基于MATLAB的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真

1、基于matlab的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真 目 錄一 引言41.1研究目的和意義41.2風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題51.4研究計劃以及結(jié)構(gòu)安排6二 matlab軟件在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用62.1 matlab軟件62.2 matlab軟件的使用流程62.2.1 運行體系結(jié)構(gòu)圖62.2.2 流程結(jié)構(gòu)圖72.3 matlab軟件對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真72.3.1 構(gòu)建控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型72.3.2 控制系統(tǒng)類型的路徑和分析的實現(xiàn)82.4 matlab/simulink環(huán)境下的仿真82.5本章小結(jié)9三 風(fēng)力發(fā)電機(jī)多域物理建模及系統(tǒng)仿真93.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本構(gòu)造93.2變槳距

2、調(diào)整與控制123.2.1葉片與變槳距連桿（simmechanics）133.2.2變槳作動器設(shè)計133.3偏航調(diào)整與控制153.3.1偏航調(diào)整（simdriveline,simelectronics）153.4發(fā)電163.4.1發(fā)電機(jī)(simpowersystems)173.5風(fēng)載荷模擬與柔性體建模(embeddedmatlab,simmechanics)183.6監(jiān)測系統(tǒng)控制(stateflow)203.7本章小結(jié)22四 matlab軟件對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真的策略224.1風(fēng)力機(jī)模型的研究224.2仿真過程、結(jié)果和分析254.2.1仿真過程254.2.2 結(jié)果和分析264.3本章小結(jié)26五

3、 總結(jié)與展望265.1主要工作與創(chuàng)新點265.2不足與展望27參考文獻(xiàn) 27附 錄281.風(fēng)機(jī)模型仿真程序：282.空氣動力學(xué)基礎(chǔ) 31致 謝33abstract34基于matlab的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真摘要：近年來，鑒于風(fēng)力發(fā)電在新的可再生能源方面的發(fā)展前景，使得風(fēng)力發(fā)電的研制在世界范圍內(nèi)獲得了蓬勃發(fā)展。風(fēng)能利用效率的提高和風(fēng)電品質(zhì)的改善已成為世界各國對風(fēng)力發(fā)電研究的重點。本文針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)能利用的效率問題，進(jìn)行了基于matlab的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真的研究。論文論述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)能利用效率提高的相關(guān)問題和實現(xiàn)方法。首先，在對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析變轉(zhuǎn)速、變槳距控制，建

4、立了一系列有關(guān)的物理方程；其次，基于matlab/simulink建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，通過對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真分析最大功率跟蹤和變槳距控制下發(fā)電機(jī)的性能。基于matlab/simulink建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，從而來對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示可以通過改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速來提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)能的利用效率。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)；matlab；仿真一 引言1.1研究目的和意義自從20世紀(jì)80年代以來，基于一次能源的日益枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，世界各國都把開發(fā)新的可再生能源作為新能源發(fā)展方向。風(fēng)能作為一種用之不竭、清潔的可再生能源，利用風(fēng)能來發(fā)電已成為當(dāng)今世界發(fā)展最快的一種新能源。風(fēng)能

5、在近期內(nèi)是最有前景的可再生能源，許多國家都制定了開發(fā)利用風(fēng)能的發(fā)展規(guī)劃，促進(jìn)新技術(shù)的研究和鼓勵市場的開拓。目前國際上對新的發(fā)電能力的需求可以分為截然不同的兩類：一類是受到環(huán)境保護(hù)的壓力，要求提供更清潔的發(fā)電方式，另一類是經(jīng)濟(jì)增長需要新的發(fā)電能力風(fēng)力發(fā)電面臨兩個亟待解決的問題：風(fēng)能利用效率的提高和風(fēng)電品質(zhì)的改善。通過matlab對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真，不斷優(yōu)化風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，從而更有效的利用風(fēng)能發(fā)電，降低能耗成本，有助于緩解世界各國政府能源供應(yīng)和建設(shè)壓力,對減少全球廢氣污染保護(hù)環(huán)境也有著巨大的現(xiàn)實意義1 ?？梢苑浅Ｓ行嶋H的解決全球環(huán)境保護(hù)問題和滿足經(jīng)濟(jì)增長的需要。因此，風(fēng)力發(fā)電向風(fēng)能利用效率的提

6、高和風(fēng)電品質(zhì)的改善兩方面發(fā)展已成為全世界風(fēng)力發(fā)電研究的主導(dǎo)趨勢。1.2風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器)幾部分組成。各部分的主要功能如下：監(jiān)控系統(tǒng)(scada)：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機(jī)狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機(jī)、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)

7、就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器)，它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機(jī)實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)(變頻器)接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。 我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機(jī)組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家要落后20年時間。我國風(fēng)電場運行的主力機(jī)組大都是600(660)kw級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但從國外發(fā)展情況來看，mw級大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已是歐美各國制造廠競相發(fā)展的方向，1mw2mw機(jī)組技術(shù)上已成熟，并投入商業(yè)化運行，在實際應(yīng)用中日益普及。隨著風(fēng)電的發(fā)展，

8、風(fēng)電場規(guī)模和單機(jī)容量越來越大，加上陸上風(fēng)電場受環(huán)境因素的制約，人們很自然把目光放到風(fēng)能利用效率上去。國外研制的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為了提高風(fēng)能利用效率，對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用了一系列的研究和改善（將智能控制技術(shù)應(yīng)用于變槳距控制領(lǐng)域等）。為了跟上時代不斷更新進(jìn)步的步伐，對風(fēng)能利用（風(fēng)力發(fā)電機(jī)）的不斷探索完善，我國也在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)研究方面投入了大量人力和物力。基于matlab對風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行物理建模與仿真，可以便于我們對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。我們可以從中分析變槳距調(diào)整與控制，偏航調(diào)整與控制，發(fā)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)控制等方面，以便我們了解風(fēng)能利用效率有關(guān)的一系列因素，從而進(jìn)一步在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使風(fēng)能

9、利用效率得以提高。圖1.1 國內(nèi)率先研制開發(fā)200千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)例如海上風(fēng)電場。一般認(rèn)為2.0mw是陸上風(fēng)電場發(fā)展的極限。巨型風(fēng)電機(jī)其槳葉長度將達(dá)到6070m，陸上運輸極為困難，安裝用的吊車容量將超過12001400t，大部分地區(qū)不具備這個條件。因噪聲和龐大的體積使陸上選址及運輸遭遇很大困難。而這些問題對于海上風(fēng)電來說相對比較容易解決，海上運輸方便且超過1500t的浮吊已比較普遍，更重要的是，海上風(fēng)速大且穩(wěn)定，年平均利用小時可達(dá)3000h以上，年發(fā)電量可比陸上高出50%。隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，為了便于運輸和吊裝，要求風(fēng)電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上做到緊湊、柔性和輕盈化，特別是其頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計2。 1

10、.3現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題控制系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件。而風(fēng)機(jī)其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承等核心部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化配套(盡管質(zhì)量水平及運行狀況還不能令人滿意)。就風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來講，風(fēng)機(jī)要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才

11、能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，在一般情況下即使能研制出樣機(jī)，也很難得到驗證，推廣就更加困難。 1.4研究計劃以及結(jié)構(gòu)安排在對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析變轉(zhuǎn)速變槳距控制策略，并基

12、于matlab/simulink建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，通過仿真分析最大功率跟蹤和變槳距控制下發(fā)電機(jī)的性能。第一章綜述了國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析了風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，并提出了對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行基于matlab軟件仿真的研究方案；第二章對matlab軟件及其在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析；第三章對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了物理建模與仿真，分析了與風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)有關(guān)的一系列參數(shù)之間的影響關(guān)系；第四章對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體研究和分析，同時，在對磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上基于matlab/simulink對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真；第五章對全文進(jìn)行了

13、總結(jié)，并對未來的工作進(jìn)行了展望。二 matlab軟件在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 2.1 matlab軟件matlab是一款功能強(qiáng)大的面向科學(xué)與工程計算的高級語言3。它不僅提供了豐富的庫函數(shù)和許多專用工具箱，而且還可以用自帶的m語言進(jìn)行開發(fā)和編程。m語言采用解釋執(zhí)行的方式，集成了計算、可視化以及數(shù)學(xué)表達(dá)式相似的編程環(huán)境，大大方便了用戶的使用，已被廣泛用于科學(xué)計算、算法研究、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析和工程作圖等方面。同樣，在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)所涉及的系統(tǒng)傳遞函數(shù)描述、模型的轉(zhuǎn)換與連接、控制系統(tǒng)性能分析與設(shè)計等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用4。matlab的優(yōu)化工具箱有一些對普通非線性函數(shù)求解最小化或最大化（求極值）的函

14、數(shù)組成，另外還包括一些解決如線性規(guī)劃等標(biāo)準(zhǔn)矩陣問題的函數(shù)。所有優(yōu)化函數(shù)都實際用matlab語言編寫的m文件。它的優(yōu)化功能包括：求無約束非線性最小化；求有約束非線性最小化（包括目標(biāo)獲取問題：最小最大和半無限問題）；二次和線性規(guī)劃問題等5。simulink是一個用來進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的集成軟件包，它不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可以進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或者二者的混合系統(tǒng)仿真，同時還支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真6。simulink，它比那些傳統(tǒng)的軟件包更加直觀、方便和靈活，它可以充分地利用圖形窗口技術(shù)，可以很簡單的用鼠標(biāo)來拖拉創(chuàng)建線性的、非線性的、連續(xù)

15、的、離散的和混合的模型，用它來對一些問題進(jìn)行仿真和分析非常的方便。它還可以與其他軟硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。2.2 matlab軟件的使用流程2.2.1 運行體系結(jié)構(gòu)圖用 戶 界 面matlab控制函數(shù)庫matla b環(huán)境windows操作系統(tǒng)圖2.1 matlab軟件運行體系結(jié)構(gòu)圖2.2.2 流程結(jié)構(gòu)圖主菜單構(gòu)建數(shù)學(xué)模型模型轉(zhuǎn)換線性系統(tǒng)線性離散系統(tǒng)非線性系統(tǒng)最優(yōu)觀測器時域分析頻域分析根軌跡分析相平面法圖2.2matlab軟件流程結(jié)圖2.3 matlab軟件對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真2.3.1 構(gòu)建控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在matlab中系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建可以通過多項式,零極點,留數(shù),狀態(tài)空間矩陣等多種方式建立, 要

16、實現(xiàn)在程序執(zhí)行過程中改變對象的屬性 ,就必須取得系統(tǒng)分配給對象的句柄11。下面的程序段就是利用用戶界面獲取多項式參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型的過程hnum=findobj(tag,num); %取文本句柄hden=findodj(tag,den);nnum=str2num(get(hnum,string); %取文本框中已輸入的字符串nden=str2num(get(hden,string); if length(nnum)length(nden); %異常陷阱msgbox(分子多項式的階次一般不大于分母,請重新輸入);endsysmod=tf(nnum,nden); %根據(jù)輸入的多項式參數(shù)建立系統(tǒng)傳遞函

17、數(shù)2.3.2 控制系統(tǒng)類型的路徑和分析的實現(xiàn)matlab提供了極為豐富的控制系統(tǒng)分析函數(shù),通過調(diào)用matlab控制系統(tǒng)工具箱的相關(guān)函數(shù),就可以編程實現(xiàn)對各類系統(tǒng)的分析.下面程序段的功能是實現(xiàn)線性連續(xù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)分析.step(sysmod); %繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線y01,t01=step(sysmod); %取回曲線的參數(shù)mo,tp,tr,ts2,ess=tstats(t01,y01); %調(diào)用函數(shù)來獲取性能參數(shù)set(handles.delta,string,num2str(mo)%); %將誤差值送回界面顯示set(handles.tp,string,num2str(tp)s;

18、 %將峰值時間送回界面顯示2.4 matlab/simulink環(huán)境下的仿真simulink是一個用來進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的集成軟件包，它不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可以進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或者二者的混合系統(tǒng)仿真，同時還支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真6。simulink，它比那些傳統(tǒng)的軟件包更加直觀、方便和靈活，它可以充分地利用圖形窗口技術(shù)，可以很簡單的用鼠標(biāo)來拖拉創(chuàng)建線性的、非線性的、連續(xù)的、離散的和混合的模型，用它來對一些問題進(jìn)行仿真和分析非常的方便。它還可以與其他軟硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。rtlab實時仿真平臺：將simulink中建立的變速風(fēng)機(jī)離

19、線模型推向?qū)崟r運行，從而能夠與真實物理器件對接，進(jìn)行半實物仿真。模型的實時化處理能實現(xiàn)以下功能：快速純數(shù)字仿真（大幅加速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仿真），快速控制原型（rcp）（風(fēng)機(jī)及電氣部分控制算法設(shè)計及驗證），硬件在環(huán)仿真測試（hil）（風(fēng)機(jī)及電氣部分產(chǎn)品控制器與驗證測試）7。 matlab 提供了一個面向?qū)ο缶幊痰沫h(huán)境guide ,與許多面向?qū)ο蟮木幊陶Z言(如c + + 、vb 等) 相比,matlab 自帶的開發(fā)環(huán)境與matlab 系統(tǒng)兼容性更好,既可以充分利用matlab 強(qiáng)大的函數(shù)庫,又可以保證源文件的可移植性8。2.5本章小結(jié)本章首先簡單系統(tǒng)的介紹了matlab軟件和它的使用流程；然后，講解了ma

20、tlab軟件在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真中的具體使用步驟；最后，簡單闡述了matlab/simulink軟件進(jìn)行仿真的部分優(yōu)勢。三 風(fēng)力發(fā)電機(jī)多域物理建模及系統(tǒng)仿真3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車的葉片旋轉(zhuǎn)，再通過中樞機(jī)械把旋轉(zhuǎn)的次數(shù)提升來促進(jìn)發(fā)電機(jī)發(fā)電10。圖3-1所示為根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理建立的多域物理建模的系統(tǒng)模擬圖。發(fā)電機(jī)齒輪箱輪轂電網(wǎng)塔架葉片圖3-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)多域物理建模的系統(tǒng)模擬圖風(fēng)電機(jī)需要在工作點穩(wěn)速工作，所以我們的主要目的是找到合適的工作點來進(jìn)行仿真，見圖3-2。圖3-2 發(fā)電機(jī)各工作點功率和風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子輪轂、機(jī)艙（齒輪系、發(fā)電機(jī)）

21、、塔架、電網(wǎng)。 在風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子葉片用來捕捉風(fēng)，將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心；齒輪系是用來將低速（1222轉(zhuǎn)速）的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成很高的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（1500轉(zhuǎn)速左右）。風(fēng)機(jī)是有很多轉(zhuǎn)動部件，第一個是風(fēng)輪，它沿水平軸轉(zhuǎn)向，以便產(chǎn)生動力扭距；第二個是機(jī)艙，它在水平面的轉(zhuǎn)向以便更有效的捕捉風(fēng)能（其中有變槳距控制器，偏航控制器）。研究發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)：a 葉片要求 1葉片長：40米 2葉型：ffa-w3, naca 63.4 3渦狀形：20 4最大弦：3.08米 5全部葉片為轉(zhuǎn)子型空氣制動b 制動器的要求 1制動類型：主動制動 2制動盤：鋼，安裝在高速軸 3數(shù)顯卡尺：兩個 4制動器類型：液壓制動 5電壓：34

22、80v 6工作壓力范圍：140-150bar 7油容量：11lc 環(huán)境溫度要求 1操作區(qū)間溫度：-30到+302結(jié)構(gòu)區(qū)間溫度：-40到+50d 發(fā)電機(jī)需求 1類型說明：一個水冷轉(zhuǎn)速型發(fā)電機(jī) 2額定功率：1650kw 3額定電流：1740ae 主控制器需求 1年平均風(fēng)速：8.5m/s 2 風(fēng)切變：0.20f 間距驅(qū)動需求1液壓：2e7pa2蓄電池容量：0.1l3蓄電池預(yù)緊壓力：1.5e7pa4蓄電池的最大壓力：2.5e7pag 間距控制要求圖3-3為風(fēng)速和風(fēng)向仿真曲線圖。它分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電過程中相關(guān)風(fēng)速和風(fēng)向的變化。圖3-3 風(fēng)速和風(fēng)向仿真曲線圖 圖3-4為葉片槳距和槳距角仿真曲線圖。它分析

23、了風(fēng)機(jī)在發(fā)電過程中通過控制系統(tǒng)來改變槳距，從而來改變槳距角，使風(fēng)機(jī)盡可能的時刻處于最佳發(fā)電狀態(tài)。圖3-4 葉片槳距和槳距角仿真曲線圖圖3-5為風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙偏航仿真曲線圖。它分析了風(fēng)機(jī)在發(fā)電過程中通過控制系統(tǒng)來進(jìn)行偏航操作，盡可能的保持風(fēng)速和發(fā)電，從而使風(fēng)機(jī)處于安全高效的工作狀態(tài)。圖3-5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙偏航仿真曲線圖圖3-6為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度仿真模型圖。它分析了風(fēng)機(jī)通過改變發(fā)電過程中轉(zhuǎn)子速度來提高風(fēng)能利用系數(shù)。圖3-6風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度仿真模型圖綜合圖3-3到圖3-6所示分析，風(fēng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，在10秒左右開始變槳操作；在10到30秒之間達(dá)到一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，以便保持穩(wěn)定的發(fā)電；在50秒的時候風(fēng)速上來，

24、風(fēng)速開始減小，此時風(fēng)機(jī)通過變槳和偏航操作，盡可能的保持風(fēng)速和發(fā)電；到73秒轉(zhuǎn)子速度開始下降，風(fēng)機(jī)發(fā)出停機(jī)操作。3.2變槳距調(diào)整與控制變槳距是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在輪轂上的葉片借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)改變槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動特性,使槳葉和風(fēng)機(jī)的受力狀況大為改善。變槳距機(jī)構(gòu)就是在額定風(fēng)速附近(以上),依據(jù)風(fēng)速的變化隨時調(diào)節(jié)槳距角,控制吸收的機(jī)械能,一方面保證獲取最大的能量(與額定功率對應(yīng)),同時減少風(fēng)力對風(fēng)力機(jī)的沖擊。在并網(wǎng)過程中,變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合,最終提高了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)場風(fēng)速達(dá)到每秒25米或者更高，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)

25、就需要一個故障安全裝置，使其槳葉所在的角度可起到減少負(fù)載的作用并使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。變槳距控制系統(tǒng)在這一過程中主要負(fù)責(zé)控制風(fēng)機(jī)槳葉的轉(zhuǎn)動角度。變槳距控制系統(tǒng)不僅僅在緊急情況下提供故障安全功能，還負(fù)責(zé)將風(fēng)機(jī)槳葉設(shè)置在最佳角度從而來獲得最大風(fēng)力。如，在風(fēng)場風(fēng)速約為每秒12到13米時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以控制相應(yīng)的槳葉轉(zhuǎn)動來改變槳距，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到峰值性能發(fā)電。所以說，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電過程中可靠地調(diào)節(jié)控制槳葉的角度是變槳距控制系統(tǒng)的基本優(yōu)勢所在。3.2.1葉片與變槳距連桿（simmechanics）變槳距風(fēng)機(jī)葉片沿襲定向軸轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)功率，因此變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有在額定工作點以上輸出工作效率平穩(wěn)，在

26、額定點具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，可以確保高風(fēng)時段的額定功率12。在變槳距機(jī)構(gòu)分析中,驅(qū)動力是一個非常重要的參數(shù). 只有在它確定的情況下,才能進(jìn)行變槳距機(jī)構(gòu)中各個部件的選擇,同時為下一步的計算提供依據(jù)。因此，對于相關(guān)力矩的計算，我們可以假設(shè)其為固定值。變槳距連桿建模（如圖3-7）：在simulink環(huán)境中對變槳作動連桿建模仿真，使用simmechanics實現(xiàn)機(jī)械連桿建模。simmechanics是simulink平臺下的多域物理建模軟件，專門對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行物理建模。連桿2棱鏡連桿1轉(zhuǎn)子葉片電動作動器控制器圖3-7葉片與變槳距連桿模型示意圖3.2.2變槳作動器設(shè)計變槳作動器設(shè)計（如圖3-8）：確定

27、作動器性能參數(shù)（力和速度），使用理想作動器模擬變槳系統(tǒng)。給定一個轉(zhuǎn)動的控制信號，通過控制器產(chǎn)生作用力，然后使葉片根據(jù)指令轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)角度。 作動器有：伺服作動器、壓力作動器、電磁作動器等。它是實施振動主動控制的關(guān)鍵部件，是主動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)13。它的作用是按照確定的控制律對控制對象施加控制力。我們這里所分析研究的是作動器中的液壓變槳作動器。圖3-8 變槳作動器控制流程圖變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制：在額定風(fēng)速以下時，保持最優(yōu)槳距角不變，采用最大功率跟蹤法（mppt），通過變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，風(fēng)機(jī)一直運行在最大功率點；在額定風(fēng)速以上時，通過變槳距系

28、統(tǒng)改變槳距角來限制風(fēng)輪獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持在額定功率發(fā)電14。而對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在此風(fēng)速高于額定的風(fēng)速范圍內(nèi)，由于其槳距角不能改變，只能通過風(fēng)機(jī)的失速特性來降低風(fēng)能的吸收，因此在風(fēng)速高于額定時不能維持額定功率輸出，輸出功率反而會下降。圖3-9為理想作動器模型示意圖。它主要包括力的傳輸，電動作動器，關(guān)節(jié)作動器等。力電動作動器關(guān)節(jié)作動器 圖3-9 理想作動器模型示意圖在風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，機(jī)組不產(chǎn)生電能，槳距角保持在90；在風(fēng)速高于切入風(fēng)速后，槳距角轉(zhuǎn)到0，機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，并通過控制變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，捕獲最大風(fēng)能；在風(fēng)速超過額

29、定值后，變槳機(jī)構(gòu)開始動作，增大槳距角，減小風(fēng)能利用系數(shù)，減少風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲，使發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定值；在風(fēng)速大于切除風(fēng)速時，風(fēng)力機(jī)組抱閘停機(jī)，槳距角變到90以保護(hù)機(jī)組不被大風(fēng)損壞。圖3-10為變槳作動器模型仿真脈沖信號圖。它分析了風(fēng)機(jī)發(fā)電過程中變槳作動器的運作關(guān)系。圖3-10 變槳作動器模型仿真脈沖信號圖液壓變槳作動器設(shè)計調(diào)試：測試液壓變槳作動系統(tǒng)，并考慮電力失效等工況，使用simhydraulics實現(xiàn)液壓作動器的建模。液壓變槳距控制系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)提供動力，按照系統(tǒng)要求對槳葉的槳距角進(jìn)行控制。液壓變槳距控制由于維護(hù)簡便而具有高度可靠性，由于系統(tǒng)簡單而具有高度安全性。液壓變槳距控制是一

30、種動力系統(tǒng)。它在緊急情況下，能夠在無外部電力供應(yīng)的情況下運轉(zhuǎn)。而且，由于只有少量的非電動部件，非常容易進(jìn)行安全操作，液壓變槳距控制抗震動和故障的效果良好。使用液壓變槳距控制系統(tǒng)后，在緊急停機(jī)時，其慣性運轉(zhuǎn)時間得到了最大限度的縮短。3.3偏航調(diào)整與控制偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所特有的伺服系統(tǒng)。它主要有兩個功能：一是使風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向；二是當(dāng)風(fēng)力機(jī)組由于偏航調(diào)整，使其機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解纜。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偏航控制系統(tǒng)，主要分為兩類：被動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和主動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)。被動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)多用于小型的獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由尾舵控制，當(dāng)風(fēng)場風(fēng)向改變時，它被動對風(fēng)15。主動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)

31、多用于大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由位于下風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)發(fā)出的信號進(jìn)行主動對風(fēng)控制。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)揮最大效能，機(jī)艙必須時刻準(zhǔn)確對風(fēng)，只有在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪法線方向與風(fēng)向保持一致的時候，才能確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的功率最大。3.3.1偏航調(diào)整（simdriveline,simelectronics）偏航作動器設(shè)計（如圖3-11)：確定作動器所需扭距，使用理想作動器建模仿真偏航系統(tǒng)。圖3-11偏航作動器模型圖偏航系統(tǒng)是由回轉(zhuǎn)支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺電機(jī)驅(qū)動的齒輪傳動機(jī)構(gòu)組成的。帶有內(nèi)齒的偏航軸承用螺栓連接在塔筒頂部，外環(huán)與機(jī)艙座連接，內(nèi)環(huán)與塔架連接。在偏航系統(tǒng)中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般全是由電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)成

32、，電機(jī)是偏航的動力來源，減速機(jī)時將電機(jī)輸出的高速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成低速的機(jī)構(gòu)，則在一般的偏航系統(tǒng)中偏航剎車部分一般由兩部分組合而成，一個是安裝在驅(qū)動電機(jī)后端的電機(jī)電磁制動器，一個是安裝在偏航軸承附近的液壓偏航。在偏航過程中，偏航系統(tǒng)的10個剎車盤處于半釋放狀態(tài)，偏航壓力約45pa,自動解纜時剎車盤處于全釋放狀態(tài)16。圖3-12為偏航作動器模型仿真脈沖信號圖。它主要分析了偏航作動器在風(fēng)力發(fā)電過程中的運作狀態(tài)。圖3-12偏航作動器模型仿真脈沖信號圖3.4發(fā)電3.4.1發(fā)電機(jī)(simpowersystems)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理簡單的說就是風(fēng)的動能以及空氣動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動能，轉(zhuǎn)子動能又轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)

33、力發(fā)電機(jī)通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或儀器電機(jī)，在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型發(fā)電量為500kw到1000kw17。發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)及齒輪箱建模（如圖3-13）：對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱，電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真建模，使用simdriveline和simpowersystems進(jìn)行電網(wǎng)和齒輪箱的建模。齒輪箱負(fù)載變壓器輸電網(wǎng)圖3-13發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)及齒輪箱模型圖 圖3-14為發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)及齒輪箱模型仿真信號圖。它主要分析了發(fā)電機(jī)發(fā)電速度和程度。圖3-14發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)及齒輪箱模型仿真信號圖3.5風(fēng)載荷模擬與柔性體建模(embeddedmatlab,simmechanics) 風(fēng)載荷模擬與柔性體建模，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是空氣動力學(xué)

34、原理，和飛機(jī)一樣風(fēng)并不是推動風(fēng)機(jī)葉片的，是風(fēng)吹過風(fēng)機(jī)葉片形成一個壓差，壓差回產(chǎn)生一個升力使葉片旋轉(zhuǎn)，并不斷形成風(fēng)流。葉片受風(fēng)力載荷建模如圖（3-15）：對葉片由于風(fēng)和葉片旋轉(zhuǎn)而承受的風(fēng)力載荷建模，使用simulink和embedded matlab進(jìn)行不同層次的建模。圖3-15 葉片受風(fēng)力載荷模型圖升力阻力計算（與風(fēng)速，方向，轉(zhuǎn)子速度有關(guān)）翼型軸線與氣流方向的攻角為（流入角與槳距角之差）,氣流在靠近翼型上方速度會比下方速度快，根據(jù)流體力學(xué)、空氣動力原理，翼型向上受到一個升力，同時也會受到氣流的一個阻力。升力=1/2 *空氣密度*速度的平方*機(jī)翼面積*機(jī)翼升力系數(shù)阻力=1/2 *空氣密度*速度的

35、平方*機(jī)翼面積*機(jī)翼阻力系數(shù)單一單元模型風(fēng)升力阻力圖3-16單一單元計算模型圖多單元模型：由圖3.18的多個單元組合而成的模型。 分布式葉片設(shè)計：風(fēng)速沿著葉片變化，可以使用embedded matlab進(jìn)行建模實際葉片是繞軸旋轉(zhuǎn)運動的，而且沿葉片方向不同截面的線速度是不同的，線速度最快到最慢。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)，也是最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運行的決定因素。因此，風(fēng)力葉片設(shè)計分為空氣動力外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。翼型對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是十分重要的，它直接影響風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的啟動以及接受風(fēng)能的效率。一臺性能良好的風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量增加升力而減少阻力，使得

36、升阻比盡量趨于最大值，從而來增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。simmechanics中柔性體建模：在simulink環(huán)境中對葉片進(jìn)行柔性懸臂梁設(shè)計仿真，使用simmechanics進(jìn)行兩種模型研究（集中質(zhì)量法，fea法）。集中質(zhì)量法：由彈簧/阻尼連接而成的剛性單元鏈，即將長葉片分成若干段建模由彈簧/阻尼連接而成的剛性單元鏈圖3-17 彈簧/阻尼連剛性單元鏈fea法：狀態(tài)方程結(jié)合平面建模1.在simulink環(huán)境中導(dǎo)入由fe工具得到的特征方程 2.考慮由于柔性導(dǎo)致的變形 3.6監(jiān)測系統(tǒng)控制(stateflow)控制設(shè)計與狀態(tài)監(jiān)控，監(jiān)測系統(tǒng)控制：風(fēng)機(jī)的監(jiān)測控制系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)速，風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)

37、定的液壓控制下，變槳和偏航，同時監(jiān)視齒輪箱，發(fā)電機(jī)運行的溫度以及液壓系統(tǒng)的油壓等等。有異常進(jìn)行報警，必要是停機(jī)。根據(jù)槳距角控制轉(zhuǎn)子速度：控制槳距角以確保發(fā)電機(jī)軸工作在名義轉(zhuǎn)速下，使用simulink根據(jù)攻角來控制變槳（如圖3-18）。圖3-18槳距角控制轉(zhuǎn)子速度仿真流程圖檢測系統(tǒng)建模（如圖3-17）：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不同工況，實現(xiàn)不同基本狀態(tài)，包括剎車，發(fā)電，變槳和停機(jī)的轉(zhuǎn)換，使用stateflow實現(xiàn)基于事件的控制策略檢測系統(tǒng)建模：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不同工況，實現(xiàn)不同基本狀態(tài)，包括剎車，發(fā)電，變槳和停機(jī)的轉(zhuǎn)換，使用stateflow實現(xiàn)基于事件的控制策略。停機(jī)狀態(tài)發(fā)電啟動狀態(tài)變槳制動狀態(tài)發(fā)電狀

38、態(tài)圖3-19檢測系統(tǒng)建模仿真流程圖停機(jī)狀態(tài)對應(yīng)的條件為停機(jī)制動為真，變槳制動和發(fā)電為假；當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間，此時轉(zhuǎn)為發(fā)電啟動狀態(tài)，停機(jī)制動為假，變槳制動和發(fā)電為假； 當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速大于最小發(fā)電轉(zhuǎn)速時，此時進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，停機(jī)制動為假，變槳制動為假，發(fā)電為真；當(dāng)風(fēng)速過低或過高的時候，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過低或過高 ，為保護(hù)設(shè)備，此時應(yīng)該進(jìn)入變槳制動狀態(tài)，停機(jī)制動為假，變槳制動為真，發(fā)電為假；當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速小于停機(jī)速度的時候，系統(tǒng)關(guān)閉進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)（如圖3-20到3-21）。制動裝置的特點是空氣動力學(xué)制動剎車單獨由變槳距控制，槳葉獲得充分的剎車作用。即使一個槳葉剎車制動失敗, 其它二個葉片也可以安全結(jié)束剎車的

39、過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性。制動系統(tǒng)還裝備了備用電源，提供給故障或者維修時候可以快速準(zhǔn)確地收回槳葉。圖3-20 切入風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的信號圖圖3-21 臨界風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的信號圖圖3-22 極限風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的信號圖3.7本章小結(jié)本章首先對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理做了一個簡單的介紹；然后對風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部分進(jìn)行了具體的多域物理建模與仿真；其次，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部分的多域物理建模和仿真，找出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)有關(guān)的一系列參數(shù)之間的影響關(guān)系（風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比、葉片槳距角有關(guān)），為下面使用matlab對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真提供一個合理的平臺。四 matlab軟件對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真的策略基于m

40、atlab的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真的策略：本章通過在對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上結(jié)合第三章中風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的一系列平面理想元器件建模的仿真結(jié)論，對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行物理建模和數(shù)學(xué)建模研究；然后，利用相關(guān)的物理數(shù)學(xué)表達(dá)式來分析理想狀態(tài)下風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的變轉(zhuǎn)速變槳距控制，從而得出相應(yīng)的物理數(shù)學(xué)表達(dá)式，并基于matlab/simulink對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)建立的相應(yīng)物理數(shù)學(xué)建模來進(jìn)行仿真，通過仿真分析最大功率跟蹤和變槳距控制下發(fā)電機(jī)的性能，最終得到我們所研究的一系列數(shù)據(jù)。4.1風(fēng)力機(jī)模型的研究 圖4-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真流程圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)量與用途有關(guān)，風(fēng)力發(fā)電用的風(fēng)力機(jī)葉片一般為2或3片，此外

41、葉片數(shù)還與葉尖速比有一定的匹配關(guān)系。由于三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行和功率輸出比較平穩(wěn)，一般中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)全選擇使用三葉片。根據(jù)實際和研究的需要，本文選了三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為研究對象。v風(fēng)風(fēng)輪變槳距系統(tǒng)控制系統(tǒng)剎車系統(tǒng)傳動系統(tǒng)發(fā)電機(jī)機(jī)艙（偏航）塔架電網(wǎng)圖4-2 風(fēng)機(jī)模型機(jī)構(gòu)圖風(fēng)力機(jī)模型：首先，在對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)能捕獲原理，我們可以知道風(fēng)力機(jī)掃掠面的風(fēng)能為（1）式中為空氣密度，1.225kg/m3;r為風(fēng)力機(jī)葉片半徑，m；v為風(fēng)速，m/s。其次，風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械能和機(jī)械轉(zhuǎn)矩都隨風(fēng)速不斷變化而變化，根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能為：（2）風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩：（3）式中

42、，為風(fēng)能利用系數(shù); 為葉尖速比；為葉片槳距角。由上式以及第3章所述可知，風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖角比和葉片槳距角的函數(shù)，葉尖角比為葉尖旋轉(zhuǎn)線速度與風(fēng)速之比：（4）式中為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s。理想風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)的最大值為0.593（貝茨極限，詳細(xì)見附錄空氣動力學(xué)）。越大，表示風(fēng)力機(jī)的效率越高。對于給定的葉尖速比和葉片槳距角，可用下式計算風(fēng)能利用系數(shù)：（5）式中， （6）， 由可以算出風(fēng)速（7）。 式中：p為風(fēng)壓，pa ；為空氣密度，1.225kg/m3；v為風(fēng)速，m/s 。 由上式可知，風(fēng)速v可通過測外界壓強(qiáng)p求得，每個裝配好的風(fēng)力機(jī)存在一個唯一最佳葉尖速比（固定值），則可求得風(fēng)力機(jī)在此情況下

43、的轉(zhuǎn)速。4.2仿真過程、結(jié)果和分析4.2.1仿真過程風(fēng)能利用系數(shù)到分別取值為 0.5176、116、0.4、5、21、0.0068。根據(jù)上式【6】在matlab/simulink下的建模仿真得到不同的和值對應(yīng)的曲線如下圖：圖4-3 不同的和值對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線對應(yīng)程序為：clearx=0:0.1:20;y=x;x,y=meshgrid(x,y);c1=0.5176;c2=116;c3=0.4;c4=5;c5=21;c6=0.0068;r1=c1*(c2./x-c3.*y-c4);r2=exp(-c5*(y.3+1-0.035*x-0.0028*y)./(x+0.008*y)./(y.3+1

44、);z=r1.*r2+c6.*x;surf(x,y,z)4.2.2 結(jié)果和分析對于任意的葉尖速比，槳距角為時的風(fēng)能利用系數(shù)值最大，隨著值的增大，值明顯減少;對于一固定值，存在唯一一個最佳葉尖速比對應(yīng)的最大值。又由式 知，在一定風(fēng)速v下，存在唯一一個風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)著，使得風(fēng)能利用率最高，捕獲的風(fēng)功率最大。如果在任何風(fēng)速下保證有變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)換相對應(yīng)，可以使得葉尖速比總是為最佳葉尖速比，風(fēng)力機(jī)運行在點，便可獲得最大輸出功率，及最大輸出轉(zhuǎn)矩。4.3本章小結(jié)本章首先在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的有關(guān)參數(shù)；其次，分析永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)變轉(zhuǎn)速變槳距控制，基于matlab/si

45、mulink建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型；最后，通過仿真分析最大功率跟蹤和變槳距控制下發(fā)電機(jī)的性能。五 總結(jié)與展望5.1主要工作與創(chuàng)新點隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，一次能源的日益枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，許多國家都制定了開發(fā)利用風(fēng)能的發(fā)展規(guī)劃。然而，這是一個多方面科學(xué)的研究對象，國內(nèi)外的研究還有待提高，風(fēng)能利用效率的提高和風(fēng)電品質(zhì)的改善更是風(fēng)能利用的頭等研究對象。本文對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要工作點和創(chuàng)新點有：詳細(xì)綜述了國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，找出了存在的問題和亟待解決的關(guān)鍵，并提出了研究方案；其次，對matlab軟件及其在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，對simulin

46、k及其子軟件的優(yōu)點進(jìn)行了一定的敘述；并對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了具體的物理建模與仿真，找出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)有關(guān)的一系列參數(shù)之間的影響關(guān)系；最后，對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體研究和分析，同時，在對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析變轉(zhuǎn)速變槳距控制策略，并基于matlab/simulink建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，通過仿真分析最大功率跟蹤和變槳距控制下發(fā)電機(jī)的性能。分析了通過改變風(fēng)機(jī)的一些因素可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)能的利用效率。從中，使用matlab/simulink系列軟件使得仿真取得了各方面的方便和優(yōu)化。5.2不足與展望本論文在對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的研究并取得了一些成果，然而

47、，本論文的研究只是純理論，缺乏實際研究操作，而且，對有些方面只限于理論的定性研究。對最佳葉尖速比的始終保持問題還缺少一定的認(rèn)識和研究，期望在以后的學(xué)習(xí)論述中通過研究和仿真可以在有關(guān)方面有一定的見解，并用matlab軟件做出相應(yīng)的更有說服力的仿真。為了使風(fēng)能利用效率得到提高和風(fēng)電品質(zhì)得到改善，許多的工作還有待于進(jìn)一步深入, 例如，研究風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)和風(fēng)電發(fā)力自動控制系統(tǒng)，分析在功率預(yù)測基礎(chǔ)上的有功功率和無功功率控制能力；研究控制系統(tǒng)中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善；研究控制系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持電網(wǎng)運行；風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)

48、雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化等。再如，從硬件來講，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來講，風(fēng)機(jī)要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。塔架的高度越高

49、，獲得風(fēng)速越高，而需要的成本和技術(shù)也越高。這些都是要深入研究的重要課題。參考文獻(xiàn)：1 中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)研究年度報告,2007-2008.2 中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究報告,2007.3 樓順天，陳生潭，雷虎民.matlab程序設(shè)計語言m .西安電子科技大學(xué)出版社，2000：64 65.4 何衍慶，姜捷，江艷君，等.控制系統(tǒng)分析、設(shè)計應(yīng)用m .北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003：51 53.5 張志涌. 精通matlabm .北京航空航天大學(xué)出版社，2003：109 115.6 羅建軍，楊琦.精講多練matlabm .西安交通大學(xué)出版社，2002：79 81.7 陳煒.平臺下變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的

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53、自動控制原理教學(xué)軟件開發(fā) j .現(xiàn)代電力.附 錄1.風(fēng)機(jī)模型仿真程序：function vid, induced velocity rate m/s2 flow, rotor state:1:heli 2:young 3:windmill y, blade force y components n (in disc plane) z, blade force z components n (perpendicular disc plane) h, blade moment y componet nn (flapping) n blade moment z componet nn (shaft torque) =rotor( states vi, induced velocity m/s v, airspeed freestream m/s 0.inf alpha, disc angle-of-attack rad beta, disc angle-of-sideslip rad p, disc rate-of-rotation rad/s (about principal axis) q, r, ps