李迺璐, 楊 華, 朱衛(wèi)軍, 蔣 偉, 張繼勇
(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)
基于LabVIEWDSC/Matlab的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
李迺璐, 楊 華, 朱衛(wèi)軍, 蔣 偉, 張繼勇
(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)
為將風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪理論應(yīng)用于風(fēng)電課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),設(shè)計(jì)了基于LabVIEW DSC 模塊與Matlab/Simulink的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)包括風(fēng)輪模型仿真、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、風(fēng)輪原理分析、風(fēng)速/風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)和歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可自主選擇多種風(fēng)況和多種負(fù)載工況來模擬實(shí)際風(fēng)輪運(yùn)行特性,在提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)驗(yàn)時(shí)間與空間的開放性上有明顯優(yōu)勢。
風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); LabVIEW; Matlab
在新能源科學(xué)與工程專業(yè)與風(fēng)電課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)及設(shè)備不但價(jià)格高,而且配套的實(shí)驗(yàn)程序一般由廠家編寫與封裝,風(fēng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生觀察為主,學(xué)生能夠參與實(shí)踐與設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)很少。與傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)室相比,基于虛擬仿真技術(shù)的風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠大幅度節(jié)省購買、維護(hù)風(fēng)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資金,更好地幫助學(xué)生理解復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)原理。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全開放式的源程序,也有利于提高學(xué)生關(guān)于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐能力。
美國NI公司的LabVIEW DSC功能模塊與MathWorks公司的Matlab/Simulink,在系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)通信、虛擬儀器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面有明顯的優(yōu)勢[1-4]?;贚abVIEW/Matlab的虛擬仿真技術(shù)可以開發(fā)出精確、美觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5-7];通過這樣的平臺(tái),不僅能夠精確模擬復(fù)雜的風(fēng)電系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電過程,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信,實(shí)時(shí)顯示采集的仿真數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢功能[8-10]。
風(fēng)輪原理及特性是高校新能源、電氣等專業(yè)風(fēng)電課程的基礎(chǔ)內(nèi)容,涉及空氣動(dòng)力學(xué)與發(fā)電機(jī)負(fù)載相關(guān)理論,內(nèi)容較為復(fù)雜,教學(xué)難度較大。筆者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW DSC和Matlab的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用以模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的工作原理及特性,將抽象的理論公式、復(fù)雜工作環(huán)境下的風(fēng)輪特性用動(dòng)態(tài)畫面展示出來,以直觀、通俗易懂的方式幫助學(xué)生理解風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的物理過程。學(xué)生可以自主選擇不同風(fēng)況、不同負(fù)載進(jìn)行風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn),并隨時(shí)查看歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的主要部件,風(fēng)輪的特性分析主要是空載下的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩特性分析(只受風(fēng)速變化影響)和負(fù)載下的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩特性分析(受風(fēng)速和發(fā)電機(jī)負(fù)載的綜合影響)[11]。
1.1 風(fēng)況
最常見的風(fēng)可分為基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng),自然界多為這4種風(fēng)及其組合形成的組合風(fēng)。這4種風(fēng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由數(shù)學(xué)式表達(dá)[12]。
(2) 漸變風(fēng)的表達(dá)式為
式中,Vc是漸變風(fēng)的風(fēng)速,Vc max是漸變風(fēng)最大值,T1是漸變風(fēng)開始變化時(shí)間,T2是結(jié)束時(shí)間,T是保持時(shí)間。
(3) 陣風(fēng)的表達(dá)式為
式中,Vg是陣風(fēng)的風(fēng)速,T1是陣風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間,Tg是時(shí)間周期,陣風(fēng)的最大值是Vg max。
(4) 隨機(jī)風(fēng)的表達(dá)式為
Vn=Vnmax·Ram(-1,1)·cos(wVt+φV)
式中,隨機(jī)風(fēng)的風(fēng)速是Vn, 最大值是Vn max,Ram(-1,1)是-1和1中均勻分布的隨機(jī)數(shù);風(fēng)速波動(dòng)的平均距離是ωV,隨機(jī)量是φV。
利用這4種風(fēng),可模擬多種不同特性的組合風(fēng),研究多種風(fēng)況下的風(fēng)輪特性。
1.2 空載下的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩特性
僅考慮來自風(fēng)的影響,有2種風(fēng)輪特性描述方法。
一種是基于空氣動(dòng)力學(xué)的理想風(fēng)輪特性描述方法[13],即:
式中,葉尖速比λ,風(fēng)輪功率系數(shù)Cp,槳距角β,風(fēng)速V,風(fēng)輪半徑R,風(fēng)輪角速度ω,風(fēng)輪輸出功率P,風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩Tw。
另一種是基于實(shí)際公式法的風(fēng)輪特性描述方法[14],即:
1.3 負(fù)載下的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩特性
風(fēng)輪通過齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)后,來自發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)對風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響,即:
式中,風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩是Tw,負(fù)載轉(zhuǎn)矩是TL,齒輪箱的增速比是Kgear,風(fēng)輪的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是J。本文通過虛擬仿真對風(fēng)速特性、空載/負(fù)載下的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩特性展開研究。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具包括圖形化編程軟件LabVIEW和LabVIEW DSC模塊、Matlab/Simulink仿真軟件以及實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真的Simulation Interface Toolkit(SIT)附加工具包。LabVIEW作為測控平臺(tái),實(shí)時(shí)向Matlab仿真平臺(tái)下達(dá)控制命令;Matla仿真平臺(tái)根據(jù)控制命令控制風(fēng)輪仿真系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和暫停等,并將仿真數(shù)據(jù)輸出;LabVIEW測控平臺(tái)實(shí)時(shí)采集仿真數(shù)據(jù),并完成風(fēng)速和風(fēng)輪特性數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲(chǔ)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3.1 建立Matlab風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪仿真模型
根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪特性原理,在Matlab/Simulink中搭建了不同風(fēng)速、不同負(fù)載工況下的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型(見圖2(a)),其中包括:
(1) 4種單一風(fēng)況及相應(yīng)的組合風(fēng)況:單一風(fēng)況包括基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng),組合風(fēng)況包括基本風(fēng)+漸變的組合風(fēng)、基本風(fēng)+陣風(fēng)+漸變風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)的組合風(fēng)等; (2) 3種負(fù)載情況:空載、正常負(fù)載和過大負(fù)載;
(3) 2種風(fēng)輪氣動(dòng)特性建模方法:理論空氣動(dòng)力學(xué)法和實(shí)際公式法。
所建風(fēng)輪模型可以模擬多種工況下的風(fēng)輪特性,極大地豐富了風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,滿足了實(shí)驗(yàn)的需要。
Matlab風(fēng)輪模型的啟動(dòng)和停止由LabVIEW的前面板進(jìn)行控制。當(dāng)Matlab風(fēng)輪模型接收到來自LabVIEW測控平臺(tái)的指令后開始仿真運(yùn)行,同時(shí)產(chǎn)生大量風(fēng)輪特性數(shù)據(jù)。風(fēng)輪特性數(shù)據(jù)通過多個(gè)SIT Out端口和SignalProbe模塊向LabVIEW傳輸數(shù)據(jù),如圖2(b)所示。
圖2 Matlab/Simulink風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型
3.2 LabVIEW測控平臺(tái)設(shè)計(jì)
3.2.1 程序框圖設(shè)計(jì)
采用Simulation Interface Toolkit(SIT)的附加軟件工具包來構(gòu)建LabVIEW和Matlab的聯(lián)合虛擬仿真平臺(tái)。由于風(fēng)輪特性數(shù)據(jù)為多種特性參數(shù)的大量、高速數(shù)據(jù)流,采用LabVIEW DSC模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)控界面之間的實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和查詢等。
程序設(shè)計(jì)(見圖3)主要包括:
(1) 登錄程序設(shè)計(jì):保證用戶名和密碼輸入正確時(shí)才能夠進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);
(2) 通信程序設(shè)計(jì):利用SIT工具包完成通信程序設(shè)計(jì),實(shí)時(shí)控制Matlab風(fēng)輪模型,實(shí)時(shí)采集Matlab風(fēng)輪特性數(shù)據(jù);
(3) 存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì):利用LabVIEW共享變量技術(shù),設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)的共享變量并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至Citadel數(shù)據(jù)庫;
(4) 子界面通信設(shè)計(jì):在多個(gè)LabVIEW監(jiān)控界面,利用共享變量實(shí)時(shí)傳輸采集的風(fēng)速及風(fēng)輪特性數(shù)據(jù),用于顯示和分析;
(5) 歷史查詢程序設(shè)計(jì):選取所需時(shí)段和查詢參數(shù),實(shí)現(xiàn)對特定歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢和分析。
圖3 LabVIEW風(fēng)輪測控平臺(tái)程序框圖
3.2.2 前面板設(shè)計(jì)
前面板設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)登錄界面設(shè)計(jì)、風(fēng)輪測控主界面設(shè)計(jì)、風(fēng)速界面設(shè)計(jì)、風(fēng)輪原理界面設(shè)計(jì)、風(fēng)輪運(yùn)行界面設(shè)計(jì)和歷史查詢界面設(shè)計(jì)。在風(fēng)輪測控主界面上,使用風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)圖顯示風(fēng)力機(jī)、風(fēng)輪特性及對應(yīng)參數(shù),并設(shè)計(jì)子界面按鈕來調(diào)用其他監(jiān)控界面。在風(fēng)速界面,可以通過下拉選單選擇風(fēng)速組合類型,方便學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)輪及風(fēng)速特性;在風(fēng)輪運(yùn)行界面設(shè)計(jì)了風(fēng)輪利用系數(shù)原理內(nèi)容,可以顯示用理論公式和實(shí)際公式計(jì)算的結(jié)果;在風(fēng)輪運(yùn)行界面可選擇顯示風(fēng)輪在不同風(fēng)速和不同負(fù)載下的特性響應(yīng),并用不同顏色以示區(qū)分;在歷史查詢界面可選擇某個(gè)時(shí)段下的某個(gè)參數(shù),通過表格和圖顯示歷史數(shù)據(jù)。
(1) 登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如果輸入的用戶名和密碼正確,即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)主界面。如果輸入錯(cuò)誤,系統(tǒng)會(huì)彈出“用戶名或密碼錯(cuò)誤”的提示。若非開發(fā)人員欲查看程序框圖或編輯系統(tǒng),前面板會(huì)提示輸入密碼,以保證系統(tǒng)的安全性。
(2) 風(fēng)輪測控實(shí)驗(yàn)。通過使用“狀態(tài)控制”區(qū)域的運(yùn)行按鈕,可以直接控制Matlab風(fēng)輪模型的啟/停。當(dāng)在主界面上按下啟動(dòng)按鈕,可實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率、葉尖速比和功率系數(shù)等多種特性參數(shù),如圖4所示。這些參數(shù)會(huì)根據(jù)風(fēng)輪模型的運(yùn)行實(shí)時(shí)更新,直至按下暫?;蚴峭V拱粹o。
圖4 LabVIEW風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪測試主界面
(3) 風(fēng)速實(shí)驗(yàn)。在基本風(fēng)區(qū)域,風(fēng)速始終保持不變,符合公式中基本風(fēng)的變化規(guī)律。在隨機(jī)風(fēng)區(qū)域,可見風(fēng)速在[-1 m/s,1 m/s]之間隨機(jī)改變,符合隨機(jī)風(fēng)的定義。在組合風(fēng)區(qū)域,如選擇4種單一風(fēng)況的組合風(fēng):參數(shù)為基本風(fēng)8 m/s,隨機(jī)風(fēng)在[-1 m/s,1 m/s]之間變化;陣風(fēng)最大值2 m/s,開始時(shí)間為1 s,時(shí)間周期為20 s;漸變風(fēng)最大值2 m/s,開始時(shí)間0 s,保持時(shí)間6 s,結(jié)束時(shí)間4 s??梢娊M合風(fēng)的變化趨勢符合參數(shù)的設(shè)置情況,表明實(shí)際中風(fēng)速的變化是一個(gè)較為復(fù)雜的隨機(jī)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 風(fēng)速實(shí)驗(yàn)界面
(4) 風(fēng)輪原理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)理想的氣動(dòng)理論方法和實(shí)際公式法,分別計(jì)算得出葉尖速變化范圍內(nèi)的風(fēng)輪功率因子(即風(fēng)能利用系數(shù)CP),如圖6所示。可見,隨著風(fēng)輪葉尖速比的變化,CP實(shí)現(xiàn)了從零增加到最佳功率因子之后又下降的過程,兩種方法的計(jì)算結(jié)果都符合實(shí)際CP變化規(guī)律。由于理論計(jì)算方法未考慮渦流、氣動(dòng)阻力和噪聲等影響,計(jì)算結(jié)果比實(shí)際公式法計(jì)算值偏大。分析表明:實(shí)際風(fēng)輪利用風(fēng)能的效率一般低于40%。
(5) 風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)。分別在空載狀態(tài)選擇4種單一風(fēng)況的組合風(fēng),在正常負(fù)載下選擇陣風(fēng),在過大負(fù)載下選擇基本風(fēng)展開風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,其中有風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n、旋轉(zhuǎn)角速度ω、風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩T和風(fēng)輪輸出功率P曲線??梢杂^察到:①在組合風(fēng)空載工況下,風(fēng)輪的最大功率輸出是1 714 N·m,轉(zhuǎn)速與角速度分別增至340 r/s和34 rad/s后保持穩(wěn)定;②在陣風(fēng)和正常負(fù)載下,在8 s時(shí)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩從零到10 N·m,可見輸出轉(zhuǎn)矩T與輸出功率P隨之增大,而轉(zhuǎn)速n與角速度ω隨之遞減;③風(fēng)輪在基本風(fēng)且
圖6 風(fēng)輪原理實(shí)驗(yàn)界面
過大負(fù)載下,在1.2 s增加負(fù)載,轉(zhuǎn)矩從零增至79.4N·m,可見輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率隨之增大,而轉(zhuǎn)速與角速度隨之遞減,可是在10 s時(shí),轉(zhuǎn)速、角速度、輸出轉(zhuǎn)矩均逐漸下降為零,表明超出風(fēng)輪承受的最大負(fù)載以至于風(fēng)輪停止。
圖7 風(fēng)輪特性實(shí)驗(yàn)界面
(6) 歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢。選擇需要查詢的時(shí)間區(qū)域,并在共享變量下選擇待查詢的參數(shù)。在輸出的表格中可以觀察到所選時(shí)間段內(nèi)的所有歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線和生成數(shù)據(jù)的時(shí)間。通過滑動(dòng)游標(biāo)可以方便地觀察到歷史曲線上對應(yīng)的數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)間。
利用基于LabVIEW DSC模塊和仿真工具M(jìn)atlab的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可自主選擇風(fēng)輪的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直觀、動(dòng)態(tài)地學(xué)習(xí)和觀察風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)、風(fēng)輪原理和風(fēng)輪負(fù)載特性曲線,并可隨時(shí)查看歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),大大提高了學(xué)生對于復(fù)雜風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的物理過程的理解,節(jié)省了購置風(fēng)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資金,為學(xué)生創(chuàng)造了不受時(shí)間和空間限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
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Design and realization of experimental platform of wind turbine wheel performance based on LabVIEW DSC/Matlab
Li Nailu, Yang Hua, Zhu Weijun, Jiang Wei, Zhang Jiyong
(School of Hydraulic and Energy Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)
In order to apply the theory of the wind turbine wheel to the experimental teaching of the wind and power courses, an experimental platform with wind turbine wheel characteristics is designed on the basis of the LabVIEW DSC module and the Matlab/Simulink. This platform includes the wind wheel model simulation, the data acquisition and storage, the wind wheel principle analysis, the wind speed and wind wheel characteristic experiment and the historical experimental data inquiry. This virtual experimental platform can select a variety of wind conditions and a variety of load conditions to simulate the operational performance of the actual wind wheel, which has obvious advantages in the promotion of students’ subjective initiative, the economy of the experimental platform, and the openness of the experimental time and space.
wind turbine wheel; experimental platform; LabVIEW; Matlab
TK83;G642
A
1002-4956(2017)10-0102-06
10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.026
2017-04-01
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11672261);教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(教外司留[2015]1098號(hào));揚(yáng)州大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(YZUJX2016-16B,YZUJX2015-28B);揚(yáng)州市-揚(yáng)州大學(xué)科技合作資金計(jì)劃項(xiàng)目(YZ2016262),揚(yáng)州大學(xué)科技創(chuàng)新培育基金項(xiàng)目(2016CXJ044)
李迺璐(1985—),女,江蘇揚(yáng)州,博士,校內(nèi)副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)力學(xué)與控制.
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