力机复合材料叶片发展趋势
风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲，尤其是德国、丹麦、西班牙，自 1997年以来，风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多目前世界平均单机容量为1MW，主力机型是1.5～3MW。海上风电是风电发展的新领域。欧洲有十多个国家计划在近海增加装机容量2000万kW以上。我国也将进行海上风电的开发。第一个海上风电项目的装机容量为2万kW，采用8台2.5MW机组。在近海建立风电场的主要原因是海上的风速相对较高，大部分海上风场的发电量会比陆上风场高20～40%，其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求，制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组，与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10年，还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。丹麦RISOE实验室新筹建的叶片试验中心能进行长度100m的叶片结构试验，为今后风电技术发展做准备。
叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10--60m长度的叶片进行了统计研究，发现叶片重量按长度的三次方增加。
叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。
对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20～30%。目前世界上最大碳/玻混杂风力机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的，叶片长56m。Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了4.5MW风力机组用碳纤维增强叶片。对于大型叶片是否需用碳纤维增强，目前还有争议。LM公司开发的60m叶片是GRP的。目前大多数人认为这应有一个临界尺度，大于此尺度的叶片须使用碳纤维增强。
风力机模拟系统 第3篇
关键词：风力机模拟,直接转矩控制,离散空间矢量调制,直驱永磁同步风力发电系统
0 引言
由于风力发电现场环境恶劣、实验空间狭窄、自然条件不确定等,导致风力发电技术的前期实验研究难于在现场进行。为此,实验室常用风力机模拟系统代替实际风力机实验,即根据当前风速和风力机转速计算出风力机转矩,然后按照此转矩指令控制原动机的实际输出转矩,使模拟系统的机械特性与风力机特性一致。
目前,在风力机模拟系统中,直接转矩控制(DTC)的异步电机很受青睐。直接转矩控制摈弃了矢量控制中的解耦思想,算法上不存在旋转坐标变换,控制结构简单,转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式,文献[1]就是运用DTC设计的风力机模拟器。然而,传统DTC在低速下存在转矩脉动大、电流畸变严重等不足,影响了对风机特性模拟的准确性[1,2],特别是对于转速较低的永磁直驱型变速恒频风力发电机组,这种不足将凸显出来。文献[3]用离散空间矢量调制(DSVM)技术改善了传统DTC低速转矩脉动大的问题。本文采用离散空间矢量调制技术,提高风力机模拟系统的低速性能,使其适用于直驱型永磁同步风力发电系统。
论文基于离散空间电压矢量调制直接转矩控制算法,应用异步电机建立了风力机模拟系统,再将其与直驱型永磁同步风力发电机对接,组成完整的风力发电模拟系统进行了仿真研究,仿真结果验证了论文所提方案的可行性与有效性。
1 DSVM直接转矩控制
传统直接转矩控制的思想为:系统将定子电压和电流经过3/2变换输入到磁链和转矩观测器,估算当前磁链和转矩,根据磁链和转矩比较器的输出以及定子磁链信号所在扇区,选择最佳开关状态,得到期望的PWM控制信号,从而控制定子电压、电流和转速变化。
1.1 磁链观测模型
异步电机直接转矩控制的关键在于定子磁链的观测及转矩的估算,其准确性对系统的性能影响很大。传统的u-i模型结构简单,但只有在高速时,才能很好地体现出其精度高的优点;i-n模型虽然不受定子电阻Rs变化的影响,但易受电机参数Ls、Lr、Lm、Rr等变化的影响,并且ωr的测量误差对模型的结果影响很大。本文运用全速范围内都实用的u-n模型[4]观测定子磁链,它综合了u-i模型及i-n模型的优点,很好地解决了模型切换问题,其建立过程如式(1)～(4)所示[5]。
式中:p为微分算子;a=Lm/Lr;b=(LsLr-)/Lr;
is分别为定子的磁链、电压、电阻、电流;ψr、Rr、ωr分别为转子的磁链、电阻、转速;Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感及定转子互感。
1.2 离散空间电压矢量调制
传统DTC算法使用电压型逆变器的8种开关状态,产生相应的8个空间电压矢量,每个控制周期只输出一个工作电压矢量。DSVM算法则将一个控制周期分为m个时间段,每个时间段都可输出一个电压矢量,从而合成许多新的电压矢量。m值越大,合成电压矢量的数目越多,转矩脉动越小,开关表也越复杂。综合考虑,选m=3,即可使转矩波动明显减小,且不需要太复杂的开关表[6]。
为了充分利用所有的合成电压矢量,运用DSVM-DTC时,将1个扇区划分为正负2个子扇区,如图1所示。若定子磁链处于扇区3内,传统DTC只有5个电压矢量供选择,以确定相应的开关状态,而采用三时间段DSVM算法时,则可以用到19个电压矢量。
综合的开关表由两层磁链滞环比较器和五层转矩滞环比较器确定。转矩滞环比较器如图2所示,其中:-1、0、+1级对应稳态运行范围,选择使转矩变化小的电压矢量;-2,+2对应转矩变化较大的动态过程,选择使转矩变化大的电压矢量。在高速时,零电压矢量产生的转矩减小量比低速时明显得多,所以将转速细分为低速(v<15%额定转速)、中速(1 5%
2 风力机模拟系统
本文的风力机模拟系统采用异步电机作原动机,其机械特性曲线与风力机的特性曲线存在交点,如图3所示。在给定转矩(或转速)的条件下,控制异步电机转速(或转矩)的大小,使其运行于二者机械特性曲线的交点处,即可符合风力机的运行状态,但要保证最大转矩值小于异步电机所能输出的最大转矩值,以使系统稳定运行。
2.1 风力机模型
风轮输出转矩的建模方法主要有:基于叶素理论[7]的建模和基于气动设备子模型[8]的建模。如果用桨叶的基本理论建模,将不可避免要解决风轮几何学问题、复杂冗长的计算等问题。因此,本文按照空气动力学理论[9]建立风轮的气动设备子模型。
风轮输出的机械功率为
式中:ρ为空气密度,单位kg/m3;R为叶片半径,单位m;v为空气速度,单位m/s;Cp为风能利用系数。
由此得风轮输出的转矩为
式中:λ=ωR/v,为叶尖速比;CT(λ)=Cp/λ,为风力机的转矩系数,可用式(7)所示的6次多项式拟合[10]。
式中,a0,a1,,a6为多项式系数。
风轮输出的转矩经风轮转子、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机转子传递到发电机,对这一传动系统可建立刚性轴模型和柔性轴模型,两种建模方式对本文的研究重点无影响,但由于柔性传动系统得到的模型过于复杂,因此,本文建立刚性轴模型,从风轮气动转矩到发电机反应转矩之间的传递函数[11]见式(8)。
式中:Jr、Tr分别为风轮转子的转动惯量、气动转矩;Jg、Te分别为发电机转子的转动惯量、电磁转矩;ωg为发电机转动角速度;u为齿轮箱传动比;H(s)为系统的传递函数;s为复变量。
2.2 风力机模拟系统的结构
要使异步电机电磁转矩与风力机输出转矩相同可理解为使异步电机拖动一个与风机转矩相同的负载。因此,本文建立的模拟系统把风机的输出转矩加到电机负载端。据P=Tω,二者转速也应保持一致。由于风力发电过程中,风力机接收到的风能是从风轮低速轴,经齿轮箱升速,传递到发电机高速轴的,因此,异步电机反馈的转速需经齿轮箱传动比换算后,再送入风力机模型计算转矩。传动比为1时,便可用于模拟直驱型风力发电机组。根据以上分析,风力机模拟系统的结构如图4所示。
2.3 基于模拟风机的直驱永磁同步风力发电系统的结构
将所建立的风力机模拟系统与永磁同步发电机(PMSG)、双PWM变换器、控制器等连接,进而组成基于风机模拟系统的直驱永磁同步风力发电模拟系统,如图5所示。DSVM直接转矩控制下的异步电机按照风力机特性运行,与发电机同轴连接,带动发电机发出幅值和频率变化的交流电,首先经过电机侧的三相PWM逆变器整流成直流,再经网侧的PWM逆变器变换为三相幅值和频率恒定的交流电传递到电网。
风力发电系统中,当风力机的桨距角保持不变时,风能利用系数Cp仅由叶尖速比λ决定。风力机运行于最佳叶尖速比λopt时,可得到最大风能利用系数Cpmax,此时风力机转换效率最高[12]。因此,可通过最大功率跟踪控制获得最优风轮转速,也即风机模拟系统的异步电机与并网发电系统的永磁同步发电机的最优转速,从而使整个系统工作在最大风能利用状态。
3 仿真研究
3.1 风机模拟系统的仿真
基于DSVM的风力机模拟系统的Simulink仿真结构如图6所示。风力机参数为:空气密度ρ=1.225kg/m3,叶片半径R=4 m;异步电机参数为:额定功率15 kW,额定电压400 V,额定频率50 Hz,额定转速1 460 r/min,定子电阻0.214 7Ω,定子电感0.991 mH,转子电阻0.220 5Ω,转子电感0.991 mH,定转子互感64.19 mH,转动惯量0.102 kgm2,极对数2。
为检验系统的低速性能,特将给定转速设为200 r/min,给定转矩设置为90 Nm,图7为DSVM-DTC算法与传统DTC算法的异步电机转矩脉动对比,图8为定子电流波形对比。可见,DSVM-DTC算法的转矩脉动大为减小,电流畸变也有了很好的改善,大大提高了风机模拟系统的低速稳定性。
3.2 基于模拟风机的直驱永磁同步风力发电系统的仿真
按照图5所示的原理图,搭建相应的仿真模型,用风机模拟系统代替风轮机,驱动直驱永磁同步风力发电机,进行并网发电。仿真的永磁同步发电机参数为:定子电阻0.01Ω,定子电感1.5 mH,永磁体磁通0.182 1 Wb,转动惯量0.08 kgm2,极对数12。风速变化过程设置为:0
4结论
采用DSVM-DTC算法,改进了传统直接转矩控制低速转矩脉动大、电流波形畸变严重等缺点,建立了基于此算法的风力机模拟系统,并将其与直驱式永磁同步发电机并网系统对接,组成风力发电模拟系统,进行了仿真研究。仿真结果表明,改进的DTC算法有效地提高了风力机模拟系统的低速稳定性,与永磁同步发电机组成的风力发电模拟系统在最大功率跟踪控制下,能准确地调节到最优转速,使系统以最大风能捕获模式运行,为实验室研究风力发电提供了一个很好的方案。
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风力机模拟系统 第4篇
1 建立几何模型
采用FLUENT软件的前处理软件GAMBIT进行几何建模[2,3,4],取弦长为1m的S816翼型建立几何模型如图1所示。计算网格采用结构化的C型网格,局部网格如图2所示,网格数为50 100。
2 控制方程
由于风力机一般工作在Ma<0.3的范围。因此,我们可假设翼型的绕流问题为不可压缩流动,控制方程采用二维不可压缩N-S方程和二维连续性方程,选用RNGk-ε两方程湍流模式作为计算模型,RNG k-ε湍流模型,该湍流模型来源于严格的统计技术,与标准k-ε模型相似,有如下改进:(1)RNG k-ε湍流模型在ε方程中加了一个条件,有效地改善了精度;(2)考虑了湍流旋涡,提高了这方面的精度;(3)RNG理论为Prandtl数提供了一个解析公式,而标准k-ε模型使用的是用户提供的常数;(4)标准k-ε模型是一种高雷诺数模型,RNG理论提供了一个考虑雷诺数流动粘性的解析公式;这些特点使得RNG k-ε模型比标准k-ε模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。在RNG k-ε模式中,根据经验值及后来的实验验证,模型常数的取值为:C1ε=1.42,C2ε=1.68,Cμ=0.084 5。
3 设定边界条件
(1)进口边界条件。设定无穷远来流风速做为进口的边界条件,压力为大气压力,进口气流的湍流度可根据具体风场状况确定,这里选用常规的3%来计算。
(2)出口边界条件。采用自由出流作为出口边界条件(因为自由出流条件使用限制少,计算更容易收敛)。
(3)壁面条件。壁面为翼型表面,根据选定的湍流模型,把风(气流)作为粘性流体来处理,所以在近表面处要使用无滑移条件和无渗透条件。
4 求解设定
(1)采用分离式求解器(segregatedsolver)进行求解,即顺序地、逐一地求解各方程。
(2)采用隐式算法将离散的非线性控制方程线性化为在每一个计算单元中相关变量的方程组,即对于给定变量,单元内的未知量用邻近单元的已知和未知值来计算。
(3)流动为非定常流动。
(4)流场中只存在空气单相流动,这里暂不考虑风沙等多相流的情况。空气密度和空气动力粘度依据模型提供的常规值并且保持为常数。
(5)重力条件。因为气流(空气)密度很小,所以可以不考虑重力的影响
(6)能量条件。在求解过程中可以假定所有过程都是绝热过程,即不考虑热传导与太阳辐射。
(7)粘性模式采用RNG k-ε两方程模式,在近壁面处采用计算效率高、工程实用性强的标准壁面函数法处理。
(8)方程中压力-速度耦合采用SIMPLE(SemiImplicitMethodforPressure-linkedEquations)算法即“求解压力耦合方程组的半隐式方法”,它属于压力修正法的一种。它是目前工程上应用最为广泛的流场计算方法,主要用于求解不可压缩流场的数值方法(也可用于求解可压流动)。它的核心是采用“猜测-修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压力场,从而达到求解动量方程(Navier-Stokes方程)的目的。
(9)方程中的动量、湍流动能均采用二阶迎风格式处理。
(10)连续性方程、各个运动方程以及其他方程的计算收敛误差均设定为0.000 001。这样设定即可达到计算结果的精度要求,又可以节省计算的时间。
(11)求解升力和阻力系数,由风力机空气动力学的叶素理论可知,由于沿风力机叶片假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰,因此,可将叶素看作是二维翼型,将作用在每个叶素上的力和力矩延叶片展向积分,就可以求得作用在风轮上的力和力矩。对每个叶素来说,其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量Vx0和平行于风轮旋转平面的分量Vy0,叶素上的气流速度三角形和空气动力分量如图3所示,图3中:Υ角为入流角,α角为迎角,θ角为叶片在叶素处的几何扭角;dFa为叶片上长度为dr叶素上的空气动力,该力可分解为法向力dFn和切向力dFt,同时也是升力L和阻力D的合力。dFn和dFt可表示为:
如图3建立直角坐标系,以翼型气动中心为坐标原点,竖直向上为x轴,水平向左为y轴。由于做翼型气动数值模拟研究时不考虑几何扭角(安放角),即θ=0,因此,xb和xs重合,yb和ys重合,则α=Υ;在FLUENT软件当中计算翼型所受气动力时,是通过翼型表面的压力分布,分别得到x方向和y方向的气动力分量,即图3中的dFn和dFt;我们可通过自定义的方法,按几何关系将dFn和dFt的值转换为L和D的值输出,计算公式如下:
5 数值计算结果分析
5.1 所采用数值模拟方法的验证
雷诺数为4106时[5],对S816翼型的气动特性进行非定常和定常数值模拟,得到了翼型升力系数和阻力系数随迎角的变化曲线,将非定常数值模拟结果和NREL所提供理论计算结果[1]进行对比,如图4所示。并将非定常数值模拟结果和定常数值模拟结果进行对比,如图5所示。可知非定常的模拟方法比定常的方法更加接近已知数据,定常的方法仅能在-8°～12°的迎角范围内进行数值模拟,随着迎角的进一步增大或减小偏差会越来越大,也就是说,随着分离点的进一步前移,漩涡范围的扩大,尤其当接近或超过失速点后,甚至会出现数值模拟不收敛的现象;非定常数值模拟结果则跟已知数据吻合良好;因此,本文采用非定常数值模拟的方法来研究S816翼型的气动特性,得到了迎角α在-16°～25°之间变化时,翼型的升力系数和阻力系数随迎角α的变化曲线,如图4所示。升力系数和阻力系数的极曲线,如图6所示。由图可知;该翼型具有较高的升阻比,失速点出现在14°迎角附近,最大升阻比大约为46.5,出现在6°迎角附近。
5.2 分离点随迎角的变化
雷诺数为4106时,对S816翼型在不同迎角下的速度矢量图进行分析,分别如图7图10所示。
由图6可知,迎角为-6°～5°范围,流动基本未发生分离;迎角为6°时,分离点大约出现在上表面距尾缘1/10的弦长处,随着迎角的增大分离点前移,涡的范围和强度增大,在16°迎角时,在尾缘处可明显观察到两个负压区,形成了两个反方向旋转的漩涡,分离点出现在上表面距尾缘大约1/3的弦长处,当迎角为24°时,分离点已前移至上表面距尾缘约5/6弦长处,涡的范围进一步扩大;迎角为负角度并进一步减小时,翼型的下表面发生流动分离,迎角为-8°时,翼型下表面出现流动分离,分离点出现在下表面距尾缘大约1/30的弦长处,随着迎角的进一步减小,分离点前移,涡的范围增大,强度增大,当迎角为-16°时,分离点移至下表面距尾缘大约1/2的弦长处。
6 结论
S816翼型是300kW以上大中型风力机所采用的翼型,翼型的气动参数比较缺乏;通过对S816翼型数值模拟结果与NREL所提供数据进行对比,验证了所采用数值模拟方法的可行性,通过数值模拟可进一步扩充该翼型的气动数据。
摘要：根据当前计算流体动力学(CFD)数值模拟的研究,对风力机专用翼型S816的模型进行数值模拟,主要针对翼型的升阻特性、失速、流动分离等方面内容,研究了翼型升阻力系数随迎角的变化、翼型在非定常、定常数值模拟结果对比等因素对翼型气动特性的影响,并总结了相关规律。
关键词：风力机,翼型,数值模拟
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风力机模拟系统 第5篇
风力机模拟实验对风力发电技术的发展有着重要的推进作用[1]。直流电机目前较多地用于风力机的模拟[2]。随着异步电机控制技术的发展,异步电机已经能够实现与直流电机相媲美的控制性能,在风力机模拟领域正逐渐取代直流电机。文献[3]采用矢量控制的方法对异步电机进行控制来实现风力机的模拟。文献[4]采用直接转矩控制的方法实现异步电机的风力机模拟,相比矢量控制,这种方法控制简单,但是在低速时存在转矩脉动大、电流畸变等不足。文献[5]采用离散空间矢量调制的直接转矩控制对风力机进行模拟,改善了模拟效果,但增加了系统的开关频率,使得系统对开关器件的要求提高。本文选用异步电机直接转矩控制的方式对风力机进行模拟,针对传统直接转矩控制以及风力机模拟的特点,提出了一种应用于风力机模拟的改进直接转矩控制方法,为风力机异步电机模拟提供了新的控制思路。
2 直接转矩控制改进方法研究
直接转矩控制方式无需进行坐标变换即可实现转矩与磁链的解耦控制,方法简单,动态性能好,适于异步电机的风力机模拟,但它也存在一些问题。为了改善基于直接转矩控制的风力机模拟的模拟效果,有必要对直接转矩控制进行分析。
2.1 传统直接转矩控制
在不考虑定子电阻压降的情况下,根据异步电机的数学模型可得到定子磁链与定子电压的关系:
由式(1)可知,定子磁链可以近似看作定子电压的累积作用。异步电机的电磁转矩表达式可以写为[6]
式中:θsr为磁通角;
通过对式(1)和式(2)的分析,可以得到如下直接转矩控制的控制律,即在保证定子磁链大小不变的情况下:1)若要增大电磁转矩,需加载有效电压空间矢量,使得定子磁链转速增大,磁通角θsr增大,从而使转矩增大;2)若要减小电磁转矩,需加载反向电压空间矢量,使得定子磁链转速下降,磁通角θsr减小,从而使转矩减小。
由图1可以确定电压空间矢量分布及扇区设置。直接转矩控制系统结构如图2所示,系统根据给定电磁转矩与实际电磁转矩观测值相比较得到转矩误差,通过滞环比较得到转矩的开关控制信号,之后经过查表在每个采样周期选择合适的定子空间电压矢量,从而确定逆变器的开关状态,使异步电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩。
2.2 传统直接转矩控制存在的问题及分析
异步电机在定子坐标系下的数学模型为[7]
式中:Rs,Rr为定转子电阻;Ls,Lr,Lm分别为定转子电感和互感。
由式(3),通过消去其中的电流量,可以得到电机磁链的状态方程:
其中
设采样时间为△t,可将式(4)进行离散化,得到的结果如下:
由式(2)可知k+1时刻电磁转矩为
将式(5)中Ψs(k+1)与Ψr(k+1)带入式(6),可得:
由式(7)可以发现电磁转矩的变化量主要受到两方面因素的影响:第1部分,即式(7)中的,这一部分转矩的变化量仅与上一时刻的电磁转矩以及采样时间有关,因此不是转矩脉动产生的主要原因;第2部分,即式(7)中的,这一部分与定转子磁链、电压空间矢量以及机械角速度等实时变化的量有关系,所以是转矩脉动产生的主要原因[8]。
2.3 对直接转矩控制的改进
当异步电机输出转矩在给定转矩附近脉动时,系统近似达到稳定,此时机械角速度ω不变,可以认为输出转矩与系统给定转矩近似相等,由异步电机电磁转矩公式,有:
经整理,可得:
在式(9)中,等式右侧为常数,因此ΨsΨr恒定。此时机械角速度ω恒定,则有恒定。由式(7),可得:
对式(10)进行整理,可得:
式中:C为常数。
由式(11)可知,此时电机电磁转矩的脉动仅受到的影响。通过对式(11)进行分析,可得:如果减小电压空间矢量us的大小,即可以减小的大小,亦减小了电磁转矩的脉动。
基于以上的分析,本文采用在一个采样周期里向有效电压空间矢量当中插入零开关矢量的方法实现对电压空间矢量的减小,来实现减小电机转矩脉动的目的。例如,在某一采样周期内,若控制系统采用“110”的电压空间矢量对异步电机进行励磁,插入零矢量“000”的方法如图3所示。
虽然向空间电压矢量中插入零矢量可以减小电机电磁转矩的脉动,但是这样会使得系统从一个状态到另一个状态的动态过程变长,当给定转矩变化很大时,系统甚至无法达到稳定。为了解决这一问题,本文设计了一种转矩控制双层滞环比较、查表环节选择性插入零矢量的改进直接转矩控制方法。本文设计的转矩控制双层滞环比较如图4所示。
在转矩偏差较大时,系统不向有效电压空间矢量中插入零矢量,保证系统动态响应过程的快速性;在转矩偏差较小时,系统向有效电压矢量中插入零矢量,使得稳态输出转矩脉动减小。具体的开关选择表如表1所示。
表1中:FK表示磁链滞环比较的输出;TK表示转矩滞环比较的输出;“1”表示电压矢量U0(100);“2”表示电压矢量U60(110);“3”表示电压矢量U120(101);“4”表示电压矢量U180(011);“5”表示电压矢量U240(001);“6”表示电压矢量U300(101);“z”表示零电压矢量。
3 风力机模拟的实现
风力机模拟的基本思想是根据实际风力机的特性,选用合适的电动机与控制策略,使其输出的转矩(功率)与转速的关系同实际风力机相应的关系一致。因此,风力机的模拟不是常规的电机速度控制,而是对电机的输出转矩(功率)进行控制。应用改进的直接转矩控制方法的风力机模拟系统如图5所示。
用户通过计算机上的人机交互界面设置风力机模拟的给定风速,之后计算机根据电机转速的检测值以及风力机特性计算出风力机需要输出的机械转矩并通过串行通讯口将此转矩当作给定转矩送给DSP控制器,控制器通过改进的直接转矩控制算法产生相应的控制脉冲对不可控整流加逆变变流器进行控制,变流器对异步电机进行励磁使其输出转矩与风力机的输出转矩一致,即实现了对风力机的模拟。
4 仿真分析
4.1 仿真对比分析
在Matlab/Simulink中搭建鼠笼式异步电机直接转矩控制的仿真平台,电机参数如下:PN=4 000W;UN=380 V;fN=60.5 Hz;Rs=3.65Ω;Ls=0.006 H;Rr=4.35Ω;Lr=0.007 6 H;Lm=0.2 H;p=2;J=0.014kgm2。分别运用传统直接转矩控制方式以及本文改进的直接转矩控制对电机输出的电磁转矩进行控制,给定转速为电机的额定转速1 800 r/min,给定转矩为17 Nm,得到的转矩偏差对比仿真结果如图6和图7所示。图6为传统直接转矩控制输出的电磁转矩偏差,偏差范围在-1.5～1.7 Nm之间;图7为改进直接转矩控制输出的电磁转矩偏差,偏差范围在-0.7～1.4 Nm之间。通过对比,可以看出,改进后系统输出电磁转矩的转矩脉动得到了明显的抑制,这有利于异步电机风力机模拟效果的改善。
4.2 改进方法的风力机模拟仿真
应用本文提出的改进直接转矩控制方法,对异步电机的风力机模拟进行了仿真,选用模拟的风力机的型号为FD4.0-3000-E,参数如下:额定功率为3 000 W;风轮直径为4.5 m;启动风速为2m/s;额定风速为10 m/s;安全风速为6 m/s;额定转速为220 r/min;由于电机额定转速为1 800 r/min,所以齿轮箱齿数比为8.2∶1。在Matlab/Simulink中搭建模拟系统的仿真平台,在额定风速10 m/s下,使电机转速从零增加,仿真结果如图8所示。风力机的输出即为风速10 m/s时风力机的转矩输出特性曲线,通过对比分析,可以得到如下结论:异步电机输出转矩与风力机的输出一致,偏差范围大致在-0.8～1.5 Nm之间,转矩偏差较小,因此本文提出的改进直接转矩控制可以用于风力机的模拟。
5 结论
本文针对应用于风力机模拟的异步电机直接转矩控制方法存在的转矩脉动问题进行了分析,通过向电压空间矢量中插入零矢量以及采用转矩双层滞环比较的方法对传统方法进行了改进,使转矩脉动得到了明显的抑制,将这种改进方法应用于风力机模拟,可以改善异步电机的模拟效果。
摘要：针对应用于风力机模拟的传统直接转矩控制存在的转矩脉动大的缺点,提出了一种改进的直接转矩控制方法。首先对传统的直接转矩控制转矩脉动产生的原因进行了分析,在此基础上通过向电压空间矢量中插入零矢量以及采用转矩控制双层滞环比较的方式对传统方法进行了改进,之后将改进方法应用于风力机模拟系统。仿真结果验证了改进方法在提高风力机模拟效果上的有效性。
关键词：风力机模拟,直接转矩控制,电压空间矢量
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风力机模拟系统 第6篇
关键词：翼型,气动性能,数值模拟
在众多的可再生能源中, 风能受到人们的青睐, 其具有巨大的发展潜力和优越性。我国具有丰富的风力资源, 但是我国风力机的技术水平, 尤其是风力机叶型气动性能的研究相对薄弱, 尚未形成自己的专业研发能力和专用叶型系列;而这两方面的工作对发展我国的风力机产业, 掌握自主知识产权, 具有重要意义。风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式 (立轴) 风力发电机两种形式;其中水平轴式风力发电机是目前技术最成熟生产量最多的一种。但是立轴风力发电机不需要调整风向, 发电机、齿轮箱等设备放在地面上, 极大地克服了水平轴风力机结构上的固有缺陷, 成为新型高效风力机开发的主要趋势[1]。随着风机制造业的迅猛发展, 对叶片的研究也越来越受到重视本文所研究的是一应用于立轴风机上的直叶片, 重点研究了在不同来流攻角下的升阻力系数[2]。
1翼型的几何参数
翼展为无限长的等剖面直机翼的空气动力特性即为翼型的气动性能。由于绕这种机翼的流动沿翼展没有速度分量, 流动参数只在与展向垂直的平面内变化, 属于二维平面流场, 因而又称为二维机翼。翼型的几何形状, 即几何特性, 决定了它的空气动力特性[2]。翼型的几何参数包括中弧线、前缘、前缘半径、后缘、后缘角、后缘厚度、弦长、厚度和弯度 (如图1) 。
2 翼型的气动性能
当气流流经翼型叶片时, 叶片下面的气流压力几乎保持不变, 叶片上表面气流速度增高, 压力下降, 于是叶片受到了向上的作用力。可分解为与气流方向平行的阻力和与气流方向垂直的升力[2]。
2.1 阻力系数
通常用翼型阻力系数Cd随攻角变化的曲线来表示翼型的阻力特征, 也可以用翼型阻力系数随翼型升力系数变化的极曲线来表示[3]。翼型的阻力系数定义为
式 (1) 中:ρ为气体密度;V0为来流密度;c为翼型弦长。
2.2 升力系数
翼型的升力特征通常用翼型升力系数Cl随攻角变化的曲线来表示, 翼型的升力系数定义为
式 (2) 中:ρ为气体密度;V0为来流密度;c为翼型弦长。
3 数值计算
3.1 数值方法
本文选择相对简单的单方程Spalart-Allmaras模型, 该方程使用一个模型输运方程求解动态涡黏性。该模型可以很好地模拟对于求解有壁面影响流动及有逆压力梯度的边界层问题, 在透平机械湍流模拟方面也有较好的结果, Spalart-Allmaras模型在Fluent中是相对经济的湍流模型[4]。
S-A模型的求解变量是
其中, Gv是湍流粘性产生项;Yu是由于壁面阻挡与粘性阻尼引起的湍流粘性的减少;
3.2 计算网格的划分
GAMBIT是FLUENT的前处理软件, 它的主要功能是生成计算网格。如果计算域网格划分过于稀疏, 将不能准确描述流场的特征, 计算误差大;当网格数目达到一定程度时, 已可以较好地反映实际情况, 此时若盲目地继续增加网格数目, 不会明显提高计算精度, 反而增加了计算所耗资源, 降低计算速度[5,6]。本算例采用H型结构化网格, 对翼型上表面布置132个节点, 下表面布置131个节点, 整个流场计算域网格数为36 240 (其翼型网格如图2) 。
4 计算结果及分析
翼型升阻比反映了翼型的气动效率, 升阻比越高, 翼型的气动效率越高。从图4翼型的升阻比随攻角变化的曲线可以看出, 翼型的升阻比在∂=3°左右时最高, 这时升阻比大约为16左右。
从∂=5°和∂=8°的叶片附近压强云图来分析, 叶片上表面处于低压区, 下表面比上表面压强高, 上下表面的压力差构成了机翼升力。分别比较压强云图和速度云图, 可以看出, 压强高的地方速度小, 而压强低的地方速度大;说明该计算结果符合流体流动的基本规律。
5 结论
使用Gambit和Fluent对风力机二维翼型进行了空气动力学分析, 结果符合流体流动的基本规律, 该翼型具有较高的升阻比。掌握了风力机翼型气动性能数值研究的方法;对该叶片翼型的气动性能进行研究, 为叶片的气动设计提供参考。本文的计算结果有待进一步完善, 网格划分以及计算模型的选取也可以更深入的研究。
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风力机模拟系统 第7篇
作为一种清洁可再生能源, 风力发电受到了广泛的关注。实验室的前期研究对风力发电技术的发展具有重要意义。但由于条件的限制, 大部分实验室并不具备风场环境, 不利于不同工况下风力发电系统的研究。因此, 研究风力机模拟技术是非常必要的［1］。风力机的模拟是指模拟系统模拟风力机在风能驱动下输出机械功率的特性［2］。目前, 主要采用直流电机或异步电机来模拟。直流电机由于其本身固有的缺点, 不适于构建兆瓦级大功率实验平台。近年来, 随着异步电机控制技术的不断发展, 特别是矢量控制技术的应用, 使基于异步电机的风力机模拟成为新的研究热点［3-4］。
在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制的风力机模拟系统中, 必须获得转子的速度和位置的信息, 才能实现定子电流的解耦。目前, 电机控制可以采用安装光电编码器等传感器进行速度检测, 但安装在电机端的速度传感器增加了系统的成本和复杂性, 降低了系统的可靠性, 采用无速度传感器控制技术是解决这个问题一个很好的方法［5］。模型参考自适应 ( MRAS) 理论是近年来发展起来并在异步电机矢量控制中得到较好应用的一种速度辨识技术, 它能保证参数估计的渐进稳定性的同时对电机参数变化和外界扰动具有较好的鲁棒性, 因而MRAS辨识技术在无速度传感器交流调速控制领域有很好的应用前景［5-6］。
在分析研究风力机特性和异步电机矢量控制技术的基础上, 将模型参考自适应辨识理论 ( MRAS) 引入到基于异步电机矢量控制的风力机模拟系统中, 通过对模拟电机的转速和转子时间常数同时进行辨识, 减小电机参数变化对模拟系统的影响, 以获得风力机模拟的良好效果。仿真结果验证了所用方法的可行性。
1 风力机特性
根据Betz理论, 风力机捕获的风能为［7］:
式中: P为风力机输出功率; ρ 为空气密度; AT为风轮扫掠面积; vwind为风速; Cp ( λ, β) 为风能利用系数; λ 为叶尖速比; β 为桨叶节距角; ωb为风轮转速; R为风轮半径。
根据风力机从风中捕获的功率P = TTωb, 可得到风力机的输出机械转矩为:
式中: TT为风力机机械输出转矩;
CT为转矩系数, CT= CP ( λ, β) /λ。
根据资料的记载和研究［7］, 风能利用系数可近似表示为:
式中:c1=0.517 6;c2=116;c3=0.4;c4=5;c5=21;
c6=0.006 8
在实验室中采用异步电机代替实际风力机拖动发电机, 进行模拟风力发电实验, 其结构如图1 所示。
2 无速度传感器异步电机的风力机特性模拟
异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统。矢量控制系统解决了异步电机的转矩控制问题, 应用坐标变换将三相系统等效为两相系统, 再按转子磁场定向的同步旋转变换实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦, 从而达到对异步电机的磁链和转矩独立控制的目的, 从而获得近似直流电机的控制性能［7］。
选取旋转坐标系的d方向与转子磁链矢量重合, 则可得到异步电机模型如下:
式中:电机漏磁系数;, 为转子时间常数。usd, usq, isd, isq分别为定子d, q轴的电压电流;ψ, ψrd分别为转子磁链及转子磁链d轴分量;Rs, Rr分别为定转子电阻;Ls, Lr, Lm分别为定转子自感与互感;ω1, ωr, ωsl, θ分别为定子电源频率, 转子角频率, 电机转差频率, 转子磁链位置;np为电机极对数;p为微分算子。
根据式 ( 7) 可知, 通过调节磁链电流isd可保证转子磁链为常数。根据式 ( 9) , 当转子磁链为恒定时, 此时电机转矩由转矩电流isq控制。故利用转矩电流可方便控制电机的转矩, 实现风力机的模拟。
从式 ( 5) - 式 ( 9) 可知, 转子磁场定向的矢量控制, 关键在于获得转子磁链矢量的幅值和位置。根据式 ( 8) 可知, 要准确获得转子磁链位置, 就需获得转速值, 目前, 电机控制可以采用安装光电编码器等传感器进行速度检测, 但安装在电机端的速度传感器增加了系统的成本和复杂性, 降低了系统的可靠性, 而采用无速度传感器控制技术能较好的解决这个问题。转子磁场定向矢量控制需要转子磁链恒定, 从式 ( 7) 可以看出, 如果认为转子时间常数Tr不变, 则转子磁链幅值只与励磁电流有关, 调节励磁电流就可保持转子磁链恒定。然而电机在实际运行过程中, 转子电阻会因为电机运行温度升高而发生变化, 转子时间常数不再是恒定的, 如此, 电机运行过程中转子磁链会因为转子时间常数的变化而发生变化, 如果不对转子时间常数实时辨识与调整, 将影响到矢量算法的解耦运算, 从而影响到转速辨识与控制效果。因而, 为获得良好的矢量控制效果, 对于转子时间常数的实时辨识是有必要的。
综上分析, 采用模型参考自适应法 ( MRAS) 对风力机模拟系统转速与转子时间常数同时进行辨识, 以获得良好的模拟效果, 其控制框图如图2 所示。
3 MRAS转速与转子时间常数辨识
首先检测出三相异步电机的定子电流和电压isa、isb、isc, usa、usb、usc, 然后通过3S/2S变换求出静止坐标系中的两相电流isα、isβ及两相电压usα、usβ。由定子轴系 α - β 中的两相电压、两相电流, 利用电流模型法和电压模型法分别估算出转子磁链, 基于MRAS估算出电机转速和转子时间常数。
令, 两相静止坐标系下的电流模型为:
两相静止坐标系下的电压模型为:
采用模型参考自适应的速度推算 (MRAS) 是利用转子磁链的电压方程和电流方程分别计算转子磁链。从式 (10) —式 (13) 可以看出, 电压模型中不含转速变量和转子时间常数变量, 而电流模型中含有转速和转子时间常数。故利用电压模型的输出作为参数辨识的参考模型, 利用电流模型的输出构造辨识系统的可调模型。构造出一个模型参考自适应系统, 选择合适的自适应规率, 可以得到转速与转子时间常数的辨识值, 本文采用电动机的转速和转子时间常数辨识值
式中, Ψ*rα、ψ*rβ为按电流方程计算的转子磁链; ψ^rα、ψ^rβ为按电压方程计算的转子磁链。为初始值, 可根据实际情况选取。kp, ki为比例积分参数。
由于原始电压模型中包含纯积分项, 积分初值和累计误差都会影响计算结果, 为避免这一情况, 可以采用低通滤波器代替纯积分环节, 而改进的电压模型相当于在原始电压模型加上一个高通滤波环节, 为平衡同时带来的磁链估计的相位误差, 在电流模型中引入高通滤波环节, 改进后的模型参考自适应结构图如图3 所示。
4 仿真研究结果
用于模拟的风力机参数为: 额定功率为15 k W, 叶轮半径为R =4.3 m, 最大风能利用系数为Cp =0. 48, 最佳叶尖速比为 λ =8. 1, 空气密度为 ρ =1. 25 kg/m3, 定切入风速为3 m/s, 切出风速为20 m/s, 额定风速为11 m/s, 齿轮箱变速比N =7.846。异步电动机参数如下: 额定功率P = 22 k W, 额定电压为U = 380 V, 额定频率为f = 50 Hz, 转子电阻Rr= 1. 322 Ω, 定子电阻Rs= 1. 253 Ω, 转子自感Lr = 0. 177 6 H, 定子自感Ls = 0.174 4 H, 互感Lm = 0. 169 7 H, 转动惯量J = 0. 02 kg·m2, 极对数n =2, 摩擦系数为0.005 8, 给定参考磁链为 Φ =1 Wb。PI调节器的参数整定为: 转矩调节器Kp = 540, Ki = 110; 磁链调节器Kp =0.157 5, Ki =30。
根据图2 控制框图, 在Matlab/Simulink平台上, 通过建立风能模型、风力机模型、异步电机模型、异步电机矢量控制系统模型、基于MRAS辨识电机转速与转子时间常数数学模型、等效发电机模型, 构建基于无速度传感器异步电机的风力机模拟系统的仿真模型。
4. 1 风力机特性模拟
分别在风速为5 m/s和6 m/s测得风力机转矩转速曲线、含速度传感器的异步电机模拟风力机的转矩转速曲线、无速度传感器异步电机模拟风力机的转矩转速曲线分别如图5、图6、图7 所示。从3 幅图可以看出在无速度传感器情况下, 基于MRAS辨识的转速与转矩关系, 和风力机在高速轴上输出的转速与转矩关系一致, 可知采用基于无速度传感器异步电机矢量控制能较好地模拟实际风力机特性。
为使基于无速度传感器异步电机模拟系统的运行状态与实际风力机一致, 并验证风力机模拟系统在实际运行中的稳定性, 利用搭建的仿真模型对模拟系统最大功率点跟踪运行状态进行仿真。本文对异步电机施加可以实现风力机最大功率捕获的负载, 图8、图9、图10 反映最大功率点跟踪下, 风能利用系数、含速度传感器的电机实际转速、无速度传感器情况下基于MRAS辨识的转速的仿真结果, 2 s前风速为7 m/s, 2 s时风速变为9 m/s。图8 反映是在无速度传感器情况下通过0 辨识转速实现系统模拟的风能利用系数曲线, 风能利用系数一开始是增加, 很快达到最大值0. 48 并保持稳定, 在2 s时风速突变, 风能利用系数短暂调整后稳定在0. 48, 实现最大风能捕获, 基于MRAS辨识的转速与电机实际转速一致。结果表明无速度传感器异步电机模拟系统能实现实际风力机最大功率跟踪运行特性的模拟。
4. 2转速与转子时间常数同时辨识的风力机特性模拟
图11、图12、图13 反映的是风速为5 m/s, 转子电阻在2 s时增大50% 即电机参数发生变化, 模拟系统的仿真结果。图11 在2 s前基于MRAS辨识的转子时间常数Tr已稳定在0. 134 3, 在2 s时转子电阻增大50% , 转子时间常数很快稳定在0. 089 53 符合理论值。图12 实线反映的是基于MRAS同时对转子时间常数和转速实时辨识下, 模拟系统的转速辨识值; 虚线表示的是未对转子时间常数实时辨识情况下, 转速辨识值。可以看出由于同时辨识转速和转子时间常数, 因此电机参数变化时, 转速仍然能稳定在最大功率点跟踪下风力机实际转速, 而转子时间常数未实时辨识时, 转速则不能稳定在最大功率点下转速即在这种情况下模拟的转速就不是实际风力机的转速, 如此可知实际运行过程中电机参数会发生变化, 对转子时间常数的辨识是非常重要的。图13 是模拟系统模拟的实际风力机转矩, 可知转子时间常数在2 s变化时, 系统模拟风力机的转矩在一段时间调整后仍然能稳定在实际风力机输出转矩。
5 结论
在分析风力机特性和异步电机矢量控制基础上, 通过将模型参考自适应理论引入到基于无速度传感器异步电机矢量控制的风力机模拟系统中, 提出了模拟系统实现的方案, 并通过对转子时间常数的辨识, 解决在电机参数变化时对模拟系统产生影响的问题。仿真结果表明方案能够较好的辨识出转速与转子时间常数, 实现异步电机较准确地模拟实际风力机特性, 证明系统设计的可行性。
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风力机模拟系统 第8篇
1 大功率风力机液压系统的常见故障
1.1 大功率风力机液压系统的常见故障
根据来自某风电场多台风力机运行情况的总结, 大功率风力机液压系统的常见故障有:a.电磁阀的控制线圈损坏, 这是最常见的故障, 电磁阀线圈损坏时导致液压系统无法执行中央控制器的指令, 全系统无法运行;b.信号隔离变送器损坏, 中央处理器对偏航系统的比例阀的控制信号需经信号隔离变送器转换为模拟信号, 变送器的输入为来自中央处理器的电压信号, 输出为供给比例阀电磁线圈的电流信号, 当信号隔离变送器故障时, 输出电流过小, 可能导致比例阀的开启量不足, 液压缸压力不足;c.溢流阀故障溢流阀失效, 导致系统压力无法达到设定值, 或系统压力过高, 表现为漏油甚至液压泵开裂、电动机轴连接键断裂等故障;d.液压泵机械机构损坏, 包括液压泵外壳开裂, 液压泵与电动机之间联轴器键损坏, 因此而导致系统压力过低, 系统长时间持续运行, 但系统压力没有达到设定值;e.蓄能器损坏蓄能器损坏导致系统压力达不到设定值, 往往使液压泵频繁启动, 每小时到达启动2~3次;f.漏油, 漏油包括内泄漏和外泄漏:内泄漏可通过手摸的方法检测, 并通过对液压元件进行更换、维修, 减少磨损量得到解决, 外泄漏会有明显的油滴外流现象, 主要原因有管接头或密封圈损坏、紧固螺钉预紧力不够或动配合安装不良等;g.液压系统过热, 一般指油管、溢流阀、液压泵等元件壳体的表面温度高压65℃, 对于风力发电机来说, 这种故障通常是油液受污染所致。
1.2 大功率风力机液压系统故障诊断方法
大型风力机液压系统的故障诊断应该重视日常的保养, 重视故障预兆的收集和分析, 预兆发展到一定程度才发生故障。实际运行维护工作中大型风力机液压系统的故障诊断一般遵循以下原则:a.故障的诊断应该有一个从大范围逐渐缩小到小范围的过程, 首先是判断是整机的工作条件方面的问题还是风力机本身的问题, 然后判断是机械方面的问题还是液压系统的问题, 确认是液压系统问题之后, 也要遵循从大范围逐渐缩小到小范围, 直到找出故障点的原则;b.重视运行记录信息和系统参数的作用, 对运行记录进行分析, 往往能够到达高效、及地发现故障, 诊断故障, 找出故障原因c.根据液压系统的基本原理, 从故障现象入手, 逐步深入找出故障原因;d.重视故障分析手段的应用, 大型风力机液压系统的故障分析方法通常有:感官检查法:通过眼看、手摸、耳听和鼻嗅等方法对液压系统进行检查, 以便发现一些包括壳体破裂、漏油、液流脉动、振动、温度变化、液压泵吸空等故障现象;替换检查法:将可能损坏的元件拆下, 换上新元件, 看看故障是否消除仪表测量检查法:通过仪表对压力、流量等系统物理量进行测量、判断;逻辑推理法:根据系统原理图, 按照动力元件、控制元件、执行元件、控制介质的顺序进行推理。
2 典型风力机液压系统介绍
2.1 叶尖扰流器控制
启动风力机时, 液压泵输出压力油, 收紧叶尖。油压继续上升, 达到过压继电器6-1的设定压力时, 过压继电器6-1发出信号, 停止油泵2-1转动系统压力由蓄能器5-2保持, 系统压力由溢流阀4-2限制。由于液压系统不可避免的泄漏, 使液压缸压力下降。当低于低压继电器6-2设定压力时低压继电器6-2发出信号, 液压泵重新启动, 补充油压。当发电机输出功率超过最高功率限制时, 电磁换向阀10断电, 液压缸的油液流回油箱, 系统泄压, 叶尖在离心力和弹簧力作用下打开, 执行气动刹车, 叶轮转速降低。
2.2 高速轴机械刹车控制
高速轴液压机械刹车系统也是一个风机的保护系统, 在风机启动前系统是靠液压缸无杆腔弹簧作用下使得制动钳或刹车片抱紧风机高速轴起到制动作用, 这样风轮就处于停车状态。当风力机启动时, 要求刹车释放, 此时3YA和4YA通电, 进油路接通, 回油路断开。液压泵2-1供油时, 油液进入液压缸。当供油压力大于刹车制动力, 推动液压缸活塞向下运动, 制动钳或刹车片松开, 刹车释放。当风力机正常工作时, 液压泵停止工作系统的压力由蓄能器5-1提供, 维持刹车释放状态, 直到由于泄漏造成压力下降, 压力继电器6-3发讯号, 液压泵工作向系统提供油液。当风力机停机或风力机突然超速要求紧急停机时, 要求刹车抱紧, 3YA和4YA断电, 液压缸的油液回油箱, 系统压力卸荷在弹簧力作用下刹车片抱紧, 风机停车。
2.3 偏航刹车控制
偏航刹车系统具有着机箱调向过程阻尼力和调向结束时的刹车力两个功能:开机或调向开始时, 5YA通电, 偏航刹车液压缸下缸的压力油经溢流阀4-5流回油箱, 系统压力由溢流阀4-5调定, 此压力下实现偏航阻尼, 以克服机箱及风轮的惯性力, 系统处于偏航状态;调向结束时, 5YA断电, 液压泵2-1向偏航刹车液压缸下缸泵油, 油压克服弹簧力实现偏航刹车;达到压力继电器5-1的设定压力时, 液压泵停机系统压力由蓄能器5-3保持。
2.4 偏航驱动控制
偏航动力由两个液压马达驱动以克服机箱及风轮的巨大惯性。调向之前, 偏航固定液压缸下缸进油, 偏航定位释放, 同时比例阀14通电, 阀芯的位置对应偏航方位角, 系统进入偏航调向状态。比例阀14中位时, 偏航失去驱动力, 同时偏航固定液压缸下缸也通过电磁阀14中位泄压, 偏航固定液压缸在弹簧作用下执行偏航系统固定。
3 典型风力机液压系统常见故障现象及其原因分析
该系统运行中经常发生的故障可以总结为四个方面:
3.1 故障一, 起动时, 机械刹车无法松开
故障现象:起动时, 中央处理器没有收到一个打开主刹车的开关电信号, 风力机处于紧急刹机状态, 叶尖阻尼板甩出。
故障原因:a.控制刹车卡钳的液压缸供、回油路电磁阀线3YA、4YA损坏;b.刹车传感器的A/D转换器损坏, 刹车松开传感器没有给风机中央处理器传递一个打开主刹车的开关电信号;c.比例阀14损坏, 系统未能进入偏航调节状态, 中央处理器因此未发出正常启动信号。
3.2 故障二, 机械刹车时, 刹车压力过低故障
故障现象:刹车开始, 机械刹车投入时中央处理器检测到的刹车压力低于设定值, 无法提供正常刹车力。
故障原因:a.溢流阀4-3设定压力错误, 或者该溢流阀损坏;b.电磁控制阀11或电磁控制阀12损坏, 电磁阀12损坏导致供油不足, 电磁阀11损坏导致回油路提前动作, 造成漏油;c.压力开关6-3损坏, 压力尚未达到设定值就提前动作, 关闭液压泵。
3.3 故障三, 正常运行时, 出现液压泵运行时间过长的现象
故障现象:液压泵电动机接触器一直在吸合状态;但液压压力无法上升到设定值, 持续时间超过设定极限, 风机执行正常停机程序。
故障原因:a.液压泵故障, 包括液压泵外壳开裂、液压泵与电机的连接花键损坏等;b.电磁阀线圈1YA或2YA损坏, 或A/D转换器损坏, 液压泵在设定时间内还不能建立足够的压力。
摘要：风力发电作为清洁能源受到国家的极大重视, 因为投资较高, 风力发电设备故障检修水平直接关系到企业的经济效益, 就大功率风力机液压系统的故障检修作介绍, 期待与大家交流经验。
风力机模拟系统
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