首页 > 解决方案 > 能源 > MapleSim_风 MapleSim_风力发电机预测模型帮助企业设计有效的控制器

1.挑战
风能是一种清洁可再生能源。因此,风力发电代表了许多重要的绿色技术之一,以应对21世纪气候变化问题。

某公司能源部门需要开发风力发电系统的预测模型。该模型将被用于开发控制策略,在风力条件充满变数和不可预测的变化的情况下,维持稳定的、可预测的功率输出。该系统需要通过改变机舱的方向和螺旋桨叶片的攻角,快速适应风速和方向的变化。

风力发电系统很显然是一个多领域系统;它将由风力驱动螺旋桨运动产生的机械能转换为电能。建模中的挑战包括多领域系统,如何将系统中不同部分顺利整合。例如,风廓线,通常用包含速度和方向的数据测量表格表示,需要通过阻力系数作用到螺旋桨叶片的动力模型上。反之,螺旋桨机构元件的动力学模型需要与发电的发电机耦合。最后,需要设计一套控制器调节输出功率。



2.解决方案
MapleSim,一个现代的、高性能物理建模工具,特别适用于对多领域系统建模,例如风力发电机,其中机械、信号块、控制器、和电子元件需要平滑整合。在MapleSim中,可以便捷地生成塔架、螺旋桨、机舱的机械模型,以及机舱响应先前测量的风速度/方向数据(通过Excel®电子表表示)的位置控制器。该模型创建时仅需要从预置模型库中拖入适当的元件到模型工作区,然后将它们连接起来。





在这个特定的例子中,设计机械模型时使用了多体元件,用旋转运动副(revolute joint)表示机舱围绕垂直轴的运动。机舱的方向通过一个电动机控制,首先连接到一个高速比齿轮上,然后连接到旋转运动副。这个控制系统从数据文件中读入风向。该值与机舱实际的方向比较,然后控制器施加所需的电压到电机上,让机舱与风向平行。作用在叶片上的扭矩由风廓线数据(速度和方向)计算得到,以及得到风向和螺旋桨叶片方向之间的相对角度。第二个控制器用于通过调整叶片螺距角度(攻角)来调节螺旋桨旋转速度。目的是保持输出功率(正比于螺旋桨的角速度)在不同风荷载影响下尽可能地稳定。




为了说明MapleSim模型可以很好地用于研究风力发电系统的行为,在不同风荷载条件下系统仿真的结果显示如下。从结果中可以看到叶片角度随着风速和方向变化。结果生成相对常数的叶片速度,如其所愿地输出一个接近参数的功率300kW。

因为该风力发电机模型是完全参数化的模型,它可以非常容易地更新到不同的配置和运营条件下。更进一步,由于不同的元件被模块化,可以方便和快速地调整各个子系统模型,而不影响其他子系统。这种灵活性为研究和开发工作节省了大量的时间和成本。