分布式发电系统用垂直轴风力发电机特性的仿真分析

李争，孙甜甜，高培峰（河北科技大学电气工程学院，河北石家庄050018）



分布式发电系统用垂直轴风力发电机特性的仿真分析

李争，孙甜甜，高培峰
（河北科技大学电气工程学院，河北石家庄050018）

摘要：由于分布式发电系统中垂直轴风机具有低转速、大转矩、运行稳定、控制简单等优点，使得垂直轴风力发电系统蓬勃兴起，但由于流场不定导致其发电特性不易掌握。以Senegal式风机为例，采用CFD流体分析风轮旋转，计算出风机的机械转矩，利用Matlab/Simulink建立以风机、发电机、矢量控制为主要模块的风力发电系统模型，计算出风机的性能曲线，对其发电特性进行分析，为垂直轴风力发电系统的设计提供借鉴和参考。

关键词：垂直轴风机；发电系统；矢量控制

随着经济全球化与人口的不断增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面越来越重的压力，绿色、环保、可再生的风能引起了人们的关注，各种类型风机的研制也取得了一定的进展。目前水平轴风机是商业化程度高和技术较为成熟的一种风力机，由于起初人们对垂直轴风机的认识不足，使其长期得不到发展，随着计算流体力学的发展，证明了垂直轴风力机的空气动力性能十分优异，并且风能利用率和成本造价也有一定的优势；近年来永磁同步电机和交直交变频器技术的研究取得巨大进步，使得科研人员对垂直轴风力发电技术进行了更深的探讨。随着研究的不断深入，该类型风机是最有希望得到规模化发展的中小型容量风机［1-5］。相对于水平轴风机，垂直轴风机有很多优点，无需对风向，无噪声，安全可靠，风速变化范围小，空气性能优越，未来无论在风电场应用还是中小型独立用户，都有巨大的发展潜力［6-7］。

在垂直轴风力发电系统领域，国内外学者分别进行了探索，提出了一种采用控制叶片数目和叶片不同弯曲度的控制来提高风能的利用率［8］，并采用导叶或挡风板的结构实现引流，从而消除“负阻力”；设计了由负温度系数电阻组成的电子制动装置［9］，有效地保护了风力发电系统的过压过流状态；Catalin Harabagiu把Savonius风机的风轮加入270°导流罩，使风机输出功率增加了2.5倍；为了改变发电机输出电压不定的问题［10］，采用PIC16F887单片机生成PWM来改变IGBT的占空比，使电压保持某一特定值不变［8-11］。

本文在已有分析技术的基础上，首先使用Fluent软件对风机模型进行分析计算，得出风机的机械转矩，然后把转矩输入到Simulink搭建的发电机模块中，发电机采用矢量控制，最后通过定子电流、电机运行参数来分析系统的发电特性。

1　CFD三维模拟计算

1.1风机模型

本文风机模型为Senegal式风机，其风轮为2层，每层由3个扇叶构成，扇叶由1个半圆柱面和1个长方形平板构成，结构如图1所示。为了减少能量耗散，便于风力发电，发电机与风轮转轴直接相连。图2为风机流体分析模型，发电机部分采用圆柱体代替，对模型部分结构进行合理简化，以便于计算。

图1　Senegal式风机Fig.1 Senengal type wind turbine

图2　风机仿真模型Fig.2 Simulation model of wind turbine

1.2设计参数及求解设置

本文设定风轮高度为4 m，内径1.7 m，外径1.9 m；使用Fluent软件进行计算，设定流体为等温，不可压缩的空气，模拟风机非定场流动且风速较低的情况，采用有限元体积法，计算使用k—ε湍流模型。

湍动能k方程和耗散率ε方程如下所示：

图3为风机的网格剖分图，在静止域和旋转域之间使用滑移网格。入口设定为速度入口，出口设定为压力出口，压力计算值为0，仿真精度设定为10-3，仿真时间设定为4 s。

图3　风机网格剖分Fig.3 Mesh generation of wind turbine

2　风力发电机数学模型

2.1风力机模型

尖速比是用来表述风机特性的一个十分重要的参数。风轮叶片端线速度与风速之比称为叶尖速比；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。其表达式如下：

式中：R为风轮半径；ω为风机的角速度；v为来流风速。

风能利用系数用Cp表示，表示了风力发电机将风能转化成电能的转换效率，其大小与叶尖速比有关系，表达式如下：

式中：PT为风机的机械功率；ρ为空气的密度；A为风轮扫掠面积［12］。

根据式（3）、式（4）在Simulink中搭建风机模块，将来流风速v、风机转速ω作为输入量，通过调节其与来流风速之间的比例关系而得到。将风机的输出转矩Tm作为输出量。构建的风机数学模型如图4所示。

图4　风机内部模型Fig.4 Internal model of wind turbine

根据风能转换效率公式，以Fluent测出的转矩作为数据，使用转矩拟合，作出垂直轴风机的风能利用率曲线如图5所示。由图5可知，风能利用系数随着尖速比的增加先增后减，并在0.5附近达到最大值。

图5　风机转换效率Fig.5 Conversion efficiency of wind turbine

2.2发电机数学模型

本文发电机使用永磁同步电机，当在静坐标系下加入运动和转矩方程后，电机电流向量和磁链矩阵表述相对复杂，因此以旋转坐标系参考，不计转子铁心与定子铁心的涡流损耗和磁滞损耗，忽略电机参数变化，则

定子电压方程为

定子磁链方程为

电磁转矩方程为

电机运动平衡方程为

式中：p为微分算子；ω为转子旋转电角速度；R1为定子绕组的电阻；Ld，Lq分别为d轴和q轴的电感；id，iq分别为d轴和q轴的电流；np为极对数；Ψf为转子永磁磁链；J为系统折算到轴端的转动惯量；B为阻力系数。

2.3模型搭建

为了分析风机的发电特性，在Simulink中搭建仿真模型，如图6所示，主要包括风机转矩拟合和发电2个核心模块，在发电模块中，为了得到较为准确的数据，本文对永磁同步电机采用矢量控制［13］；在风机模块中，使用瞬态分析，计算出风机在风速为6.705 6 m/s，转速为2.767 8 r/s时的转矩，将其数据输入到发电机模块，得到各物理量的特性曲线。S1为发电机三相电流，S2为发电机定子电流、转速、电磁转矩、转矩角。

图6　发电系统仿真模型Fig.6 Power generation system simulation model

在矢量控制中，本文采用转速电流双闭环PI控制方案，主要包括电流PI控制模块、速度PI控制模块、SVPWM模块和PMSM电机模块。定子电枢电流的直轴分量id和交轴分量iq由发电机输出，id对转子磁极磁场起到增磁或去磁的作用；iq和转子磁极磁场相互作用产生旋转电磁力矩。当id=0时，转矩Te和iq呈线性关系，只要对iq进行控制就能够达到控制转矩的目的。其控制过程为：根据检测到的电机实际转速和输入的基准转速相比较，利用转矩和转速的关系，通过速度PI控制器计算取得了定子电流转矩分量iq的参考量，同时给定定子电流励磁分量id，经过坐标变换将id,iq转换为两相静止坐标系下的电流信号iα,iβ将其送入SVPWM中产生控制脉冲，通过控制脉冲用于控制三相逆变器的各种开关状态，从而得到定子三相绕组的实际电流。根据本文设计具体情况，采用id=0的控制策略，因此id的参考值为0。

3　结果分析

当风速变化时，风机的输出转矩也随之变化，本文在设定风速为6.7 m/s下进行仿真，仿真时间为1 s，得出风机的发电特性如图7所示。

图7　发电机运行参数曲线Fig.7 Generator operating parameter curve

为了更清楚分析图形结果，图8是发电机运行参数的局部放大图。图9是风机的转速，维持在33.3 r/min，由图9可知，转速能迅速达到收敛，这是矢量控制的结果。图10为发电机的三相电流，可以看出输出电流为平滑的三相交流电，计算结果理想，符合预期效果。

图8　发电机运行参数局部放大图Fig.8 Generator operating parameter local enlargement

图9　风机转速Fig.9 Wind turbine speed

图10　发电机三相电流Fig.10 Three phase current of genertor

4　结论

利用Matlab/Simulink建立了垂直轴风力发电系统的仿真模型，在风机模块中仿真得出此类型风机的风能利用系数曲线；根据发电机的数学模型和所设计的矢量控制系统模型，通过合理的参数，保证发电机在启动过程中达到预期的效果，最后对整体模型仿真，得出平滑三相交流电波形，此结果表明，该风力发电系统仿真结果正确合理，为后续垂直轴风力发电系统的设计提供参考。

参考文献

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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

中图分类号：TM315

文献标识码：A

基金项目：河北省自然科学基金（E2014208134）

作者简介：李争（1980-），男，博士，副教授，硕士生导师，Email：Lzhfgd@163.com

收稿日期：2015-09-10