MATLAB/Simscape在風力機仿真實驗系統教學中的應用

秦志英 路子安 趙月靜 趙季福 王偉

摘? 要? 基于Simscape對風力機仿真實驗系統功能進行教學說明，解釋相關功能模塊具體是如何進行搭建的，并且對各個模塊的工作情況進行介紹，對風力機系統的研究提供價值。風力機作為變速風力發電機組的重要部分，采用MATLAB/Simscape軟件對其進行建模，得到風力機捕獲有效功率與風力機葉尖速比的關系，風力機輸出轉矩、風力機輸出功率以及風速隨時間變化的圖像，運用Simscape進行多種功能模塊的搭建，得出相關仿真數據圖形，利用仿真所得到的數據進行分析研究，以這種方式增強風力機仿真實驗系統教學效果。

關鍵詞? MATLAB;Simscape;風力機仿真實驗系統

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

在如今教育教學現代化以及教學信息化發展背景下，我國諸高校都開始全面探究虛擬仿真實驗在教學中的應用[1]。由于受到實驗成本以及自然環境等條件的約束，風力機模擬實驗平臺成為實驗室進行風電技術教學與研究的基礎[2]，且采用傳統的實驗教學方法已不能滿足實驗教學現代化發展的要求，采用專業仿真軟件進行虛擬實驗教學是一個值得推薦的方法，往往可以取得事半功倍的效果[3]。

本文通過仿真得到最佳葉尖速度比和最大風能的功率系數Cp，風力機輸出轉矩、風力機輸出功率以及風速隨時間變化的圖像，運用Simscape進行各種功能模塊的搭建，得出相關仿真數據圖形，并在MATLAB/Simscape中對變速風力發電機的風力機進行靜態仿真[4-5]，以此提高風力機仿真實驗系統教學效果。

1? 風力機結構及Simscape仿真模型介紹

風力發電機組是風力發電系統中的重要組成部分。如圖1所示：風力機的結構包括葉片和軸，葉片受到氣流影響時帶動風輪旋轉，將風能轉化成機械能，再由發電機將機械能轉化為電能。本文建立變速風力發電機組的變速仿真模型。MATLAB程序中的Simscape風力機仿真模型存在三種類型，分別如圖2所示。

1.1? 圖2-a模型介紹

圖2-a模型是基于水輪機穩態功率特性建立的，傳動系的剛度是無窮大的，渦輪機的摩擦系數和慣性必須與耦合到渦輪機上的發電機的慣性結合在一起。該模塊實現了變槳距風力渦輪機模型。渦輪的性能系數Cp是渦輪的機械輸出功率除以風力和風速、轉速和俯仰角β的函數。選擇風機功率特性顯示，以指定節距角繪制風機特性。第一個輸入端是發電機功率，第二個輸入端是風力機半徑，第三個輸入端是風力機轉速，第四個輸入端為主導風速。輸出端是最大功率捕獲系數、葉尖速比、捕獲功率以及施加到發電機軸上的轉矩。

1.2? 圖2-b模型介紹

圖2-b模型為風力機和雙饋感應發電機（WTDFIG），稱為風力機和雙饋感應發電機系統。AC/DC/AC變換器分為轉子側變流器（Crotor）和電網側變流器（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，連接到直流側的電容器充當直流電壓源。耦合電感L用于將CGRID連接到電網。三相轉子繞組通過滑環和電刷與發電機相連，三相定子繞組直接與電網相連。風力發電機將捕獲的風能轉化為電能，再通過定子和轉子繞組輸送到電網?？刂葡到y分別為Crotor和CGRID生成俯仰角指令和電壓指令信號vr和vgc，以控制風機功率、直流母線電壓和無功功率或電網終端電壓。

1.3? 圖2-c模型介紹

圖2-c模型是風力渦輪機和感應發電機（WTIG），定子繞組直接與電網相連，轉子由風力渦輪機驅動。風力發電機將捕獲的風能轉化為電能，通過定子繞組輸送到電網中。俯仰角控制是在高風速下將發電機的輸出功率限制在額定值，為了發電，感應發電機的轉速必須略高于同步轉速，但速度變化通常很小，因此，WTIG被認為是一個固定速度的風力發電機。感應發電機吸收的無功功率由電網或電容器組、SVC、STATCOM或同步電容器等設備提供。B、C的第一個輸入量為風速，第二個輸入量的作用是將Simulink邏輯信號（0或1）應用于該輸入，當此輸入高時，WTDFIG斷開，其控制系統被禁用，使用此輸入實現保護系統的簡化版本。輸入量A、B、C為WTDFIG的三個端子。輸出量包含29個WTDFIG內部信號的Simulink輸出矢量，這些信號可以通過總線選擇塊單獨訪問。

2? 風力機仿真系統

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

整個風力機仿真系統需要利用各種模塊以及函數關系將完整的系統搭建出來，得到轉速、轉矩和功率與時間的關系圖，最終結果如圖4所示。以風機半徑、主導風速和風速為輸入值，調整風機轉速與主導風速的比值，以空氣密度和槳距角為輸入值，以風力機的輸出轉矩和捕獲功率作為模型的輸出值。

圖5為Cpmax MATLAB模型，該模型是為了計算最大功率系數Cpmax，是存在于Subsystem模塊中的一個子系統。式中，λ是風力機的葉尖速比，β是風力機的槳距角。由公式可知，當風機葉片角β為常數時，風速不同，通過控制葉片葉尖速比λ在一定范圍內，可以得到風力機的最大功率因數，最終使變速風力機捕獲最大功率。

Cpmax的計算需要以下兩個公式：

將函數關系導入系統中需要自定義函數模塊（Fcn），自定義函數模塊用于將輸入信號進行指定的函數運算，最后計算出模塊的輸出值。

β的數值是已知的，只需要將β的數值輸入進Constant模塊，在Fcn函數模塊中將公式（2）輸入，將函數模塊計算所得結果傳遞到Fcn1模塊中并連接輸出模塊（Out），輸出模塊是用來同下一級進行數據傳遞的接口，系統最后將所得Cp（λ，β）的數值利用輸出模塊輸出至下一級。

3? 仿真最終結果

為了更直觀地看出最終結果，還需要對模塊進行設定，對橫縱坐標的區間進行合理設定。本文空氣密度的仿真條件采用在常溫標準大氣壓下，空氣的密度ρ為1.225 kg/m3，風力機在靜態時槳矩角β為0°，風力機半徑為15 m，模擬變速風速為0～14 m/s，整個仿真時間為50 s。在Wind Turbine界面中對參數進行設置，運行后可得到葉尖速比與功率系數的具體關系，并可通過打開Scope模塊得出模擬變速風速、輸出功率與輸出轉矩隨時間的變化曲線，如圖6～圖8所示。

4? 結論

本文介紹了如何運用MATLAB/Simscape在已知部分參數的情況下對風力機進行仿真，通過對模塊進行搭建得到完整風力機系統，將所需要的公式輸入進函數模塊，并將已知的參數輸入進各個模塊中，封裝后可以得到一個系統，以這個子系統為核心搭建整個風力機仿真系統，運行系統后可以得到風力機捕獲有效功率與風力機尖速比的關系，風力機輸出轉矩、風力機輸出功率以及風速隨時間變化的圖像，為風力機仿真實驗系統教學提供一定的參考?！?/p>

參考文獻

[1] 侯志堅.論虛擬仿真實驗在教學中的應用：基于MAT-LAB的直流斬波電路虛擬仿真教學實例[J].決策探索，2020（10）：75-76.

[2] 謝金平，戴瑜興，畢大強.風力機模擬原理和實驗平臺設計與實現[J].實驗技術與管理，2017（12）：108-113.

[3] 李建海，皮之軍，張晨亮.Matlab/Simulink仿真技術在電機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011（8）：79-82.

[4] 張天一，楊巍，郝玉然.基于Matlab/Simulink的風力機特性仿真[J].電子產品世界，2018（10）：68-70.

[5] 高平，王輝，佘岳.基于Matlab/Simulink的風力機性能仿真研究[J].能源研究與信息，2006（2）：79-84.

*項目名稱：河北省專業學位教學案例庫建設項目（KCJSZ2020074）。

作者：秦志英，河北科技大學機械工程學院，教授，博士，研究方向為非線性動力學、設備檢測與智能運維;路子安、趙季福、王偉，河北科技大學機械工程學院;趙月靜，河北科技大學機械工程學院，副教授，研究方向為自動控制、機電一體化（050018）。