風力發電虛擬仿真實踐教學平臺建設初探

倫淑嫻 李春杰

摘要：針對風力發電教學實驗設備難以滿足教學需求等情況，提出構建風力發電虛擬仿真實踐教學平臺。論文詳細地闡述了平臺建設的必要性、平臺的構成及應用前景等。該平臺在構建過程既要遵循虛擬仿真教學的特征，又要貫穿學生為主體、教師為主導的現代教育理念。

關鍵詞：虛擬仿真；風力發電；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）45-0076-02

一、引言

風能作為一種綠色環保的可再生能源受到了世界各國的高度重視，我國風電并網容量已達1.29億千瓦，占全部發電機組裝機容量的8.6%。預計到2020年，風電將達到2億千瓦以上。因此，對風力發電的研發、設計、生產和管理等方面的人才需求也隨之增加。但是風力發電涉及機械、電力、電子、液壓、控制、計算機、數值天氣預報等多學科的綜合性高技術系統工程，因此成熟的風力發電實驗教學儀器還很缺乏。目前已有的風力發電實驗儀器，如上海同育教學儀器設備制造有限公司的TYKJ-SF雙饋風力發電機模擬試驗臺、上海頂邦教育設備有限公司的DB-FN02型大型雙饋風力發電實驗系統等在空載運轉、并網實驗、風速、轉距、發電功率、脫網保護等方面提供了模擬實驗。這些裝置可以幫助學生初步理解風力發電原理和技術，學習風力發電機的機械結構和系統組成。因此，亟待建設風力發電虛擬仿真實踐教學平臺，模擬各種風的形成與特性、風力發電機組的結構、風電場的建設、風電機組的控制、典型故障、各種工況條件下的風力發電機組運行狀態，讓學生能在安全的環境下身臨其境地觀察了解風力發電機組、機艙內部結構、各零部件及控制器的三維全貌；通過調整設備參數，觀察風力發電機組及各零部件的運行狀態的變化情況；讓學生理解和掌握風力發電機組設計、運行、安全維護、風電場建設與管理、風力發電機組輸出功率預測等方面的知識，快速提高學生實踐技能和職業崗位能力。

二、風力發電虛擬仿真實踐教學平臺構成

目前風力發電研究的仿真軟件主要有Matlab、GH Bladed、HAWC、DIgSILENT、PSCAD、ANSYS、Saber等。風力發電虛擬仿真平臺可以采用3D虛擬現實技術、Matlab和Bladed進行開發。風力發電虛擬仿真實踐教學平臺主要由13個仿真模塊組成，如圖1所示。

1.風能資源評估仿真模塊。風能資源評估模塊應包含風的形成、風的特性、風的測量、風能估計等四個子模塊。其中風的形成包括全球性風（大氣環流、季風）、地方性風（海陸風、山谷風、焚風）、極端風（熱帶氣旋、寒潮大風、龍卷風）等的形成。風的特性包括風速模型、風玫瑰圖繪制、地形地貌對風的影響等。其中風速模型包括平均風、陣風、極端風、漸變風、隨機風等模型、風剪切模型、塔影效應模型。風的測量包括風向測量儀、風速測量儀器。風能估計包括最小二乘法估計、平均風速和標準差法、平均風速和最大風速法。

2.風能轉換原理仿真模塊。主要是指風力機氣動載荷分析與計算，主要包括變槳載荷計算、方位角氣動載荷計算、穩態運行載荷計算等，讓學生了解升力、阻力、變矩系數與攻角的關系，槳葉相對風速與風速的關系、槳葉入流角與風速關系、槳葉攻角與風速關系、槳距角與風速關系、變槳載荷與風速關系等，變槳載荷、方位角氣動載荷計算、穩態運行載荷計算等。

3.風力發電機組結構及功能仿真模塊。主要包括風輪、機艙、塔架、基礎、控制、輔助系統等五個模塊。風輪模塊包括葉片、輪轂等。機艙模塊主要包括齒輪箱、主軸、發電部件等。輔助系統包括變槳機構、變速機構、避雷部件、偏航部件、剎車制動等。通過建立的各零部件的靜動態特性模型，實現對關鍵零部件、整機性能的測試。

4.風力發電機組的控制系統仿真模塊。主要包括風力機控制、發電機控制、并網控制等。風力機控制主要包括定槳距、變槳距、功率控制、偏航系統、制動保護等。發電機控制主要包括異步風力發電機控制、雙饋式發電機控制、直驅式發電機控制。

5.風力發電機組常見故障與維護仿真模塊。主要包括液壓部件、偏航部件、發電部件、主軸旋轉部件、變槳部件、葉輪部件等的典型故障、各部件發熱的典型故障、振動的典型故障等，能夠讓學生了解風電機組的各零部件常見故障及其維護。

6.風力發電機組運行特性仿真模塊。風力發電機組主要有三種功率調節方式：定槳距失速、變槳距和主動失速。針對典型的恒速恒頻發電機組、變速恒頻發電機組、讓學生了解三種功率調節方式下風速功率曲線特點，轉速功率曲線特點，理解變槳距功率調節方式的優點。

7.全工況風電場仿真模塊。風力發電機組通常在不同工作狀態（運行狀態、待機狀態、停機狀態、緊急停機狀態）之間進行切換。該仿真平臺具有全工況風電場仿真模塊，讓學生理解風電場運行情況及其相應采取的控制策略。

8.風電場監控與數據采集系統仿真模塊。該仿真模塊讓學生了解風電場中央監控系統構成、監控和采集的性能參數及其變化趨勢。

9.儲能裝置仿真模塊。包括蓄電池、抽水儲能、飛輪儲能、超導儲能、熱能儲能等儲能原理動態演示。

10.風電場建設仿真模塊。該模塊包括風電場選址、風力發電機組運輸、安裝、驗收等。風電場選址模塊包括宏觀選址、微觀選址、可行性評估等。可以利用虛擬現實技術實現風電機組拆裝過程的動態演示。

11.風力發電并網對電網的影響仿真模塊。該模塊能夠演示風力并網發電時，對電網的電能質量是否造成影響，包括對電網的電壓、短路電流、網損等的影響。

12.風電場設計運行維護規程仿真模塊。主要包括國內外風力發電機組設計與認證、風電場設計與運行、風資源評估等相關技術標準。該模塊有助于學生理解這些標準，并能按照標準進行風能資源評估、風能資源測量、風電場建設可行性報告的書寫等實踐。

13.其他模塊。該模塊主要包括流行的小型家庭用的風力發電機、新型風力發電機、風光互補風力發電系統等。

三、風力發電虛擬仿真實踐教學平臺的應用前景

風力發電虛擬仿真實踐教學平臺可以提供驗證型、創新型、綜合型實驗、企業實習實踐、上崗培訓等功能。平臺在構建過程既要遵循虛擬仿真教學的特征，又要貫穿學生為主體、教師為主導的現代教育理念。平臺可以適用風能與動力工程專業、能源科學與工程專業、新能源材料與器件專業、電力系統及其自動化專業等本科生，為學生盡快掌握風力發電的工作原理、故障檢測與設備維護、系統性能測試、新技術案例等提供實踐平臺。同時，該虛擬仿真實踐教學平臺也適用于科研人員。因此，風力發電虛擬仿真實踐教學平臺具有示范性和推廣價值。

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