大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究*

王寧，段振云，趙文輝，邢作霞

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 新能源工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110023）

大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究*

王寧1，段振云1，趙文輝1，邢作霞2

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 新能源工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110023）

大型風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)是風(fēng)能與動(dòng)力工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須進(jìn)行的實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境惡劣，且風(fēng)險(xiǎn)性大的問題，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)就變得很有必要。論文以兆瓦級(jí)雙饋式風(fēng)電機(jī)組為仿真對(duì)象，縮比設(shè)計(jì)大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使其滿足啟停、偏航、變槳、并網(wǎng)、安全鏈等仿真功能。通過機(jī)械裝配過程仿真、運(yùn)動(dòng)仿真及電氣仿真，使學(xué)生熟悉風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，并且更加深刻地理解風(fēng)電機(jī)組的工作過程，解決了以往實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)不方便的問題。

大型風(fēng)電機(jī)組；仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)；運(yùn)動(dòng)仿真；電氣仿真

0 引言

在化石能源日益枯竭并造成環(huán)境嚴(yán)重惡化的今天，風(fēng)能作為一種可再生能源備受關(guān)注，風(fēng)電成為世界研究的熱點(diǎn)，風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)的學(xué)生也成為緊缺人才[1-2]。風(fēng)電場(chǎng)是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)的重要實(shí)習(xí)場(chǎng)所，但由于其多位于沙漠、草原、海邊等邊遠(yuǎn)地區(qū)，自然條件惡劣，交通、食宿條件差，且學(xué)生登塔需要登高證，危險(xiǎn)性大，這些因素都給現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)帶來許多困難。因此，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建大型風(fēng)電機(jī)組的仿真平臺(tái)就變得很有必要。在仿真平臺(tái)上開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生掌握大型風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成、工作特性等具有重要意義。

以往的實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能完成一種發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并未對(duì)風(fēng)電機(jī)組的整體模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，沒有全面的實(shí)驗(yàn)仿真模擬系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于雙饋式風(fēng)電機(jī)組是目前大型風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型[3]，本文將沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的某型號(hào)雙饋式大型風(fēng)電機(jī)組作為仿真對(duì)象設(shè)計(jì)大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

1 大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)概述

大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的原理[4-6]，結(jié)合教學(xué)需要而研發(fā)的風(fēng)電教學(xué)設(shè)備，目的是使學(xué)生深刻理解風(fēng)電原理。它用于仿真MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作過程，使學(xué)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)和工作原理有一定的認(rèn)識(shí)。模擬變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行模式，包括變槳距系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)等，具有以實(shí)驗(yàn)為目的的模擬機(jī)組待機(jī)、同步、并網(wǎng)、發(fā)電、脫網(wǎng)等分步運(yùn)行控制的功能。

大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)滿足如下實(shí)驗(yàn)功能：

（1）進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、正常停機(jī)、緊急停機(jī)時(shí)槳距角的變化狀態(tài)實(shí)驗(yàn)；

（2）對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)、空載運(yùn)行、停機(jī)、超速、能量轉(zhuǎn)換等過程進(jìn)行形象演示；

（3）仿真發(fā)電機(jī)組偏航時(shí)的所有過程，包括機(jī)組自動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)、手動(dòng)偏航、自動(dòng)解纜、手動(dòng)解纜等；

（4）進(jìn)行機(jī)組安全鏈保護(hù)實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一套開放式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有演示要求的各項(xiàng)功能，內(nèi)部有嵌入的功能模塊，使用人員可以進(jìn)行二次程序開發(fā)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的裝配及運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維建模

大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)包括：輪轂、葉片、獨(dú)立電動(dòng)變槳系統(tǒng)、主軸及支撐、模擬增速齒輪箱、模擬風(fēng)力原動(dòng)機(jī)、高速軸聯(lián)軸器、雙饋異步發(fā)電機(jī)、主動(dòng)偏航系統(tǒng)、液壓站及剎車系統(tǒng)、機(jī)艙演示控制柜、塔筒、底座支撐結(jié)構(gòu)、疏雷布線、傳感器等。

與真實(shí)風(fēng)電機(jī)組比較，大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有以下特點(diǎn)：

（1）仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主傳動(dòng)鏈采用模擬增速齒輪箱，內(nèi)含拖動(dòng)電機(jī)，通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，同時(shí)通過減速機(jī)和齒輪減速，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，如圖1所示；

（2）仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的變槳系統(tǒng)根據(jù)模擬風(fēng)況，三個(gè)伺服電機(jī)分別通過減速器、減速齒輪驅(qū)動(dòng)變槳軸承，改變槳距角；將風(fēng)速風(fēng)向儀作為執(zhí)行元件，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，模擬風(fēng)速風(fēng)向等風(fēng)況；

（3）根據(jù)大型風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成，按照一定的縮比關(guān)系，采用UG軟件完成仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)各零件的三維實(shí)體模型，再根據(jù)裝配關(guān)系組裝成組件部件，最后裝配成風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)總成。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的裝配

大型風(fēng)電機(jī)組的裝配過程是本專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)的重要內(nèi)容，而仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)又不允許進(jìn)行多次拆裝?；诖?，本仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)，依據(jù)真實(shí)風(fēng)電機(jī)組各零部件的裝配關(guān)系和裝配順序，進(jìn)行了基于UG的裝配過程仿真。運(yùn)用模塊化的思想，通過裝配模塊將零部件組裝成產(chǎn)品，在裝配中建立零部件之間的鏈接關(guān)系。通過約束條件在零部件之間建立約束關(guān)系來確定零部件在產(chǎn)品中的空間關(guān)系。零件的幾何體被裝配引用后，無論如何編輯零件，整個(gè)裝配部件都保持著關(guān)聯(lián)性，即當(dāng)零件被修改后，引用它的裝配部件會(huì)自動(dòng)更新。在裝配過程中，可以采用自底向上（Bottom-Up Assembly）、自頂向下（Top－Down Assembly）或者混合裝配的裝配法[7]。在裝配體生成后，UG還可以隱藏及顯示任意結(jié)構(gòu)，使學(xué)生更容易看到風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)電機(jī)組零部件很多，零件模型建好后要進(jìn)行分類，然后進(jìn)行部件裝配，最后進(jìn)行總裝。大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)三維實(shí)體模型如圖2所示。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真

通過動(dòng)畫演示，可以將大型風(fēng)電機(jī)組的裝配過程及運(yùn)動(dòng)情況生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，便于學(xué)生更好地理解風(fēng)電機(jī)組的裝配工藝及工作過程，激發(fā)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

在大型風(fēng)電機(jī)組三維建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)其真實(shí)裝配過程，實(shí)現(xiàn)基于UG的大型風(fēng)電機(jī)組裝配過程仿真。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)三維實(shí)體模型

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)三維實(shí)體模型

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣演示界面

采用UG軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)變槳、偏航、剎車等動(dòng)作的仿真，生成動(dòng)畫，以模擬風(fēng)電機(jī)組的工作過程。

3 仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣仿真

主控系統(tǒng)主要體現(xiàn)在是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯性控制。其中，主控柜由拖動(dòng)電機(jī)變頻器、偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、UPS電源、230供電、安全鏈、供電電源等，它是整個(gè)系統(tǒng)電源提供處。模擬風(fēng)速時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送適當(dāng)?shù)拿罱o變頻器，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。整個(gè)系統(tǒng)的安全鏈控制要通過主控柜完成上電工作。當(dāng)緊急停電時(shí)，主控柜的UPS能給提供暫時(shí)電源。

并網(wǎng)柜由背靠背變頻器調(diào)制并網(wǎng)過程，通過電壓測(cè)量板和電流計(jì)算板測(cè)量轉(zhuǎn)子網(wǎng)側(cè)、定子網(wǎng)側(cè)和定子側(cè)的能量提供給變頻器，通過網(wǎng)側(cè)變頻器調(diào)制直流母線電壓，符合并網(wǎng)條件時(shí)，發(fā)出并網(wǎng)命令，實(shí)時(shí)并網(wǎng)。模型電機(jī)上的雙饋發(fā)電機(jī)處于亞同步狀態(tài)時(shí)，定子輸出能量送入電網(wǎng)，當(dāng)雙饋電機(jī)處于同步狀態(tài)時(shí)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)供電。

操作臺(tái)的主要功能是啟動(dòng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降倪x擇，手動(dòng)演示風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的過程。其中，HMI界面主要是顯示IPC的內(nèi)部運(yùn)行邏輯，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的人機(jī)交互界面；安全鏈狀態(tài)顯示區(qū)顯示安全鏈各環(huán)節(jié)動(dòng)作情況；各參數(shù)數(shù)碼儀表顯示功能，包括機(jī)組運(yùn)行流程顯示區(qū)。

為了讓學(xué)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電氣結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)知，制作電氣部件拆裝演示動(dòng)畫，便于學(xué)生理解風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電氣結(jié)構(gòu)。大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣演示界面如圖3所示。

4 結(jié)論

大型風(fēng)電機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、裝配過程、各種運(yùn)動(dòng)以及故障進(jìn)行模擬，同時(shí)通過拖動(dòng)電機(jī)與偏航的控制完全模擬自然風(fēng)，使仿真效果更加接近實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組[8]。通過動(dòng)畫演示，學(xué)生可以直觀地了解風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及裝配過程，并且深刻地理解風(fēng)電機(jī)組偏航、變槳、主傳動(dòng)和剎車的過程，解決了學(xué)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組工作原理理解困難的問題，激發(fā)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，可以用于風(fēng)力發(fā)電相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

[1]關(guān)偉.國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況及發(fā)展方向[J].吉林電力, 2008, 36(1): 49—50.

[2]Janet L S.Rewewables 2012 Global Status Report[R]. Paris:REN21Secretariat,2012:6—13.

[3]芮曉明,柳亦兵,馬志明.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4] Erich Hau. Wind Turbines[M]. Berlin: Springer-Verlag, 2006.

[5] Peter Jamieson. Innovation in Wind Turbine Design[M]. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2011.

[6]姚興佳,宋俊.風(fēng)電發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[7]張幼軍,王世杰. NX CAD/CAM 基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2011.

[8]俞黎萍.風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究[J].風(fēng)能,2013(5):92-98.

Study on Simulation Experimental Platform of Large-scale Wind Turbine

Wang Ning1, Duan Zhenyun1, Zhao Wenhui1, Xing Zuoxia2
(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. School of New Energy Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China)

The students major in wind energy and power engineering and related majors must make practice on operation and maintenance of the large-scale wind turbine. For the harsh conditions and high risk of wind, building simulation experimental platform of largescale wind turbine in the lab becomes necessary. This paper made megawatt doubly-fed wind turbine as simulation object, design a simulation experimental platform of large-scale wind turbine, which satisfying the simulation functions as start-stop, yawing, variable pitch，grid-connected，safety chain and so on. Through the simulation of mechanical assembly, motion simulation and electrical simulation, making the students be familiar with mechanical structure and electrical structure of wind turbine, and profoundly understand of working process of the wind turbine, it has solved the problem of practice and experiment inconvenient previously.

large-scale wind turbine; simulation experimental platform; motion simulation; electrical simulation

TM614

A

1674-9219(2013)09-0080-03

遼寧省高等教育本科教改研究項(xiàng)目。

2013-06-05。

王寧（1991－），女，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

段振云（1971－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)。