風(fēng)力機與同步電機建模仿真

1、風(fēng)力機與同步電機建模仿真1 風(fēng)力機風(fēng)力機又稱風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機械能；同時發(fā)電機在風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機起動時，需要一定的力矩來克服其內(nèi)部的摩擦阻力，這一力矩稱作風(fēng)力機的起動力矩。起動力矩與風(fēng)力機本身傳動機構(gòu)的摩擦阻力有關(guān)，因此風(fēng)力機有一個最低的工作風(fēng)速，只有風(fēng)速大于時風(fēng)力機才能工作。而當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時候，基于安全上的考慮，風(fēng)力機應(yīng)當(dāng)停止運轉(zhuǎn)。介于最低風(fēng)速和最高風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機有功率輸出，風(fēng)力機的輸出功率達到標(biāo)稱功率時的工作風(fēng)速稱為該風(fēng)力機

2、的額定風(fēng)速。1.1 風(fēng)力機模型氣流的移動形成風(fēng)，氣流所具有的動能為：式中：S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，單位為；為空氣密度，單位為。風(fēng)能利用系數(shù)：風(fēng)力發(fā)電機能夠從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度，由下式定義：式中：為風(fēng)力機實際獲得的軸功率，單位為；為空氣密度，單位為；為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，單位為；為上游風(fēng)速，單位為。葉尖速比：葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比，用來描述風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)：式中：為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，單位為；為風(fēng)輪角頻率，單位為；為風(fēng)輪半徑，單位為；為上游風(fēng)速，單位為。風(fēng)力機吸收功率可以表示為風(fēng)速的函數(shù)，其模型表示為：故可得風(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)矩為：1.2 風(fēng)力機仿真由1.1節(jié)描述相關(guān)公式，進行風(fēng)力發(fā)電機建模。

3、風(fēng)能利用系數(shù)模型的函數(shù)如圖1所示，其中軸為風(fēng)力機的葉尖速比，軸為風(fēng)機輸出效率及轉(zhuǎn)矩效率。由圖可知，隨著葉尖速比的改變，風(fēng)機的效率無法始終保持在最佳值，當(dāng)隨著風(fēng)速增大，葉尖速比到達1.4以上時，風(fēng)能利用系數(shù)減小，輸出功率并不隨著風(fēng)速的增大而持續(xù)增大。另外隨著角速度的增大，發(fā)電機的輸出電流也會達到飽和。圖1 風(fēng)機輸出效率及轉(zhuǎn)矩效率隨尖速比的變化為簡化模型，在仿真過程中設(shè)定葉尖速比在速度范圍之內(nèi)為恒定值。通過對風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)的變化圖線的擬合得：輸出功率為：由1.1節(jié)描述，設(shè)定和分別為風(fēng)力機的啟動風(fēng)速和最高風(fēng)速，當(dāng)以低于和高于的風(fēng)速輸入，得到0功率輸出。為避免在啟動時由于轉(zhuǎn)速過小導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩趨近于無窮

4、大，對轉(zhuǎn)速做相應(yīng)修正，使其更符合實際情況。風(fēng)力機的Simulink模型如圖2所示，輸入端口為風(fēng)速v，電機角速度；輸出端口為風(fēng)力機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。圖2 風(fēng)機模型設(shè)葉尖速比，空氣密度，風(fēng)力發(fā)電機受風(fēng)面積。最大風(fēng)速25m/s，最小風(fēng)速10m/s，大于最大風(fēng)速和小于最小風(fēng)速時輸出功率為0。將模塊封裝為。當(dāng)以隨機風(fēng)速輸入，風(fēng)機轉(zhuǎn)速恒定時，風(fēng)速、轉(zhuǎn)矩和風(fēng)機輸出功率如圖3所示。在忽略響應(yīng)時間的理想狀態(tài)下，符合實際情況。圖3 風(fēng)機模型采用自建風(fēng)力機模型與SimPowersystems提供的同步發(fā)電機進行仿真，模擬風(fēng)速突變時，發(fā)電機的反應(yīng)，仿真模型如圖4所示。對同步發(fā)電機的進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。風(fēng)力機模塊輸出

5、機械功率P到同步電機并帶動同步發(fā)電機產(chǎn)生電能，同步發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)過不可控整流橋到達負載。圖4 自建風(fēng)力機與系統(tǒng)自帶同步發(fā)電機系統(tǒng)仿真圖風(fēng)機的風(fēng)速、轉(zhuǎn)矩和輸出功率如圖5所示，其中，從上到下依次為風(fēng)速、轉(zhuǎn)矩和輸出功率。由圖可知，風(fēng)速在0.5s時5m/s突變至10m/s。5m/s的風(fēng)速小于設(shè)定的最小風(fēng)速，因此此時輸出功率為0，當(dāng)風(fēng)速突變至10m/s時，功率為400左右。風(fēng)機的輸出轉(zhuǎn)矩也隨著風(fēng)速上升，之后隨著風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的加快而逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定。圖5 風(fēng)機的風(fēng)速，轉(zhuǎn)矩和輸出功率隨著時間的推移的變化相應(yīng)的，發(fā)電機的輸出電流，輸出電壓，電功率Pe和電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化如圖5所示。從上到下依次為

6、輸出電流，輸出電壓，電功率Pe和電磁轉(zhuǎn)矩Te。圖6 發(fā)電機的輸出電流，輸出電壓，電功率Pe和電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化2 同步發(fā)電機在建立同步發(fā)電機之前，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和凸極效應(yīng)，在靜止的abc坐標(biāo)下，相應(yīng)電機方程中存在大量變化參數(shù)，這給分析和計算帶來了很大困難。為了解決這個問題，通常根據(jù)電機的雙反應(yīng)理論，把定子abc三相繞組經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q而等值成2個分別固定在d、q軸上，并與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的等值定子繞組，分別稱為d、q繞組，這就是著名的派克變換。2.1 派克變換派克變換可以使我們通過等值變換，立足于d和q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)觀察電機的電磁現(xiàn)象，從而能極好的適應(yīng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)以及凸極效應(yīng)。經(jīng)派克變換后所得的內(nèi)口坐標(biāo)下的

7、同步電機基本方程中的電感參數(shù)均為定常值，大大的有助于分析電機暫態(tài)過程的機理及有利于實用計算。（派克變換）：（派克逆變換）：按上述公式，如下圖所示為派克變換的simulink實現(xiàn)，其中即為上述公式的展開式，封裝為3s/2r，逆變換封裝為2r/3s。圖7 派克變換模型2.2 同步電機忽略電機的飽和、磁滯等因素之后，不帶阻尼繞組的同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型可用如下的兩組派克方程表示。坐標(biāo)下的磁鏈方程為：電壓方程為：電磁力矩方程：轉(zhuǎn)子運動方程：式中，為原動機加于發(fā)電機的機械力矩，為發(fā)電機電磁力矩；為轉(zhuǎn)子機械角位移；為轉(zhuǎn)子機械角速度；為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣。按以上方程，發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩模型則如下圖所示，封裝為Torque

8、。圖8 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩模型將以上狀態(tài)方程描述的模型用下圖9所示來表示。圖為發(fā)電機的核心模型，模型的輸入量為電機的電壓，輸出變量為電機的電流，封裝為Core。圖9 同步發(fā)電機核心模型如此，同步電機的Simulink模型如下圖10所示，其中Core為上圖7封裝后模型，加上圖6的park變換3s/2r和park逆變換2r/3s封裝模型后，模型的輸入變量變?yōu)?，輸出變量則變?yōu)?。此外，為了進行派克變換，還加入了轉(zhuǎn)子位置信號theta。將其封裝為Machine。圖10 同步電機圖11是同步電機的PSB模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1、2號輸入端為勵磁繞組的接線端，3、4、5號輸出端子為電機電樞繞組的接線端，此都為PSB端子，應(yīng)與PSB電路模型相連接。3號輸入端為電機轉(zhuǎn)速的給定，由拖運電機的原動機決定；1、2、3輸出端分別為電機三相電壓、電流和轉(zhuǎn)矩的檢測端。圖11 同步電機PSB模型將上述同步電機模型封裝，按如下圖12所示，構(gòu)成同步電機模型與直流電源、容性負載等組合后的發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。圖12 同步電機與加直流電源與負載仿真模型仿真結(jié)果如下圖13和圖14所示，圖13分別為發(fā)電機的輸出三相交流電壓和電流；圖14分別為發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩、電壓和電流。圖13 發(fā)電機輸出電壓、電流圖14 發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩、電壓