李爭(zhēng)，孫甜甜，高培峰（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)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(fēng)力發(fā)電機(jī)特性的仿真分析

李爭(zhēng)，孫甜甜，高培峰
（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)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(fēng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓬勃興起，但由于流場(chǎng)不定導(dǎo)致其發(fā)電特性不易掌握。以Senegal式風(fēng)機(jī)為例，采用CFD流體分析風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，計(jì)算出風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，利用Matlab/Simulink建立以風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、矢量控制為主要模塊的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，計(jì)算出風(fēng)機(jī)的性能曲線，對(duì)其發(fā)電特性進(jìn)行分析，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)機(jī)；發(fā)電系統(tǒng)；矢量控制

隨著經(jīng)濟(jì)全球化與人口的不斷增長(zhǎng)，人類正面臨著能源利用和環(huán)境保護(hù)兩方面越來(lái)越重的壓力，綠色、環(huán)保、可再生的風(fēng)能引起了人們的關(guān)注，各種類型風(fēng)機(jī)的研制也取得了一定的進(jìn)展。目前水平軸風(fēng)機(jī)是商業(yè)化程度高和技術(shù)較為成熟的一種風(fēng)力機(jī)，由于起初人們對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)的認(rèn)識(shí)不足，使其長(zhǎng)期得不到發(fā)展，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，證明了垂直軸風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力性能十分優(yōu)異，并且風(fēng)能利用率和成本造價(jià)也有一定的優(yōu)勢(shì)；近年來(lái)永磁同步電機(jī)和交直交變頻器技術(shù)的研究取得巨大進(jìn)步，使得科研人員對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了更深的探討。隨著研究的不斷深入，該類型風(fēng)機(jī)是最有希望得到規(guī)?；l(fā)展的中小型容量風(fēng)機(jī)［1-5］。相對(duì)于水平軸風(fēng)機(jī)，垂直軸風(fēng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需對(duì)風(fēng)向，無(wú)噪聲，安全可靠，風(fēng)速變化范圍小，空氣性能優(yōu)越，未來(lái)無(wú)論在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用還是中小型獨(dú)立用戶，都有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-7］。

在垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別進(jìn)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(lái)提高風(fēng)能的利用率［8］，并采用導(dǎo)葉或擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)引流，從而消除“負(fù)阻力”；設(shè)計(jì)了由負(fù)溫度系數(shù)電阻組成的電子制動(dòng)裝置［9］，有效地保護(hù)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)壓過(guò)流狀態(tài)；Catalin Harabagiu把Savonius風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪加入270°導(dǎo)流罩，使風(fēng)機(jī)輸出功率增加了2.5倍；為了改變發(fā)電機(jī)輸出電壓不定的問(wèn)題［10］，采用PIC16F887單片機(jī)生成PWM來(lái)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(shù)的基礎(chǔ)上，首先使用Fluent軟件對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行分析計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，然后把轉(zhuǎn)矩輸入到Simulink搭建的發(fā)電機(jī)模塊中，發(fā)電機(jī)采用矢量控制，最后通過(guò)定子電流、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)來(lái)分析系統(tǒng)的發(fā)電特性。

1　CFD三維模擬計(jì)算

1.1風(fēng)機(jī)模型

本文風(fēng)機(jī)模型為Senegal式風(fēng)機(jī)，其風(fēng)輪為2層，每層由3個(gè)扇葉構(gòu)成，扇葉由1個(gè)半圓柱面和1個(gè)長(zhǎng)方形平板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減少能量耗散，便于風(fēng)力發(fā)電，發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸直接相連。圖2為風(fēng)機(jī)流體分析模型，發(fā)電機(jī)部分采用圓柱體代替，對(duì)模型部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便于計(jì)算。

圖1　Senegal式風(fēng)機(jī)Fig.1 Senengal type wind turbine

圖2　風(fēng)機(jī)仿真模型Fig.2 Simulation model of wind turbine

1.2設(shè)計(jì)參數(shù)及求解設(shè)置

本文設(shè)定風(fēng)輪高度為4 m，內(nèi)徑1.7 m，外徑1.9 m；使用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定流體為等溫，不可壓縮的空氣，模擬風(fēng)機(jī)非定場(chǎng)流動(dòng)且風(fēng)速較低的情況，采用有限元體積法，計(jì)算使用k—ε湍流模型。

湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程如下所示：

圖3為風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格剖分圖，在靜止域和旋轉(zhuǎn)域之間使用滑移網(wǎng)格。入口設(shè)定為速度入口，出口設(shè)定為壓力出口，壓力計(jì)算值為0，仿真精度設(shè)定為10-3，仿真時(shí)間設(shè)定為4 s。

圖3　風(fēng)機(jī)網(wǎng)格剖分Fig.3 Mesh generation of wind turbine

2　風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1風(fēng)力機(jī)模型

尖速比是用來(lái)表述風(fēng)機(jī)特性的一個(gè)十分重要的參數(shù)。風(fēng)輪葉片端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比；葉片越長(zhǎng)，或者葉片轉(zhuǎn)速越快，同風(fēng)速下的葉尖速比就越大。其表達(dá)式如下：

式中：R為風(fēng)輪半徑；ω為風(fēng)機(jī)的角速度；v為來(lái)流風(fēng)速。

風(fēng)能利用系數(shù)用Cp表示，表示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率，其大小與葉尖速比有關(guān)系，表達(dá)式如下：

式中：PT為風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率；ρ為空氣的密度；A為風(fēng)輪掃掠面積［12］。

根據(jù)式（3）、式（4）在Simulink中搭建風(fēng)機(jī)模塊，將來(lái)流風(fēng)速v、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω作為輸入量，通過(guò)調(diào)節(jié)其與來(lái)流風(fēng)速之間的比例關(guān)系而得到。將風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm作為輸出量。構(gòu)建的風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4　風(fēng)機(jī)內(nèi)部模型Fig.4 Internal model of wind turbine

根據(jù)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率公式，以Fluent測(cè)出的轉(zhuǎn)矩作為數(shù)據(jù)，使用轉(zhuǎn)矩?cái)M合，作出垂直軸風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率曲線如圖5所示。由圖5可知，風(fēng)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(dá)到最大值。

圖5　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率Fig.5 Conversion efficiency of wind turbine

2.2發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文發(fā)電機(jī)使用永磁同步電機(jī)，當(dāng)在靜坐標(biāo)系下加入運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩方程后，電機(jī)電流向量和磁鏈矩陣表述相對(duì)復(fù)雜，因此以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系參考，不計(jì)轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，忽略電機(jī)參數(shù)變化，則

定子電壓方程為

定子磁鏈方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

電機(jī)運(yùn)動(dòng)平衡方程為

式中：p為微分算子；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)；Ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；J為系統(tǒng)折算到軸端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為阻力系數(shù)。

2.3模型搭建

為了分析風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)M合和發(fā)電2個(gè)核心模塊，在發(fā)電模塊中，為了得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，本文對(duì)永磁同步電機(jī)采用矢量控制［13］；在風(fēng)機(jī)模塊中，使用瞬態(tài)分析，計(jì)算出風(fēng)機(jī)在風(fēng)速為6.705 6 m/s，轉(zhuǎn)速為2.767 8 r/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩，將其數(shù)據(jù)輸入到發(fā)電機(jī)模塊，得到各物理量的特性曲線。S1為發(fā)電機(jī)三相電流，S2為發(fā)電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(jī)輸出，id對(duì)轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)起到增磁或去磁的作用；iq和轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁力矩。當(dāng)id=0時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系，只要對(duì)iq進(jìn)行控制就能夠達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。其控制過(guò)程為：根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和輸入的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速相比較，利用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過(guò)速度PI控制器計(jì)算取得了定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq的參考量，同時(shí)給定定子電流勵(lì)磁分量id，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換將id,iq轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)iα,iβ將其送入SVPWM中產(chǎn)生控制脈沖，通過(guò)控制脈沖用于控制三相逆變器的各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而得到定子三相繞組的實(shí)際電流。根據(jù)本文設(shè)計(jì)具體情況，采用id=0的控制策略，因此id的參考值為0。

3　結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之變化，本文在設(shè)定風(fēng)速為6.7 m/s下進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為1 s，得出風(fēng)機(jī)的發(fā)電特性如圖7所示。

圖7　發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)曲線Fig.7 Generator operating parameter curve

為了更清楚分析圖形結(jié)果，圖8是發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的局部放大圖。圖9是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，維持在33.3 r/min，由圖9可知，轉(zhuǎn)速能迅速達(dá)到收斂，這是矢量控制的結(jié)果。圖10為發(fā)電機(jī)的三相電流，可以看出輸出電流為平滑的三相交流電，計(jì)算結(jié)果理想，符合預(yù)期效果。

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

圖9　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.9 Wind turbine speed

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

4　結(jié)論

利用Matlab/Simulink建立了垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，在風(fēng)機(jī)模塊中仿真得出此類型風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線；根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和所設(shè)計(jì)的矢量控制系統(tǒng)模型，通過(guò)合理的參數(shù)，保證發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中達(dá)到預(yù)期的效果，最后對(duì)整體模型仿真，得出平滑三相交流電波形，此結(jié)果表明，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果正確合理，為后續(xù)垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hào)：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金（E2014208134）

作者簡(jiǎn)介：李爭(zhēng)（1980-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，Email：Lzhfgd@163.com

收稿日期：2015-09-10