基于MatlabSimulink的风力机性能仿真研究[1]

能源研究与信息

第22卷 第2期 Energy Research and Information V ol. 22 No. 2 2006

收稿日期：2005-10-14

作者简介：高 平(1980-)，男(汉)，硕士研究生，gaopingping1980@ 。

文章编号: 1008-8857(2006)02-079-06

基于Matlab/Simulink 的风力机性能仿真研究

高 平,王辉,佘岳,李龙文

(湖南大学 电气与信息工程学院, 长沙 410082)

摘 要: 随着风力发电技术的发展，变速风力发电技术成为了风力发电发展的趋势。风力机作为变速风力发电机组的重要部分，其性能影响到风力发电机组的整体性能。根据变速风力机的静态性能特点，采用Matlab/Simulink 软件对其进行建模，并给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究，给出了风力机的静态性能数据和仿真波形。结果表明：通过调节影响风力机性能的各因素，保持发电机的转速与主导风速之间特定的最优比例系数，使得风力机保持在最佳叶尖速比下运行，跟随变速风速可实现最大风能捕获；对变速风力机的静态性能研究建模方法是正确可行的。

关键词: 变速风力发电; 转矩系数; 功率系数; 仿真 中图分类号: TK83

文献标识码: A

世界各国日趋关注环境与发展的问题，许多发达国家把可再生能源作为能源政策的基础，风能的利用是发展很快的一个领域，如今大型风力发电机在提供经济的清洁能源与公用电网展开了竞争。从1890年美国农村第一个风力发电机投运并开始生产电能，现在在欧洲风能利用以每年36%的量增长，风电技术也发展的很快，如今风力涡轮机平均容量是300 kW~600 kW 。已开发出1 MW~3 MW 的风力机并在世界范围内安装，更高容量的原型机正在开发中[1~2]。

变速恒频风力发电技术因其具有低噪音、低损耗，且变速恒频风力发电机能在低风速时能跟踪C pmax (λ，β )最佳曲线以获得最大限度捕获风能的能力，是风力发电技术发展的方向[3]。变速恒频风力发电技术是今后风电技术研究的重点和热点，不论从风力机的容量研究，还是风电技术的控制部分的研究。变速风力发电机组的风力机输出转矩和输出功率作为变速恒频风力发电系统的重要部分，它的静态性能在很大程度上影响风力发电系统的性能。本文采用Matlab /Simulink 仿真软件，对变速风力发电机组风力机的各种静态性能进行仿真研究，以建立合理的变速风力发电系统。

1 变速风力机原理

1.1 风力机结构

风力机是风电机组的最主要部件，是由桨叶与轮轴组成，桨叶具有良好的空气动力学外

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形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。在理论上，最好的风轮也只能将约60%的风能转换成机械能。在目前主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机[4]。本文主要研究的是采用变桨距，变转速发电机的变速风力发电机，其结构如图1所示。

1.2 变速风力机特性 当风力发电机处于静态运行时，

是发电机静态转矩特性和风力机气动转矩特性的交叉点，此时的节距角是

保持恒定的。由于风力机与发电机是

采用直接驱动方式联接的，因此可以

构建一简单的数学模型来反映变速风力发电机组的基本动态特性，即：

图1 风力发电机示意图

Fig. 1 Schematic of wind power generation

r

r

a e d J T T dt

ω=− (1) 式中，ω r 为风力机风轮角速度，rad ⋅s -1；J r 为风轮的转动惯量，kg ⋅m 2；T e 为发电机转矩，kN ⋅m 。

由式(1)可见，在静态运行时，风力机的输出转矩T a 等于发电机电磁转矩T e 。如果风力机

在变风速下运行，风力机转速则能跟随风速发生变化，风力机的输出转矩T a 与发电机电磁转矩T e 不停地跟随风速变化达到动态的平衡状态，由此可见，风力机的静态输出转矩是影响变速风力发电机组动态性能的一个重要原因。

风力机的静态特性由叶尖速比λ、风力机转矩系数C T (λ，β )、功率系数C p (λ，β )、风力机转矩T a 、风轮捕获功率P 表示，分别为[5]：

r

R v ωλ= (2)

23a T 1

π()2T C v R ρλβ=,

(3) 32p 1

π()2

P C v R ρλλβ=,

(4)

P T ()()C C λβλλβ=,,

(5)

式中，R 为风轮叶片半径，m ；ν 为主导风速，m ⋅s -1。

2 风力机性能建模

2.1 最大功率捕获系数给定

风力机的静态特性可以通过数值表得到，但是为了便于软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。根据文献[6]，C p (λ，β )为：

5

i

2P 1346i

()()λC

C C C C C e C λλββλ=−−+,

(6)

第2期 高 平等：基于Matlab /Simulink 的风力机性能仿真研究

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3i

1

10.035

0.081

λλββ=

−++

(7)

式中，C 1=0.5173，C 2=116，C 3=0.4，C 4=5，C 5=21，C 6=0.0068。

由式(6)可见，当桨矩角β 恒定时，在不同的风速下，只要控制风力机能使其保持在最佳叶尖速比λ下运行，从而可以确保风力机能取得最大功率系数C pmax (λ，β )，实现变速风力机的最大功率捕获。根据式(6)、(7)计算可以得到当λ=8.1时，C pmax (λ，β )≈0.48。 2.2 C pmax (λ、β )模型

根据文献[6]中的计算方法采用Matlab /Simulink 把λ、β 作为输入量、C p 作为输出量，用函数模块来实现C pmax (λ，β )模型，建立的C pmax (λ，β )模型图如图2所示。

图2 C p (λ，β)模型图

Fig. 2 Diagram of C pmax (λ，β) model

2.3 风力机模型

根据风力机静态性能，同样采用Matlab /Simulink 来进行建模。对于风力机中的核心部分最大功率捕获系数C p (λ，β )，可将图2的C pmax (λ，β )模型图直接引用入风力机静态模型，

λ由式(2)确定，风力机半径R 、主导风速ν、风力机转速ω r 作为输入量，通过调节其与主导风速之间的比例关系而得到。此外，将空气密度ρ、桨矩角β 作为输入量，将风力机的静态输出

特性—输出转矩T a 和捕获功率P 作为模型的输出量。构建的风力机的模型图如图3所示。

图3 风力机模型内部结构图

Fig. 3 Interior configuration of the wind turbine model