風(fēng)力機(jī)運行特性的仿真與實驗研究

風(fēng)力機(jī)運行特性的仿真與實驗研究

0風(fēng)機(jī)特性和控制方法的確定眾所周知，風(fēng)力作為清潔能源受到了越來越多國家的重視。它的研究、開發(fā)利用,也成為各國學(xué)者研究的熱點。在不具備風(fēng)場環(huán)境的實驗室研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)時,如何模擬出風(fēng)機(jī)的實際工作特性也就成為重要的一步。本文在分析實際風(fēng)力機(jī)特性后認(rèn)為,可以采用經(jīng)過特性改造和控制的直流電動機(jī)來模擬實際風(fēng)機(jī)的輸出特性。通過理論分析給出了控制規(guī)律,計算機(jī)仿真及實驗結(jié)果驗證了控制方案的可行性。構(gòu)建的實用風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)為實驗室條件下研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)提供了一條更接近現(xiàn)場實際可行途徑。1風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的最大功率曲線由空氣動力學(xué)特性可知,通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被葉輪吸收利用,可以定義出一個風(fēng)能利用系數(shù)Cp:Cp=E/Ein=Pm/Pw(1)Cp=E/Ein=Ρm/Ρw(1)式中:E——t時間內(nèi)葉輪吸收的風(fēng)能;Ein——t時間內(nèi)通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能;Pm——單位時間內(nèi)葉輪吸收且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能,即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率;Pw——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。系數(shù)Cp反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率,是一個與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪直徑均有關(guān)系的量。為了在不考慮葉輪轉(zhuǎn)速和直徑的條件下對葉輪性能作更普遍的討論,還可定義出風(fēng)力機(jī)的另一個重要參數(shù)葉尖速比λ,即葉輪的葉尖線速度與風(fēng)速之比:λ=RΩ/V=R2πn/(60V)(2)λ=RΩ/V=R2πn/(60V)(2)式中:R——葉輪的半徑;Ω——葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度;n——葉輪的轉(zhuǎn)速;V——風(fēng)速。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù),即葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效率與葉尖速比密切相關(guān)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp只有在葉尖速比λ為某一定值λm時才達(dá)最大。如內(nèi)蒙古動力機(jī)廠生產(chǎn)的FD7-5K型風(fēng)力發(fā)電機(jī):額定功率5kW,起動風(fēng)速4m/s,額定風(fēng)速9m/s,風(fēng)輪直徑7m,風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速223rpm,齒輪箱增速比7.846。其風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線如圖1所示。風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率為:Pm=12ρSV3Cp=π8ρD2V3Cp(3)Ρm=12ρSV3Cp=π8ρD2V3Cp(3)式中:ρ——空氣密度,1.25kg/m3;S——葉輪的掃掠面積;D——葉輪的直徑。風(fēng)能利用系數(shù)Cp不是一個常數(shù),它隨著風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)(如攻角、槳距角等)變化。我們可以取幾個不同的風(fēng)速,從圖1中查出葉輪不同轉(zhuǎn)速時所對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù),并將該風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)代入上式,即可算出該風(fēng)力機(jī)對應(yīng)于不同風(fēng)速下輸出機(jī)械功率,其曲線如圖2所示?？梢钥闯?不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率隨葉輪轉(zhuǎn)速而變化。但對于每一風(fēng)速總存在一個最大輸出功率點,與圖1中λ=λm、Cp=Cpmax點相對應(yīng)。風(fēng)力機(jī)的葉片有定槳距和變槳距兩種型式。對于定槳距的風(fēng)力機(jī),除了采用可控制的變速運行外,一般在額定風(fēng)速以下恒速運行時,Cp常常會偏離其最佳值,使輸出功率有所降低;超過額定風(fēng)速后,則通過偏航控制或失速控制等措施使輸出功率限制在額定值附近。對于變槳距的風(fēng)力機(jī),通過調(diào)節(jié)槳距可使Cp在額定風(fēng)速以下最大限度地接近最佳值,從而捕獲到最大的風(fēng)能以得到較多的能量輸出;超過額定風(fēng)速后,通過改變槳距減小Cp值,使輸出功率保持在其額定值上。所以為獲得最大的風(fēng)能利用,實際運行時最好通過調(diào)節(jié)槳距來保證風(fēng)機(jī)運行在最大功率曲線(圖2中的虛線)上。實際風(fēng)電系統(tǒng)中,風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱升速后接至發(fā)電機(jī),實驗室模擬時則是由直流電動機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相聯(lián),如何采用直流電動機(jī)特性模擬風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱升速后的最大功率曲線是需要解決的技術(shù)核心。根據(jù)文獻(xiàn)中給的齒輪箱增速比為7.846,直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)時應(yīng)將圖2中橫坐標(biāo)乘以該增速比求得應(yīng)模擬的函數(shù)關(guān)系,如圖6中虛線所示。2最大功率曲線的計算直流電動機(jī)輸出機(jī)械功率可寫為:Pm=TeΩ=CmΦia2πn60=CeΦnU?ERa=CeΦnU?CeΦnRa(4)Ρm=ΤeΩ=CmΦia2πn60=CeΦnU-ERa=CeΦnU-CeΦnRa(4)從式(4)中可見,若磁通Φ不變(保持勵電流不變),則CeΦ、Ra均為常數(shù),只要確定一組Pm、n,就可決定出所需的直流機(jī)電樞電壓U,通過改變不同的U即可運行在最大功率曲線的任一Pm、n點上,從而模擬出最大風(fēng)能捕獲運行狀態(tài)下的最大功率曲線。這種模擬的正確性可通過計算機(jī)仿真及實驗研究來驗證。直流電動機(jī)的動態(tài)特性可用以下方程來描述:?????????????????????????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為電樞繞組電感,可由下式估算:La=1.91C0UN2pnNIN(6)La=1.91C0UΝ2pnΝΙΝ(6)其中C0取法:有補償繞組0.1;無補償繞組0.4。綜上可整理出采用微分方程形式表達(dá)的直流電動機(jī)動態(tài)模型;[J00La][dΩdtdiadt]=[0?KEKT?Ra][Ωia]+[?1001][TLU](7)[J00La][dΩdtdiadt]=[0ΚΤ-ΚE-Ra][Ωia]+[-1001][ΤLU](7)限于實驗條件,選用一臺現(xiàn)有的4kW直流電動機(jī)(參數(shù)見附錄)來模擬5kW的FD7-5K型風(fēng)力機(jī)特性,此時應(yīng)將5kW風(fēng)力機(jī)特性折算成4kW特性來研究。折算后待要驗證點的Pm、n及相應(yīng)的U如下表所示。仿真所得的轉(zhuǎn)速、功率曲線如圖3、4所示。圖4功率曲線中的沖擊系轉(zhuǎn)速、供電電壓躍變引起的電流過渡過程。仿真結(jié)果驗證了表1的數(shù)據(jù)關(guān)系,這組數(shù)據(jù)點也標(biāo)示于圖6中。3試驗系統(tǒng)和實驗數(shù)據(jù)根據(jù)以上分析所得直流電動機(jī)Pm、n和電樞電壓U之間對應(yīng)關(guān)系,可以構(gòu)建一個如圖6所示的晶閘管—直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以模擬風(fēng)力機(jī)特性。采用移相控制整流橋輸出直流平均電壓,實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。直流電機(jī)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)采用51系列八位單片機(jī)8031作為控制核心,通過串行口從上位機(jī)接受整流觸發(fā)角α指令信號,經(jīng)過相應(yīng)定時器定時,由P0口發(fā)出6路觸發(fā)脈沖,經(jīng)隔離功放電路送至整流橋的對應(yīng)6個晶閘管門極,實現(xiàn)相控調(diào)壓,改變直流電動機(jī)的電樞電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率,模擬了風(fēng)力機(jī)的輸出特性,用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究。模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,其中發(fā)電機(jī)采用雙PWM變頻器實現(xiàn)交流勵磁變速恒頻發(fā)電運行方式。所用模擬風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實驗后得到的數(shù)據(jù)點如表2所示。由于直流電動機(jī)的軸功率Pm不容易測得,采用直流電機(jī)輸入功率P1乘以估計效率η=0.9的方法。實驗數(shù)據(jù)點示于圖6中。從仿真和實驗結(jié)果得出,通過改變電樞繞組的供電電壓并配合發(fā)電機(jī)輸出功率的控制,完全可以使電機(jī)穩(wěn)定運行在所需風(fēng)機(jī)特性曲線的任一點上,驗證了以上理論分析的正確性。4大功率特性的原理本文分析了采用直流電機(jī)輸出特性來模擬風(fēng)力機(jī)的最大輸出功率特性的原理,同時通過仿真及實驗驗證了它的可行性,并給出了該系統(tǒng)的具體硬件實驗,為實驗室中研究風(fēng)力發(fā)電原動