分布式發(fā)電系統(tǒng)用垂直軸風力發(fā)電機特性的仿真分析

李爭，孫甜甜，高培峰（河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊050018）

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分布式發(fā)電系統(tǒng)用垂直軸風力發(fā)電機特性的仿真分析

李爭，孫甜甜，高培峰
（河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊050018）

摘要：由于分布式發(fā)電系統(tǒng)中垂直軸風機具有低轉速、大轉矩、運行穩(wěn)定、控制簡單等優(yōu)點，使得垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)蓬勃興起，但由于流場不定導致其發(fā)電特性不易掌握。以Senegal式風機為例，采用CFD流體分析風輪旋轉，計算出風機的機械轉矩，利用Matlab/Simulink建立以風機、發(fā)電機、矢量控制為主要模塊的風力發(fā)電系統(tǒng)模型，計算出風機的性能曲線，對其發(fā)電特性進行分析，為垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：垂直軸風機；發(fā)電系統(tǒng)；矢量控制

隨著經(jīng)濟全球化與人口的不斷增長，人類正面臨著能源利用和環(huán)境保護兩方面越來越重的壓力，綠色、環(huán)保、可再生的風能引起了人們的關注，各種類型風機的研制也取得了一定的進展。目前水平軸風機是商業(yè)化程度高和技術較為成熟的一種風力機，由于起初人們對垂直軸風機的認識不足，使其長期得不到發(fā)展，隨著計算流體力學的發(fā)展，證明了垂直軸風力機的空氣動力性能十分優(yōu)異，并且風能利用率和成本造價也有一定的優(yōu)勢；近年來永磁同步電機和交直交變頻器技術的研究取得巨大進步，使得科研人員對垂直軸風力發(fā)電技術進行了更深的探討。隨著研究的不斷深入，該類型風機是最有希望得到規(guī)?；l(fā)展的中小型容量風機［1-5］。相對于水平軸風機，垂直軸風機有很多優(yōu)點，無需對風向，無噪聲，安全可靠，風速變化范圍小，空氣性能優(yōu)越，未來無論在風電場應用還是中小型獨立用戶，都有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-7］。

在垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)領域，國內外學者分別進行了探索，提出了一種采用控制葉片數(shù)目和葉片不同彎曲度的控制來提高風能的利用率［8］，并采用導葉或擋風板的結構實現(xiàn)引流，從而消除“負阻力”；設計了由負溫度系數(shù)電阻組成的電子制動裝置［9］，有效地保護了風力發(fā)電系統(tǒng)的過壓過流狀態(tài)；Catalin Harabagiu把Savonius風機的風輪加入270°導流罩，使風機輸出功率增加了2.5倍；為了改變發(fā)電機輸出電壓不定的問題［10］，采用PIC16F887單片機生成PWM來改變IGBT的占空比，使電壓保持某一特定值不變［8-11］。

本文在已有分析技術的基礎上，首先使用Fluent軟件對風機模型進行分析計算，得出風機的機械轉矩，然后把轉矩輸入到Simulink搭建的發(fā)電機模塊中，發(fā)電機采用矢量控制，最后通過定子電流、電機運行參數(shù)來分析系統(tǒng)的發(fā)電特性。

1　CFD三維模擬計算

1.1風機模型

本文風機模型為Senegal式風機，其風輪為2層，每層由3個扇葉構成，扇葉由1個半圓柱面和1個長方形平板構成，結構如圖1所示。為了減少能量耗散，便于風力發(fā)電，發(fā)電機與風輪轉軸直接相連。圖2為風機流體分析模型，發(fā)電機部分采用圓柱體代替，對模型部分結構進行合理簡化，以便于計算。

圖1　Senegal式風機Fig.1 Senengal type wind turbine

圖2　風機仿真模型Fig.2 Simulation model of wind turbine

1.2設計參數(shù)及求解設置

本文設定風輪高度為4 m，內徑1.7 m，外徑1.9 m；使用Fluent軟件進行計算，設定流體為等溫，不可壓縮的空氣，模擬風機非定場流動且風速較低的情況，采用有限元體積法，計算使用k—ε湍流模型。

湍動能k方程和耗散率ε方程如下所示：

圖3為風機的網(wǎng)格剖分圖，在靜止域和旋轉域之間使用滑移網(wǎng)格。入口設定為速度入口，出口設定為壓力出口，壓力計算值為0，仿真精度設定為10-3，仿真時間設定為4 s。

圖3　風機網(wǎng)格剖分Fig.3 Mesh generation of wind turbine

2　風力發(fā)電機數(shù)學模型

2.1風力機模型

尖速比是用來表述風機特性的一個十分重要的參數(shù)。風輪葉片端線速度與風速之比稱為葉尖速比；葉片越長，或者葉片轉速越快，同風速下的葉尖速比就越大。其表達式如下：

式中：R為風輪半徑；ω為風機的角速度；v為來流風速。

風能利用系數(shù)用Cp表示，表示了風力發(fā)電機將風能轉化成電能的轉換效率，其大小與葉尖速比有關系，表達式如下：

式中：PT為風機的機械功率；ρ為空氣的密度；A為風輪掃掠面積［12］。

根據(jù)式（3）、式（4）在Simulink中搭建風機模塊，將來流風速v、風機轉速ω作為輸入量，通過調節(jié)其與來流風速之間的比例關系而得到。將風機的輸出轉矩Tm作為輸出量。構建的風機數(shù)學模型如圖4所示。

圖4　風機內部模型Fig.4 Internal model of wind turbine

根據(jù)風能轉換效率公式，以Fluent測出的轉矩作為數(shù)據(jù)，使用轉矩擬合，作出垂直軸風機的風能利用率曲線如圖5所示。由圖5可知，風能利用系數(shù)隨著尖速比的增加先增后減，并在0.5附近達到最大值。

圖5　風機轉換效率Fig.5 Conversion efficiency of wind turbine

2.2發(fā)電機數(shù)學模型

本文發(fā)電機使用永磁同步電機，當在靜坐標系下加入運動和轉矩方程后，電機電流向量和磁鏈矩陣表述相對復雜，因此以旋轉坐標系參考，不計轉子鐵心與定子鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，忽略電機參數(shù)變化，則

定子電壓方程為

定子磁鏈方程為

電磁轉矩方程為

電機運動平衡方程為

式中：p為微分算子；ω為轉子旋轉電角速度；R1為定子繞組的電阻；Ld，Lq分別為d軸和q軸的電感；id，iq分別為d軸和q軸的電流；np為極對數(shù)；Ψf為轉子永磁磁鏈；J為系統(tǒng)折算到軸端的轉動慣量；B為阻力系數(shù)。

2.3模型搭建

為了分析風機的發(fā)電特性，在Simulink中搭建仿真模型，如圖6所示，主要包括風機轉矩擬合和發(fā)電2個核心模塊，在發(fā)電模塊中，為了得到較為準確的數(shù)據(jù)，本文對永磁同步電機采用矢量控制［13］；在風機模塊中，使用瞬態(tài)分析，計算出風機在風速為6.705 6 m/s，轉速為2.767 8 r/s時的轉矩，將其數(shù)據(jù)輸入到發(fā)電機模塊，得到各物理量的特性曲線。S1為發(fā)電機三相電流，S2為發(fā)電機定子電流、轉速、電磁轉矩、轉矩角。

圖6　發(fā)電系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Power generation system simulation model

在矢量控制中，本文采用轉速電流雙閉環(huán)PI控制方案，主要包括電流PI控制模塊、速度PI控制模塊、SVPWM模塊和PMSM電機模塊。定子電樞電流的直軸分量id和交軸分量iq由發(fā)電機輸出，id對轉子磁極磁場起到增磁或去磁的作用；iq和轉子磁極磁場相互作用產(chǎn)生旋轉電磁力矩。當id=0時，轉矩Te和iq呈線性關系，只要對iq進行控制就能夠達到控制轉矩的目的。其控制過程為：根據(jù)檢測到的電機實際轉速和輸入的基準轉速相比較，利用轉矩和轉速的關系，通過速度PI控制器計算取得了定子電流轉矩分量iq的參考量，同時給定定子電流勵磁分量id，經(jīng)過坐標變換將id,iq轉換為兩相靜止坐標系下的電流信號iα,iβ將其送入SVPWM中產(chǎn)生控制脈沖，通過控制脈沖用于控制三相逆變器的各種開關狀態(tài)，從而得到定子三相繞組的實際電流。根據(jù)本文設計具體情況，采用id=0的控制策略，因此id的參考值為0。

3　結果分析

當風速變化時，風機的輸出轉矩也隨之變化，本文在設定風速為6.7 m/s下進行仿真，仿真時間為1 s，得出風機的發(fā)電特性如圖7所示。

圖7　發(fā)電機運行參數(shù)曲線Fig.7 Generator operating parameter curve

為了更清楚分析圖形結果，圖8是發(fā)電機運行參數(shù)的局部放大圖。圖9是風機的轉速，維持在33.3 r/min，由圖9可知，轉速能迅速達到收斂，這是矢量控制的結果。圖10為發(fā)電機的三相電流，可以看出輸出電流為平滑的三相交流電，計算結果理想，符合預期效果。

圖8　發(fā)電機運行參數(shù)局部放大圖Fig.8 Generator operating parameter local enlargement

圖9　風機轉速Fig.9 Wind turbine speed

圖10　發(fā)電機三相電流Fig.10 Three phase current of genertor

4　結論

利用Matlab/Simulink建立了垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，在風機模塊中仿真得出此類型風機的風能利用系數(shù)曲線；根據(jù)發(fā)電機的數(shù)學模型和所設計的矢量控制系統(tǒng)模型，通過合理的參數(shù)，保證發(fā)電機在啟動過程中達到預期的效果，最后對整體模型仿真，得出平滑三相交流電波形，此結果表明，該風力發(fā)電系統(tǒng)仿真結果正確合理，為后續(xù)垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計提供參考。

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修改稿日期：2015-12-30

Simulation Analysis of the Characteristics of Vertical Axis Wind Power Generator for Distributed Generation System Applications

LI Zheng，SUN Tiantian，GAO Peifeng
（School of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，Hebei，China）

Abstract：Because of the advantages of low speed，high torque，running stable and simple control，the vertical axis wind power generation system is booming. However，due to the instability of the flow field，its power generation characteristics are not easy to master. Took the Senegal type wind turbine as an example，the mechanical torque was derived by CFD software simulating the rotation of the wind turbine，the wind power generation system model was established based on the wind turbine，generator and vector control as the main module by using Matlab/Simulink and the performance curve of the wind turbine could be calculated，thus the generating characteristics of wind turbine could be analyzed，the study provides reference for the design of vertical axis wind power generation system.

Key words：vertical axis wind turbine；power generation system；vector control

中圖分類號：TM315

文獻標識碼：A

基金項目：河北省自然科學基金（E2014208134）

作者簡介：李爭（1980-），男，博士，副教授，碩士生導師，Email：Lzhfgd@163.com

收稿日期：2015-09-10