基于風-網(wǎng)互補供電試驗的風力機模擬研究

唐志誠，葉會華

(天津城市建設(shè)學院 能源與安全工程學院，天津300384)

基于風-網(wǎng)互補供電試驗的風力機模擬研究

唐志誠，葉會華

(天津城市建設(shè)學院 能源與安全工程學院，天津300384)

以抽油機離網(wǎng)風電-網(wǎng)電互補供電試驗系統(tǒng)中的風力機為研究對象，根據(jù)風力機的運行特性，運用相似理論得到了模型試驗中與風力機相似應(yīng)滿足的條件．計算了與某實際風力機在對應(yīng)工況下相似的模型風力機的相關(guān)參數(shù)．在此基礎(chǔ)上，建立一個由變頻器拖動電機組成的試驗?zāi)Ｐ蛠砟M風力機的運行，保證了試驗?zāi)Ｐ途哂袑嶋H意義．

離網(wǎng)風電；風力機；相似理論；模擬研究

抽油機是油田生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備，單機功率大、效率低，人們希望改善其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)達到節(jié)能目的，但效果并不十分理想．發(fā)展可再生能源替代供電是企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要途徑之一．采用一臺離網(wǎng)風力發(fā)電機與附近幾臺抽油機組成獨立供電系統(tǒng)，當風電不足時由網(wǎng)電補充供電，形成離網(wǎng)風電-網(wǎng)電互補的抽油機供電系統(tǒng)，可充分利用油田區(qū)域的風能，達到節(jié)能降耗的目的[1]．本文以相似理論為基礎(chǔ)，以風力機軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速相似為控制條件，研究確定了互補供電系統(tǒng)試驗中模型風力機的相關(guān)參數(shù)，并以驅(qū)動電機的計算機矢量控制方式模擬了試驗中的模型風力機．

1 模擬試驗系統(tǒng)

圖1 試驗系統(tǒng)

圖1所示為離網(wǎng)風電-網(wǎng)電互補的抽油機供電試驗系統(tǒng)圖．系統(tǒng)包括模擬風力機及發(fā)電機、模擬抽油機加載設(shè)備以及儲能和信號檢測與控制單元等．模擬風力機應(yīng)具備的功能為：在實驗室條件下，與一定區(qū)域氣候條件的實際風力機軸轉(zhuǎn)矩對應(yīng)相似．

2 風力機的基本參數(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)中的風力機是將空氣動能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置．描述風力機的參數(shù)有很多，在風力機研究中，常用R表示風輪半徑，β表示槳距角，λ表示葉尖速比，ω表示風輪角速度，v表示風速，ρ表示空氣密度．其中，R和β為基本幾何參數(shù)，ω為運動參數(shù)，v為環(huán)境參數(shù)．

一般情況下，大氣流速不高(＜25,m/s)可以認為大氣密度不變．若不考慮葉片材質(zhì)(表面粗糙度)和葉片受力后變形的影響，風力機能量轉(zhuǎn)換和運動特性可用風輪軸產(chǎn)生的功率P和葉尖速比λ來描述，即

式(1)中：Cp為風能利用系數(shù)，定槳距風力機的風能利用系數(shù)與葉尖速比有關(guān)．若記α為入流因數(shù)[2]，則Cp可表示為

3 試驗風力機模型的相似及參數(shù)確定

實際風力機軸功率大、塔架高，無法進行實體試驗研究，且氣候條件也不同．要進行分析就必須采用模型試驗，確定模型風力機的相似條件和參數(shù)．

風力機主要由風輪和輸出軸組成，能量轉(zhuǎn)換是發(fā)生在氣流與風輪葉片的繞流過程中．原型風力機和模型風力機相似是指：二者在對應(yīng)工況下，氣流與葉片相互作用過程中流體和風輪的動力、熱力及能量轉(zhuǎn)換情況相似，即滿足幾何相似、運動相似和物理過程的動力相似．根據(jù)相似逆定理，對于同一類物理現(xiàn)象，如果單值量相似，且由單值量組成的相似準則在數(shù)值上相等，則現(xiàn)象相似[3]．因此，首先應(yīng)使模型風力機與原型風力機在幾何結(jié)構(gòu)上完全相似．其次，模型風力機與原型風力機在相似的空氣流場中運行，起始條件相同，且假設(shè)空氣為不可壓縮流體，滿足Re>200000[4]．

通過風力機的參數(shù)分析，假定存在一模型風力機，并以l和lm分別表示原型風力機和模型風力機的任意對應(yīng)的長度量，α和αm分別表示原型風力機和模型風力機的任意對應(yīng)角度量，k表示長度量的幾何相似比例常數(shù)，ρc表示材料密度．根據(jù)以上條件，原型風力機和模型風力機氣動相似的準則為

滿足以上條件時二者具有相同的氣動特性和特征參數(shù)[5]．此時與原型風力機工況(v,ω)相對應(yīng)的模型風力機工況(vm,ωm)的風速應(yīng)為

根據(jù)式(1)可得模型風力機的軸功率為

當滿足式(4)的條件時，原型風力機與模型風力機在對應(yīng)點的功率關(guān)系為

原型風力機與模型風力機在對應(yīng)點的軸轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

現(xiàn)以某型號的50,kW水平軸直驅(qū)風力機作為試驗研究中的實際原型風力機，由以上分析進行相似參數(shù)計算．已知該風力機為定槳距風力機，葉片數(shù)為3個，在額定工況點穩(wěn)定運行，參數(shù)如表1所示．

表1 某50,kW風力機部分參數(shù)

在制作模型風力機時要滿足以上的相似條件．假設(shè)獲得一模型風力機，它與原型風力機同系列，幾何結(jié)構(gòu)完全相似，而且模型風力機的風輪半徑為2.5,m．根據(jù)已知條件和式(5)可得幾何比例常數(shù)為

在式(5)中對模型風力機施加風速vm=10.62m/s，如果它的轉(zhuǎn)速滿足

則模型風力機與原型風力機相似，且雷諾數(shù)Re>200000，符合相似準則的條件．根據(jù)式(7)和式(8)也可得到在該工況時模型風力機的軸功率約為5,kW，軸轉(zhuǎn)矩約為103,Nm．

4 試驗風力機的模擬

通過以上分析知，制作模型風力機在相應(yīng)的風速環(huán)境中可以實現(xiàn)風力機的動力特性模擬．但由于試驗條件的限制，主要是實現(xiàn)相應(yīng)風速環(huán)境難度大，所以需要尋找其他動力機械裝置替代模型風力機．

由風力機的基本原理可知，風力機是能量轉(zhuǎn)換的裝置．在能量轉(zhuǎn)換過程中，風力機輸出軸上集中了機械能，通過轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機．因此，在建立風力機試驗?zāi)Ｐ蜁r控制變量要著眼于輸出軸轉(zhuǎn)矩上，模擬裝置輸出軸的轉(zhuǎn)矩變化與原型風力機變化規(guī)律一致則達到模擬要求．本文采用計算機模擬相似風場信號輸出，由變頻器控制電動機，獲取對應(yīng)風場下的模型風力機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)．

在電機的轉(zhuǎn)矩控制方法中，矢量控制技術(shù)最成熟．矢量控制的基本思想就是通過相應(yīng)的坐標變換，將定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量解耦，然后對轉(zhuǎn)矩分量進行控制[6]，從而實現(xiàn)風力機的轉(zhuǎn)矩模擬．因此，本文采用矢量控制的方法對異步電機進行轉(zhuǎn)矩控制．

在d?q旋轉(zhuǎn)坐標系下，以np為電機的極對數(shù)，Lr為轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，Lm為定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩．根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制模型，若設(shè)定異步電機的勵磁電流為定值，即可通過控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iT*來實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)矩控制．由異步電機電磁轉(zhuǎn)矩計算方程得[7]

根據(jù)風力機模型的相似分析和控制條件，以風力機轉(zhuǎn)矩控制為基礎(chǔ)建立一個主要由計算機、變頻器、模擬電機、發(fā)電機和檢測器組成的試驗系統(tǒng)，如圖2所示．

圖2 風力機模擬試驗系統(tǒng)

因為在相似分析中與原型風力機相似的模型風力機由電動機替代，所以電機控制的目的為模擬假定存在的模型風力機．根據(jù)實例中模型風力機的相似參數(shù)，取k=3，R=2.5m ，ρ=1.29kg?m?3，則模擬風力

m機的控制轉(zhuǎn)矩Tm1的計算式為

將式(5)代入上式，可以得到在對應(yīng)工況(vm,ωm)的條件下，模擬電機轉(zhuǎn)速為ωm1時的控制轉(zhuǎn)矩計算式為

在某風速下，首先由式(2)計算出該工況下原型風力機的葉尖速比，再將λ代入到原型風力機的CT(λ)關(guān)系式得到轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT的值．然后通過式(13)計算此時模型風力機在對應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)矩值Tm1，代入到式(11)對電機進行控制．根據(jù)以上分析得到試驗系統(tǒng)的控制流程，如圖3所示．

在控制流程圖中，系統(tǒng)運行時計算機通過相關(guān)軟件利用上述風力機的轉(zhuǎn)矩計算式、原型風力機的初始工況以及風速數(shù)據(jù)庫建立控制模型．作為模擬風力機的電動機啟動運行后，電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器將當前檢測到的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速信號發(fā)送給計算機．計算機根據(jù)反饋的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值從對應(yīng)的初始工況點調(diào)用轉(zhuǎn)矩計算式和風速數(shù)據(jù)庫，計算出電機輸出轉(zhuǎn)矩的參考值并發(fā)送控制信號至變頻器．變頻器通過矢量方法控制異步電機的轉(zhuǎn)矩，電機將轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機．最后，發(fā)電機發(fā)出的電通過整流、逆變環(huán)節(jié)后供給抽油機載荷模擬器．

圖3 風力機模擬試驗系統(tǒng)控制流程

5 結(jié) 論

(1)初步建立了抽油機離網(wǎng)風電-網(wǎng)電互補供電試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，完成了系統(tǒng)從理論分析到試驗?zāi)Ｐ偷霓D(zhuǎn)換．

(2)試驗用風力機模型的建立應(yīng)以相似理論為前提，確定模型建立的原則和方法，保證試驗?zāi)Ｐ途哂袑嶋H意義．

(3)運用模型風力機計算參數(shù)和電機轉(zhuǎn)矩控制原理可實現(xiàn)風力機軸動力特性的室內(nèi)模擬，而且能通過發(fā)電機帶動負載運行．

［1］ 彭 進. 抽油機離網(wǎng)風力供電可行性研究[J]. 大眾科技，2009，3：97-99.

［2］ BURTON T. 風能技術(shù)[M]. 武 鑫，谷海濤，李海東，譯. 北京：科學出版社，2007.

［3］ 徐 挺. 相似理論與模型試驗[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1982.

［4］ 廖明夫，GASCH R，TWELE J. 風力發(fā)電技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社，2009.

［5］ 陳榮盛，張禮達，任臘春. 基于相似理論的風力機力特性分析[J]. 水力發(fā)電，2008，6：92-94.

［6］ 王前雙，胡育文，黃文新. 風力機模擬技術(shù)綜述[J]. 電機與控制應(yīng)用，2010，37(3)：1-6.

［7］ 姜 鑫. 風力機特性分析和模擬裝置開發(fā)[D]. 浙江：浙江大學，2011.

Wind Turbine Simulation Research based on the Test of Off-grid Wind Power-Grid Power Complementary Power Supply System

TANG Zhi-cheng，YE Hui-hua
(School of Energy and Safety Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China)

Wind turbines used in the off-grid wind power-grid power complementary power supply system for pumping unit were selected as the research object. According to the operating characteristics of wind turbines, the pre-conditions of wind turbines similarity in the model test were obtained by using similarity theory. The parameters of the model wind turbine were calculated under the condition which was corresponding to a real wind turbine. On this basis, a test model composed of inverter-driven motor for the simulation of wind turbine was established to guarantee that the test model was feasible and effective.

off-grid wind power；wind turbine；similarity theory；simulation research

book=1,ebook=1

TM614

A

1006-6853(2013)01-0051-04

2012-10-17；

2012-10-30

天津市科技支撐計劃項目(10ZCGYGX02000)

唐志誠（1987—），男，天津人，天津城市建設(shè)學院碩士生．