MATLAB/Simscape在風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

秦志英 路子安 趙月靜 趙季福 王偉

摘? 要? 基于Simscape對(duì)風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能進(jìn)行教學(xué)說(shuō)明，解釋相關(guān)功能模塊具體是如何進(jìn)行搭建的，并且對(duì)各個(gè)模塊的工作情況進(jìn)行介紹，對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的研究提供價(jià)值。風(fēng)力機(jī)作為變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部分，采用MATLAB/Simscape軟件對(duì)其進(jìn)行建模，得到風(fēng)力機(jī)捕獲有效功率與風(fēng)力機(jī)葉尖速比的關(guān)系，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機(jī)輸出功率以及風(fēng)速隨時(shí)間變化的圖像，運(yùn)用Simscape進(jìn)行多種功能模塊的搭建，得出相關(guān)仿真數(shù)據(jù)圖形，利用仿真所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以這種方式增強(qiáng)風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞? MATLAB;Simscape;風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）06-0036-04

Application of MATLAB/Simscape in Teaching of Wind Turbine Simulation Experiment System//QIN Zhiying， LU Zian， ZHAO Yuejing， ZHAO Jifu， WANG Wei

Abstract? In this paper， the function of wind turbine simula-tion experiment system is explained based on Simscape， and how to build the relevant functional modules is explained. The work of each module is introduced， which provides value?for the research of wind turbine system. As an important part?of variable speed wind turbine. According to the static perfor-mance characteristics of variable speed wind turbine， MAT-LAB/Simscape is adopted the relationship between the effec-tive power captured by the wind turbine and the tip speed ratio?of the wind turbine， the output torque of the wind turbine， the?output power of the wind turbine and the wind speed chan-ging with time are obtained by modeling the model. The simu-lation data are obtained by building a variety of functional modules with Simscape. The simulation data are analyzed and?studied to improve the wind turbine system in this way simu-lation experiment teaching effect.

Key words? MATLAB; Simscape; wind turbine simulation experiment system;

0? 引言

在如今教育教學(xué)現(xiàn)代化以及教學(xué)信息化發(fā)展背景下，我國(guó)諸高校都開(kāi)始全面探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用[1]。由于受到實(shí)驗(yàn)成本以及自然環(huán)境等條件的約束，風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)教學(xué)與研究的基礎(chǔ)[2]，且采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，采用專(zhuān)業(yè)仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)值得推薦的方法，往往可以取得事半功倍的效果[3]。

本文通過(guò)仿真得到最佳葉尖速度比和最大風(fēng)能的功率系數(shù)Cp，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機(jī)輸出功率以及風(fēng)速隨時(shí)間變化的圖像，運(yùn)用Simscape進(jìn)行各種功能模塊的搭建，得出相關(guān)仿真數(shù)據(jù)圖形，并在MATLAB/Simscape中對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行靜態(tài)仿真[4-5]，以此提高風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)效果。

1? 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)及Simscape仿真模型介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分。如圖1所示：風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)包括葉片和軸，葉片受到氣流影響時(shí)帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。本文建立變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速仿真模型。MATLAB程序中的Simscape風(fēng)力機(jī)仿真模型存在三種類(lèi)型，分別如圖2所示。

1.1? 圖2-a模型介紹

圖2-a模型是基于水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)功率特性建立的，傳動(dòng)系的剛度是無(wú)窮大的，渦輪機(jī)的摩擦系數(shù)和慣性必須與耦合到渦輪機(jī)上的發(fā)電機(jī)的慣性結(jié)合在一起。該模塊實(shí)現(xiàn)了變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)模型。渦輪的性能系數(shù)Cp是渦輪的機(jī)械輸出功率除以風(fēng)力和風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和俯仰角β的函數(shù)。選擇風(fēng)機(jī)功率特性顯示，以指定節(jié)距角繪制風(fēng)機(jī)特性。第一個(gè)輸入端是發(fā)電機(jī)功率，第二個(gè)輸入端是風(fēng)力機(jī)半徑，第三個(gè)輸入端是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，第四個(gè)輸入端為主導(dǎo)風(fēng)速。輸出端是最大功率捕獲系數(shù)、葉尖速比、捕獲功率以及施加到發(fā)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩。

1.2? 圖2-b模型介紹

圖2-b模型為風(fēng)力機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（WTDFIG），稱(chēng)為風(fēng)力機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。AC/DC/AC變換器分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（Crotor）和電網(wǎng)側(cè)變流器（CGRID）兩部分。Crotor和CGRID是一種電壓型變換器，它們利用（IGBT）從直流電壓源合成交流電壓，連接到直流側(cè)的電容器充當(dāng)直流電壓源。耦合電感L用于將CGRID連接到電網(wǎng)。三相轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷與發(fā)電機(jī)相連，三相定子繞組直接與電網(wǎng)相連。風(fēng)力發(fā)電機(jī)將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子繞組輸送到電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)分別為Crotor和CGRID生成俯仰角指令和電壓指令信號(hào)vr和vgc，以控制風(fēng)機(jī)功率、直流母線電壓和無(wú)功功率或電網(wǎng)終端電壓。

1.3? 圖2-c模型介紹

圖2-c模型是風(fēng)力渦輪機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)（WTIG），定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子由風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)定子繞組輸送到電網(wǎng)中。俯仰角控制是在高風(fēng)速下將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值，為了發(fā)電，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須略高于同步轉(zhuǎn)速，但速度變化通常很小，因此，WTIG被認(rèn)為是一個(gè)固定速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率由電網(wǎng)或電容器組、SVC、STATCOM或同步電容器等設(shè)備提供。B、C的第一個(gè)輸入量為風(fēng)速，第二個(gè)輸入量的作用是將Simulink邏輯信號(hào)（0或1）應(yīng)用于該輸入，當(dāng)此輸入高時(shí)，WTDFIG斷開(kāi)，其控制系統(tǒng)被禁用，使用此輸入實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版本。輸入量A、B、C為WTDFIG的三個(gè)端子。輸出量包含29個(gè)WTDFIG內(nèi)部信號(hào)的Simulink輸出矢量，這些信號(hào)可以通過(guò)總線選擇塊單獨(dú)訪問(wèn)。

2? 風(fēng)力機(jī)仿真系統(tǒng)

本文選用圖2-a模型進(jìn)行搭建，搭建完成的模型如圖3所示。Ramp模塊以及Saturation模塊同時(shí)進(jìn)行風(fēng)速的模擬，槳距角β和空氣密度ρ的數(shù)值為定值，只需將其輸入至模塊即可。選用Display模塊和Scope模塊顯示數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化圖像。

整個(gè)風(fēng)力機(jī)仿真系統(tǒng)需要利用各種模塊以及函數(shù)關(guān)系將完整的系統(tǒng)搭建出來(lái)，得到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率與時(shí)間的關(guān)系圖，最終結(jié)果如圖4所示。以風(fēng)機(jī)半徑、主導(dǎo)風(fēng)速和風(fēng)速為輸入值，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與主導(dǎo)風(fēng)速的比值，以空氣密度和槳距角為輸入值，以風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和捕獲功率作為模型的輸出值。

圖5為Cpmax MATLAB模型，該模型是為了計(jì)算最大功率系數(shù)Cpmax，是存在于Subsystem模塊中的一個(gè)子系統(tǒng)。式中，λ是風(fēng)力機(jī)的葉尖速比，β是風(fēng)力機(jī)的槳距角。由公式可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片角β為常數(shù)時(shí)，風(fēng)速不同，通過(guò)控制葉片葉尖速比λ在一定范圍內(nèi)，可以得到風(fēng)力機(jī)的最大功率因數(shù)，最終使變速風(fēng)力機(jī)捕獲最大功率。

Cpmax的計(jì)算需要以下兩個(gè)公式：

將函數(shù)關(guān)系導(dǎo)入系統(tǒng)中需要自定義函數(shù)模塊（Fcn），自定義函數(shù)模塊用于將輸入信號(hào)進(jìn)行指定的函數(shù)運(yùn)算，最后計(jì)算出模塊的輸出值。

β的數(shù)值是已知的，只需要將β的數(shù)值輸入進(jìn)Constant模塊，在Fcn函數(shù)模塊中將公式（2）輸入，將函數(shù)模塊計(jì)算所得結(jié)果傳遞到Fcn1模塊中并連接輸出模塊（Out），輸出模塊是用來(lái)同下一級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的接口，系統(tǒng)最后將所得Cp（λ，β）的數(shù)值利用輸出模塊輸出至下一級(jí)。

3? 仿真最終結(jié)果

為了更直觀地看出最終結(jié)果，還需要對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)定，對(duì)橫縱坐標(biāo)的區(qū)間進(jìn)行合理設(shè)定。本文空氣密度的仿真條件采用在常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣的密度ρ為1.225 kg/m3，風(fēng)力機(jī)在靜態(tài)時(shí)槳矩角β為0°，風(fēng)力機(jī)半徑為15 m，模擬變速風(fēng)速為0～14 m/s，整個(gè)仿真時(shí)間為50 s。在Wind Turbine界面中對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行后可得到葉尖速比與功率系數(shù)的具體關(guān)系，并可通過(guò)打開(kāi)Scope模塊得出模擬變速風(fēng)速、輸出功率與輸出轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線，如圖6～圖8所示。

4? 結(jié)論

本文介紹了如何運(yùn)用MATLAB/Simscape在已知部分參數(shù)的情況下對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)行搭建得到完整風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，將所需要的公式輸入進(jìn)函數(shù)模塊，并將已知的參數(shù)輸入進(jìn)各個(gè)模塊中，封裝后可以得到一個(gè)系統(tǒng)，以這個(gè)子系統(tǒng)為核心搭建整個(gè)風(fēng)力機(jī)仿真系統(tǒng)，運(yùn)行系統(tǒng)后可以得到風(fēng)力機(jī)捕獲有效功率與風(fēng)力機(jī)尖速比的關(guān)系，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機(jī)輸出功率以及風(fēng)速隨時(shí)間變化的圖像，為風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)提供一定的參考?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目名稱(chēng)：河北省專(zhuān)業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目（KCJSZ2020074）。

作者：秦志英，河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，教授，博士，研究方向?yàn)榉蔷€性動(dòng)力學(xué)、設(shè)備檢測(cè)與智能運(yùn)維;路子安、趙季福、王偉，河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;趙月靜，河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、機(jī)電一體化（050018）。