基于Bladed和MATLAB的風(fēng)機(jī)聯(lián)合建模與仿真

劉國(guó)祥，崔新維

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2．北京三力新能科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在風(fēng)電機(jī)組仿真模型的建立過(guò)程中，葉輪氣動(dòng)模型的非線(xiàn)性特性加大了建模的難度。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用MATLAB或者ADAMS平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的建模及仿真。邢鋼［1］、應(yīng)有［2］在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模的過(guò)程中，采用的是翼型氣動(dòng)模型識(shí)別方法。由于翼型氣動(dòng)模型識(shí)別是基于功率系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，因此，對(duì)于氣動(dòng)性能不同的翼型則需要大量的功率系數(shù)值進(jìn)行識(shí)別才能獲得較為準(zhǔn)確的葉輪氣動(dòng)模型。

本文針對(duì)翼型氣動(dòng)模型識(shí)別方法數(shù)據(jù)需求量大、實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題，提出運(yùn)用Bladed平臺(tái)與MATLAB平臺(tái)的聯(lián)合建模方式建立風(fēng)機(jī)氣動(dòng)模型，既能避免翼型氣動(dòng)模型識(shí)別，又能在翼型發(fā)生改變時(shí)，僅需要在Bladed中修改翼型參數(shù)即可計(jì)算出氣動(dòng)建模所需的氣動(dòng)參數(shù)。使用MATLAB平臺(tái)設(shè)計(jì)控制器，對(duì)某一風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行仿真分析，證明了本文提出的葉輪氣動(dòng)模型建模方法的正確性。

1 風(fēng)電機(jī)組建模

風(fēng)電機(jī)組建模通常是采用不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)表示機(jī)組各部件的物理原理，用來(lái)理解、分析和表示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

1．1 葉輪氣動(dòng)模型

根據(jù)葉輪受力分析，將葉輪簡(jiǎn)化為一個(gè)同時(shí)承受氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)推力的部件，并根據(jù)葉素－動(dòng)量定理和動(dòng)力學(xué)方程建立葉輪氣動(dòng)模型。式（1）～式（3）描述的是葉輪氣動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

其中：Ta為葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Fa為葉輪氣動(dòng)推力；ρ為空氣密度；R為葉輪半徑；λ為葉輪尖速比；θ為槳距角；ω為葉輪轉(zhuǎn)速；Cq（λ，θ）為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Ct（λ，θ）為推力系數(shù)；（Vw－）為修正輪轂高度風(fēng)速。

在對(duì)某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組建模時(shí)，使用Bladed平臺(tái)氣動(dòng)計(jì)算模塊快速計(jì)算出0°～20°槳距角范圍內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)，并應(yīng)用MATLAB平臺(tái)對(duì)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用葉素－動(dòng)量定理［3］和動(dòng)力學(xué)理論，在MATLAB平臺(tái)中建立葉輪氣動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1 應(yīng)用Bladed和MATLAB平臺(tái)建立的葉輪氣動(dòng)模型

相較基于經(jīng)驗(yàn)公式的模型識(shí)別方法，本方法省去了復(fù)雜繁瑣的經(jīng)驗(yàn)公式迭代過(guò)程，不受翼型類(lèi)型變化的限制，提高了葉輪氣動(dòng)建模的效率，利于工程實(shí)現(xiàn)。

1．2 建立整機(jī)控制系統(tǒng)模型

根據(jù)各子模型之間的耦合關(guān)系將風(fēng)電機(jī)組子模型聯(lián)系起來(lái)，在MATLAB中搭建出某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)模型，并根據(jù)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際工況需求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)正常安全的運(yùn)轉(zhuǎn)。

基于MATLAB和Bladed平臺(tái)聯(lián)合建立的風(fēng)電機(jī)組及控制系統(tǒng)模型如圖2所示。再連接已經(jīng)搭建好的風(fēng)機(jī)控制器和湍流風(fēng)速模型，便組成了包含湍流風(fēng)速輸入、控制器和風(fēng)機(jī)模型的風(fēng)電機(jī)組控制模型。

2 控制系統(tǒng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

2．1 風(fēng)能捕獲

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的基本控制要求，基于MATLAB／Simulink平臺(tái)設(shè)計(jì)了PID控制器［4］。在額定風(fēng)速以下采用最佳功率追蹤的控制方法，即在測(cè)得的風(fēng)速段內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，始終將尖速比控制在最優(yōu)值附近；而在額定風(fēng)速以上時(shí)［5］，采用恒定功率控制，通過(guò)改變槳距角控制葉輪吸收功率進(jìn)而保持功率恒定輸出，防止超發(fā)。

圖2 風(fēng)電機(jī)組及控制系統(tǒng)模型

2．2 載荷控制

風(fēng)機(jī)在自然條件的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自各方面的載荷的作用，此時(shí)控制系統(tǒng)將根據(jù)載荷的特性加以控制，有效避免了風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)載、諧振以及運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)造成的載荷波動(dòng)。

基于MATLAB平臺(tái)建立的風(fēng)電機(jī)組控制模型，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)各工況的模擬及狀態(tài)切換，并且可以根據(jù)仿真結(jié)果及時(shí)修改和調(diào)整風(fēng)機(jī)模型，使其仿真運(yùn)行接近于實(shí)際工況。

3 風(fēng)電機(jī)組模型仿真分析

3．1 葉輪氣動(dòng)模型仿真

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片、葉輪的受載特性可知，葉輪氣動(dòng)模型中槳距角、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)推力等參數(shù)能夠跟隨風(fēng)速的變化及時(shí)作出響應(yīng)。若仿真結(jié)果與理論的氣動(dòng)響應(yīng)分析不相符合，則需要對(duì)葉輪氣動(dòng)模型進(jìn)行反復(fù)修改，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，直至葉輪氣動(dòng)模型能夠正確反映出葉輪的各氣動(dòng)響應(yīng)特性。

漸變風(fēng)況是風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中頻繁遇到的風(fēng)況之一，本文對(duì)圖1建立的葉輪氣動(dòng)模型進(jìn)行了漸變風(fēng)況的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定仿真風(fēng)速范圍為6m／s～15 m／s，變化率為0．1，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m／s開(kāi)始逐漸增大時(shí)，由于沒(méi)有達(dá)到額定風(fēng)速，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)推力隨風(fēng)速增大；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到11m／s額定風(fēng)速附近并繼續(xù)增大時(shí)，槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作，使葉片的槳距角增大，保持葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定，氣動(dòng)推力降低，符合風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性。

圖3 6m／s～15m／s漸變風(fēng)速葉輪氣動(dòng)響應(yīng)仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，使用Bladed和MATLAB平臺(tái)聯(lián)合搭建的葉輪氣動(dòng)模型能夠正確反映葉輪氣動(dòng)特性，并且槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)控制策略需求，迅速作出相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)。

3．2 變槳距系統(tǒng)仿真

槳距控制是風(fēng)電機(jī)組核心控制之一，其動(dòng)作響應(yīng)及控制精度直接影響機(jī)組的輸出功率和載荷情況，本文對(duì)圖1建立的葉輪氣動(dòng)模型進(jìn)行了變槳控制仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)定仿真風(fēng)速范圍為6m／s～15m／s，變化率為0．1，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 漸變風(fēng)速下變槳距系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果

在額定風(fēng)速以下，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，開(kāi)始變槳?jiǎng)幼鳌Ｈ鐖D4所示：50s之前未達(dá)到額定風(fēng)速，槳距角為0°；50s以后，風(fēng)速已經(jīng)超過(guò)額定風(fēng)速，槳距角及變槳速率也跟隨風(fēng)速變化，并保證額定風(fēng)速以上，機(jī)組輸出功率保持恒定。仿真結(jié)果表明：變槳距控制策略是正確的，同時(shí)變槳系統(tǒng)能夠按照系統(tǒng)需求及時(shí)響應(yīng)，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的控制要求。

4 結(jié)論

本文采用Bladed與MATLAB聯(lián)合建模方法建立葉輪氣動(dòng)模型，可有效避免依靠傳統(tǒng)模型識(shí)別方法反復(fù)迭代計(jì)算的過(guò)程。對(duì)模型進(jìn)行控制策略仿真，結(jié)果表明，聯(lián)合建模能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)葉輪氣動(dòng)模型特性，便于實(shí)際工程應(yīng)用。

［1］ 邢鋼，郭威．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制方法研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008（5）：181－186．

［2］ 應(yīng)有，許國(guó)東．基于載荷優(yōu)化的風(fēng)電機(jī)組變槳控制技術(shù)研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（16）：106－111，119．

［3］ Burton Tony，Jenkins Nick，Sharpe David，et al．Wind energy handbook［M］．West Sussex，United Kingdom：A John Wiley and Sons，Ltd，Publication，2011．

［4］ 劉金琨．先進(jìn)PID控制MATLAB仿真［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［5］ 葉杭冶．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．