風(fēng)力機(jī)模擬原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝金平, 戴瑜興, 畢大強(qiáng), 郭瑞光

(1. 溫州大學(xué) 電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室, 浙江 溫州 325035；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系, 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

風(fēng)力機(jī)模擬原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝金平1, 戴瑜興1, 畢大強(qiáng)2, 郭瑞光2

(1. 溫州大學(xué) 電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室, 浙江 溫州 325035；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系, 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

采用相似理論和標(biāo)幺方程一致性,建立風(fēng)力機(jī)比例模型,明確了模擬系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)了由變頻器與三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的物理結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了一套風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于LabVIEW,在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模型與電機(jī)控制策略,并建立了整體監(jiān)控界面。該平臺(tái)能模擬不同風(fēng)速、不同槳距角以及不同輸出功率等條件下的風(fēng)力機(jī)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了平臺(tái)構(gòu)建的合理性和正確性,滿足了風(fēng)電技術(shù)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究的需要。

風(fēng)力機(jī)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 比例模型； LabVIEW； 變頻器

在風(fēng)力發(fā)電理論與應(yīng)用技術(shù)的探索與驗(yàn)證過程中,風(fēng)力機(jī)輸出特性的考察是不可缺少的。由于成本、自然環(huán)境等條件的限制,實(shí)際風(fēng)力機(jī)的輸出特性比較難以獲得,所以不受環(huán)境制約的風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便成了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)教學(xué)與研究的基礎(chǔ)[1]。

風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)的研究成果很多[2-7],風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)仿真和機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)室安全和條件等的限制,只能用小功率電動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬,如文獻(xiàn)[3]用7.5 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)模擬1.5 kW小功率風(fēng)力機(jī)。文獻(xiàn)[5]雖然采用小功率電動(dòng)機(jī)模擬大功率風(fēng)力機(jī),但模擬系統(tǒng)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確。文獻(xiàn)[6]只在Matlab中進(jìn)行大功率風(fēng)力機(jī)的仿真,缺少混合仿真。文獻(xiàn)[7]建立了大功率風(fēng)力機(jī)的縮比模型,采用的是小功率直流無刷電動(dòng)機(jī)模擬,在閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制策略模擬風(fēng)力機(jī)穩(wěn)態(tài)特性時(shí),還需增加轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模塊,使得模擬系統(tǒng)較為復(fù)雜?？梢?現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)還有所欠缺。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用相似理論和標(biāo)幺方程一致性,建立風(fēng)力機(jī)比例模型,明確了模擬系統(tǒng)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系,并在上位機(jī)中用LabVIEW實(shí)現(xiàn),建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，設(shè)計(jì)了易于實(shí)現(xiàn)的物理仿真結(jié)構(gòu)。此外,在發(fā)電機(jī)模擬單元中采用了具有能量回饋的變頻器,將電能回饋至大電網(wǎng)。該平臺(tái)功能齊全,人機(jī)交互性好,能可靠地重現(xiàn)不同功率風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性。

1 風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由風(fēng)力機(jī)模型單元、風(fēng)力機(jī)執(zhí)行單元和發(fā)電機(jī)模擬單元構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

在風(fēng)力機(jī)模型單元,上位機(jī)用LabVIEW構(gòu)建綜合監(jiān)控器,監(jiān)控器中包含了風(fēng)速模擬部分、風(fēng)力機(jī)模擬部分等。風(fēng)力機(jī)執(zhí)行單元由VACON變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。發(fā)電機(jī)模擬單元由饋能型變頻器與發(fā)電機(jī)構(gòu)成。這兩單元通過接收風(fēng)力機(jī)模型單元的指令,體現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的特性。

2 風(fēng)力機(jī)模型單元

2.1 風(fēng)速模擬部分

對(duì)于自然風(fēng),主要用風(fēng)速大小和風(fēng)向2個(gè)參數(shù)來描述。在配備了偏航系統(tǒng)時(shí),風(fēng)力機(jī)一直迎風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn),所以風(fēng)力機(jī)模擬中風(fēng)向不考慮。在風(fēng)速大小模型的建構(gòu)上,雖然有如湍流分量與平均風(fēng)速相疊加的風(fēng)速模型[8]等新方法被提出,但組合風(fēng)速模型具有精確描述風(fēng)速突變性和間歇性等優(yōu)勢(shì),仍然被使用。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用4種組合風(fēng)速模型[9-10],此外,還增加了讀取風(fēng)場(chǎng)測(cè)量風(fēng)速數(shù)據(jù)功能。

該平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控界面中,可通過對(duì)各組合風(fēng)的設(shè)置、完成不同風(fēng)速的模擬。

圖2中，前4 s只有6 m/s的平均風(fēng),4～14 s由6 m/s平均風(fēng)+最大值為3 m/s的陣風(fēng)組成,16～24 s為6 m/s的平均風(fēng)+最大值為3 m/s,保持時(shí)間為4 s的漸變風(fēng),27～30 s為6 m/s平均風(fēng)+幅值3 m/s、頻率為1.5 rad/s的隨機(jī)風(fēng),30～60 s是隨機(jī)風(fēng)在整個(gè)周期中都起作用的風(fēng)速波形。

圖2 模擬風(fēng)速的實(shí)時(shí)顯示

2.2 風(fēng)力機(jī)模擬部分

2.2.1 風(fēng)輪模型

由空氣動(dòng)力學(xué)可得風(fēng)輪模型的數(shù)學(xué)方程[4,11]為:

(1)

式中:Pw是風(fēng)輪輸出功率,W；ρ為風(fēng)場(chǎng)空氣密度,kg/m2；R是風(fēng)輪半徑,m；Vw為風(fēng)速,m/s；λ是葉尖速比,無量綱；Ωw為風(fēng)輪角速度,rad/s；Tw是風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩,N·m；CP為風(fēng)能利用系數(shù),是風(fēng)力機(jī)所發(fā)電能與其捕獲風(fēng)能的比值。

常用的風(fēng)能利用系數(shù)擬合函數(shù)[10]為

(2)

式中β為槳距角。

λi計(jì)算式為

(3)

上兩式中c1—c7為未知系數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用近似計(jì)算法[7],對(duì)GE1.5 MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了擬合,結(jié)果見圖3。

2.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

要模擬風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)過程,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型的建立是必不可少的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型按是否考慮傳動(dòng)軸的剛度和阻尼,分為剛性模型和柔性模型,本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用剛性傳動(dòng)模型。圖4為簡(jiǎn)化的非直驅(qū)風(fēng)力機(jī)剛性傳動(dòng)示意圖。

圖3 GE1.5MW風(fēng)力機(jī)的CP-λ擬合

圖4 簡(jiǎn)化的直驅(qū)風(fēng)力機(jī)剛性傳動(dòng)示意圖

剛性傳動(dòng)模型如下:

(4)

2.2.3 風(fēng)力機(jī)比例模型及標(biāo)幺化

由于各種條件的限制,實(shí)驗(yàn)室一般不會(huì)采用同等功率電動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬,尤其是大功率風(fēng)力機(jī)(MW級(jí)),那么模擬系統(tǒng)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將決定其是否能正確模擬相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在假定風(fēng)力機(jī)的翼型、安裝及制作材料等相同的條件下,采用相似理論和標(biāo)幺方程一致性,建立實(shí)際風(fēng)力機(jī)的比例模型進(jìn)行模擬。比例模型是將實(shí)際風(fēng)力機(jī)按一

定比例變換,得到模擬系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)所能模擬功率范圍內(nèi)的比例風(fēng)力機(jī),從而明確模擬系統(tǒng)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

比例模型[7]如下:設(shè)實(shí)際風(fēng)力機(jī)參數(shù)以“1”為下標(biāo),比例風(fēng)力機(jī)參數(shù)以“2”為下標(biāo)，定義基本變比η為

(5)

相似系統(tǒng)中,無量綱的量被認(rèn)為是相等的,構(gòu)造無量綱的標(biāo)準(zhǔn)量來確定各參數(shù)的變比關(guān)系。物理量的屬性可由量綱表示,基本量綱一般取國(guó)際單位，其他物理量可由基本量綱表示。風(fēng)力機(jī)的各參數(shù)及其量綱見表1。

表1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)及其量綱

選R、Ωw、ρ為基本參數(shù),其他參數(shù)可由它們表示,且存在a、b、c使式(6)成立:

τx=RaΩbρcx=l0t0m0

(6)

式中x表示非基本參數(shù)如Vw、Tw等,τx為相似系統(tǒng)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)量,將非基本參數(shù)以及式(1)代入式(6),在兩風(fēng)力機(jī)風(fēng)速大小相同下分析得:

(7)

由式(5)及式(7)分析得比例模型為

(8)

對(duì)于非直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)模擬,主要是重現(xiàn)高速軸側(cè)特性,還需將各參數(shù)經(jīng)增速比折算到高速軸側(cè)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的是1.5 kW異步電動(dòng)機(jī),所以假定比例風(fēng)力機(jī)為1.2 kW,通過式(8)和高低速軸的參數(shù)轉(zhuǎn)換,建立GE1.5MW非直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)的比例模型,具體風(fēng)力機(jī)的對(duì)應(yīng)參數(shù)[12-13]見表2。

表2 風(fēng)力機(jī)參數(shù)

圖5為槳距角1°、不同風(fēng)速下實(shí)際風(fēng)力機(jī)與比例風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性對(duì)比圖,其中a、c子圖是還未標(biāo)幺特性曲線,可知兩風(fēng)力機(jī)變化趨勢(shì)相同,b、d子圖是標(biāo)幺特性曲線,可知滿足標(biāo)幺一致性原則,說明比例模型的正確性和合理性。

3 風(fēng)力機(jī)執(zhí)行單元與發(fā)電機(jī)模擬單元

設(shè)計(jì)了由變頻器與三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)。上位機(jī)通過串口轉(zhuǎn)RS485線與變頻器連接,并采用modbus協(xié)議相互通信,上位機(jī)通過改變變頻器參數(shù)來控制電動(dòng)機(jī),從而模擬風(fēng)力機(jī)特性。為了得到準(zhǔn)確的輸出轉(zhuǎn)矩,原動(dòng)機(jī)采用閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制,發(fā)電機(jī)采用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制,發(fā)電機(jī)模擬單元所發(fā)電能回饋至大電網(wǎng)。

圖5 實(shí)際風(fēng)力機(jī)與比例風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比

4 平臺(tái)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為監(jiān)控界面,圖7是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制界面與編程實(shí)現(xiàn),圖8為電機(jī)控制的測(cè)試結(jié)果圖。

4.1 平臺(tái)測(cè)試

模擬平臺(tái)對(duì)電機(jī)控制是否準(zhǔn)確,關(guān)系著整個(gè)平臺(tái)模擬效果,所以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能包括對(duì)電機(jī)控制性能測(cè)試,結(jié)果見圖8。從圖8(a)知,上位機(jī)能準(zhǔn)確地控制發(fā)電機(jī)從0 r/min升至500 r/min、1 000 r/min,再降為0 r/min；從圖8(b)知,上位機(jī)也能準(zhǔn)確控制電動(dòng)機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)矩從0%升至20%、40%,再依次降為0%；即本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以準(zhǔn)確的控制電機(jī)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)對(duì)GE1.5MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了不同輸出功率、不同風(fēng)速以及不同槳距角條件下的運(yùn)行模擬,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9和圖10。圖9和圖10的子圖分別為:圖a模擬風(fēng)速；圖b為風(fēng)力機(jī)的CP-λ特性；圖c為風(fēng)力機(jī)T-n特性；圖d為P-n特性。圖9是β=1°、Vw=9 m/s、輸出功率為592 W時(shí)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性；圖10是β=5°、Vw=7 m/s、輸出功率為155 W的特性。圖9、圖10中實(shí)時(shí)運(yùn)行點(diǎn)都能準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行在特性曲線上,說明本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)在不同條件下的運(yùn)行特性。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控界面

圖7 電機(jī)控制界面與編程實(shí)現(xiàn)

圖8 電機(jī)控制的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

為了能在實(shí)驗(yàn)室中便捷的進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電理論與應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)和研究,研制了風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)上位機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制和檢測(cè)準(zhǔn)確,保證了模擬效果；比例模型的建立明確了實(shí)際風(fēng)力機(jī)與實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,使得風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模擬更為合理和可靠。此外,平臺(tái)所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)執(zhí)行單元與發(fā)電機(jī)模擬單元的物理仿真結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。監(jiān)控平臺(tái)功能齊全,能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),不僅可通過參數(shù)調(diào)整模擬不同條件下風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性,還可改變參數(shù)模擬不同功率風(fēng)力機(jī)。

圖9 風(fēng)速9m/s、槳距角1°模擬風(fēng)力機(jī)特性

圖10 風(fēng)速7m/s、槳距角5°模擬風(fēng)力機(jī)特性

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Wind turbine simulation principle and design and realization of experimental platform

Xie Jinping1, Dai Yuxing1, Bi Daqiang2, Guo Ruiguang2

(1. Engineering Laboratory of Electrical Digital Design Technology of Zhejiang Province, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China; 2. State Key Laboratory of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

By using the similarity theory and the consistency of the unitary equation, the scale model of a wind turbine is established, and the corresponding relationship between the simulation system and the actual system is clarified. The physical structure of the wind turbine and generator composed of the frequency converter and three-phase asynchronous motor is designed, and the simulation experimental platform with a set of the wind turbine is established. Based on LabVIEW, the wind turbine model and motor control strategy are realized in the host computer, and the whole monitoring interface is set up. The platform can simulate the characteristics of the wind turbine under the conditions of different wind speeds, different pitch angles, different output powers, etc. The experimental results prove the rationality and correctness of the platform construction, and the platform can meet the needs of the wind power technology teaching and experimental research.

wind turbine; experimental platform; scale model; LabVIEW; frequency converter

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.026

2017-06-19

浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ16E050002)；清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金項(xiàng)目

謝金平(1990—),男,湖南新田,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b備信息化

E-mail：1193772988@qq.com

戴瑜興(1956—),男,湖南瀏陽,博士,教授,主要研究方向?yàn)樾履茉次㈦娋W(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)與裝備信息化.

E-mail：daiyx@wzu.deu.cn

TM614；G484

A

1002-4956(2017)12-0108-06