MATLAB/Simscape在风力机仿真实验系统教学中的应用

秦志英 路子安 赵月静 赵季福 王伟

摘  要  基于Simscape对风力机仿真实验系统功能进行教学说明，解释相关功能模块具体是如何进行搭建的，并且对各个模块的工作情况进行介绍，对风力机系统的研究提供价值。风力机作为变速风力发电机组的重要部分，采用MATLAB/Simscape软件对其进行建模，得到风力机捕获有效功率与风力机叶尖速比的关系，风力机输出转矩、风力机输出功率以及风速随时间变化的图像，运用Simscape进行多种功能模块的搭建，得出相关仿真数据图形，利用仿真所得到的数据进行分析研究，以这种方式增强风力机仿真实验系统教学效果。

关键词  MATLAB;Simscape;风力机仿真实验系统

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：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

在如今教育教学现代化以及教学信息化发展背景下，我国诸高校都开始全面探究虚拟仿真实验在教学中的应用[1]。由于受到实验成本以及自然环境等条件的约束，风力机模拟实验平台成为实验室进行风电技术教学与研究的基础[2]，且采用传统的实验教学方法已不能满足实验教学现代化发展的要求，采用专业仿真软件进行虚拟实验教学是一个值得推荐的方法，往往可以取得事半功倍的效果[3]。

本文通过仿真得到最佳叶尖速度比和最大风能的功率系数Cp，风力机输出转矩、风力机输出功率以及风速随时间变化的图像，运用Simscape进行各种功能模块的搭建，得出相关仿真数据图形，并在MATLAB/Simscape中对变速风力发电机的风力机进行静态仿真[4-5]，以此提高风力机仿真实验系统教学效果。

1  风力机结构及Simscape仿真模型介绍

风力发电机组是风力发电系统中的重要组成部分。如图1所示：风力机的结构包括叶片和轴，叶片受到气流影响时带动风轮旋转，将风能转化成机械能，再由发电机将机械能转化为电能。本文建立变速风力发电机组的变速仿真模型。MATLAB程序中的Simscape风力机仿真模型存在三種类型，分别如图2所示。

1.1  图2-a模型介绍

图2-a模型是基于水轮机稳态功率特性建立的，传动系的刚度是无穷大的，涡轮机的摩擦系数和惯性必须与耦合到涡轮机上的发电机的惯性结合在一起。该模块实现了变桨距风力涡轮机模型。涡轮的性能系数Cp是涡轮的机械输出功率除以风力和风速、转速和俯仰角β的函数。选择风机功率特性显示，以指定节距角绘制风机特性。第一个输入端是发电机功率，第二个输入端是风力机半径，第三个输入端是风力机转速，第四个输入端为主导风速。输出端是最大功率捕获系数、叶尖速比、捕获功率以及施加到发电机轴上的转矩。

1.2  图2-b模型介绍

图2-b模型为风力机和双馈感应发电机（WTDFIG），称为风力机和双馈感应发电机系统。AC/DC/AC变换器分为转子侧变流器（Crotor）和电网侧变流器（CGRID）两部分。Crotor和CGRID是一种电压型变换器，它们利用（IGBT）从直流电压源合成交流电压，连接到直流侧的电容器充当直流电压源。耦合电感L用于将CGRID连接到电网。三相转子绕组通过滑环和电刷与发电机相连，三相定子绕组直接与电网相连。风力发电机将捕获的风能转化为电能，再通过定子和转子绕组输送到电网。控制系统分别为Crotor和CGRID生成俯仰角指令和电压指令信号vr和vgc，以控制风机功率、直流母线电压和无功功率或电网终端电压。

1.3  图2-c模型介绍

图2-c模型是风力涡轮机和感应发电机（WTIG），定子绕组直接与电网相连，转子由风力涡轮机驱动。风力发电机将捕获的风能转化为电能，通过定子绕组输送到电网中。俯仰角控制是在高风速下将发电机的输出功率限制在额定值，为了发电，感应发电机的转速必须略高于同步转速，但速度变化通常很小，因此，WTIG被认为是一个固定速度的风力发电机。感应发电机吸收的无功功率由电网或电容器组、SVC、STATCOM或同步电容器等设备提供。B、C的第一个输入量为风速，第二个输入量的作用是将Simulink逻辑信号（0或1）应用于该输入，当此输入高时，WTDFIG断开，其控制系统被禁用，使用此输入实现保护系统的简化版本。输入量A、B、C为WTDFIG的三个端子。输出量包含29个WTDFIG内部信号的Simulink输出矢量，这些信号可以通过总线选择块单独访问。

2  风力机仿真系统

本文选用图2-a模型进行搭建，搭建完成的模型如图3所示。Ramp模块以及Saturation模块同时进行风速的模拟，桨距角β和空气密度ρ的数值为定值，只需将其输入至模块即可。选用Display模块和Scope模块显示数据随时间的变化图像。

整个风力机仿真系统需要利用各种模块以及函数关系将完整的系统搭建出来，得到转速、转矩和功率与时间的关系图，最终结果如图4所示。以风机半径、主导风速和风速为输入值，调整风机转速与主导风速的比值，以空气密度和桨距角为输入值，以风力机的输出转矩和捕获功率作为模型的输出值。

图5为Cpmax MATLAB模型，该模型是为了计算最大功率系数Cpmax，是存在于Subsystem模块中的一个子系统。式中，λ是风力机的叶尖速比，β是风力机的桨距角。由公式可知，当风机叶片角β为常数时，风速不同，通过控制叶片叶尖速比λ在一定范围内，可以得到风力机的最大功率因数，最终使变速风力机捕获最大功率。

Cpmax的计算需要以下两个公式：

将函数关系导入系統中需要自定义函数模块（Fcn），自定义函数模块用于将输入信号进行指定的函数运算，最后计算出模块的输出值。

β的数值是已知的，只需要将β的数值输入进Constant模块，在Fcn函数模块中将公式（2）输入，将函数模块计算所得结果传递到Fcn1模块中并连接输出模块（Out），输出模块是用来同下一级进行数据传递的接口，系统最后将所得Cp（λ，β）的数值利用输出模块输出至下一级。

3  仿真最终结果

为了更直观地看出最终结果，还需要对模块进行设定，对横纵坐标的区间进行合理设定。本文空气密度的仿真条件采用在常温标准大气压下，空气的密度ρ为1.225 kg/m3，风力机在静态时桨矩角β为0°，风力机半径为15 m，模拟变速风速为0～14 m/s，整个仿真时间为50 s。在Wind Turbine界面中对参数进行设置，运行后可得到叶尖速比与功率系数的具体关系，并可通过打开Scope模块得出模拟变速风速、输出功率与输出转矩随时间的变化曲线，如图6～图8所示。

4  结论

本文介绍了如何运用MATLAB/Simscape在已知部分参数的情况下对风力机进行仿真，通过对模块进行搭建得到完整风力机系统，将所需要的公式输入进函数模块，并将已知的参数输入进各个模块中，封装后可以得到一个系统，以这个子系统为核心搭建整个风力机仿真系统，运行系统后可以得到风力机捕获有效功率与风力机尖速比的关系，风力机输出转矩、风力机输出功率以及风速随时间变化的图像，为风力机仿真实验系统教学提供一定的参考。■

参考文献

[1] 侯志坚.论虚拟仿真实验在教学中的应用：基于MAT-LAB的直流斩波电路虚拟仿真教学实例[J].决策探索，2020（10）：75-76.

[2] 谢金平，戴瑜兴，毕大强.风力机模拟原理和实验平台设计与实现[J].实验技术与管理，2017（12）：108-113.

[3] 李建海，皮之军，张晨亮.Matlab/Simulink仿真技术在电机实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011（8）：79-82.

[4] 张天一，杨巍，郝玉然.基于Matlab/Simulink的风力机特性仿真[J].电子产品世界，2018（10）：68-70.

[5] 高平，王辉，佘岳.基于Matlab/Simulink的风力机性能仿真研究[J].能源研究与信息，2006（2）：79-84.

*项目名称：河北省专业学位教学案例库建设项目（KCJSZ2020074）。

作者：秦志英，河北科技大学机械工程学院，教授，博士，研究方向为非线性动力学、设备检测与智能运维;路子安、赵季福、王伟，河北科技大学机械工程学院;赵月静，河北科技大学机械工程学院，副教授，研究方向为自动控制、机电一体化（050018）。