風力機模擬原理和實驗平臺設計與實現

謝金平, 戴瑜興, 畢大強, 郭瑞光

(1. 溫州大學 電氣數字化設計技術浙江省工程實驗室, 浙江 溫州 325035；2. 清華大學 電機系, 電力系統國家重點實驗室, 北京 100084)

風力機模擬原理和實驗平臺設計與實現

謝金平1, 戴瑜興1, 畢大強2, 郭瑞光2

(1. 溫州大學 電氣數字化設計技術浙江省工程實驗室, 浙江 溫州 325035；2. 清華大學 電機系, 電力系統國家重點實驗室, 北京 100084)

采用相似理論和標幺方程一致性,建立風力機比例模型,明確了模擬系統與實際系統的對應關系。設計了由變頻器與三相異步電動機構成的風力機與發電機的物理結構,實現了一套風力機模擬實驗平臺。基于LabVIEW,在上位機實現風力機模型與電機控制策略,并建立了整體監控界面。該平臺能模擬不同風速、不同槳距角以及不同輸出功率等條件下的風力機特性。實驗結果證明了平臺構建的合理性和正確性,滿足了風電技術教學與實驗研究的需要。

風力機； 實驗平臺； 比例模型； LabVIEW； 變頻器

在風力發電理論與應用技術的探索與驗證過程中,風力機輸出特性的考察是不可缺少的。由于成本、自然環境等條件的限制,實際風力機的輸出特性比較難以獲得,所以不受環境制約的風力機模擬實驗平臺便成了實驗室進行風電技術教學與研究的基礎[1]。

風力機模擬技術的研究成果很多[2-7],風力機模擬系統主要由實時仿真和機電隨動系統兩部分構成。由于實驗室安全和條件等的限制,只能用小功率電動機對風力機進行模擬,如文獻[3]用7.5 kW的永磁同步電動機模擬1.5 kW小功率風力機。文獻[5]雖然采用小功率電動機模擬大功率風力機,但模擬系統與實際風力機的對應關系不明確。文獻[6]只在Matlab中進行大功率風力機的仿真,缺少混合仿真。文獻[7]建立了大功率風力機的縮比模型,采用的是小功率直流無刷電動機模擬,在閉環轉矩控制策略模擬風力機穩態特性時,還需增加轉矩觀測模塊,使得模擬系統較為復雜?？梢?現有的風力機模擬系統還有所欠缺。

本實驗平臺,采用相似理論和標幺方程一致性,建立風力機比例模型,明確了模擬系統與實際風力機對應關系,并在上位機中用LabVIEW實現,建立了實時監控界面，設計了易于實現的物理仿真結構。此外,在發電機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。該平臺功能齊全,人機交互性好,能可靠地重現不同功率風力機的運行特性。

1 風力機模擬實驗平臺整體結構設計

實驗平臺整體結構如圖1所示,主要由風力機模型單元、風力機執行單元和發電機模擬單元構成。

圖1 實驗平臺整體結構

在風力機模型單元,上位機用LabVIEW構建綜合監控器,監控器中包含了風速模擬部分、風力機模擬部分等。風力機執行單元由VACON變頻器和三相異步電動機構成。發電機模擬單元由饋能型變頻器與發電機構成。這兩單元通過接收風力機模型單元的指令,體現風力機的特性。

2 風力機模型單元

2.1 風速模擬部分

對于自然風,主要用風速大小和風向2個參數來描述。在配備了偏航系統時,風力機一直迎風運轉,所以風力機模擬中風向不考慮。在風速大小模型的建構上,雖然有如湍流分量與平均風速相疊加的風速模型[8]等新方法被提出,但組合風速模型具有精確描述風速突變性和間歇性等優勢,仍然被使用。本實驗平臺采用4種組合風速模型[9-10],此外,還增加了讀取風場測量風速數據功能。

該平臺的上位機監控界面中,可通過對各組合風的設置、完成不同風速的模擬。

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

圖2 模擬風速的實時顯示

2.2 風力機模擬部分

2.2.1 風輪模型

由空氣動力學可得風輪模型的數學方程[4,11]為:

(1)

式中:Pw是風輪輸出功率,W；ρ為風場空氣密度,kg/m2；R是風輪半徑,m；Vw為風速,m/s；λ是葉尖速比,無量綱；Ωw為風輪角速度,rad/s；Tw是風輪輸出轉矩,N·m；CP為風能利用系數,是風力機所發電能與其捕獲風能的比值。

常用的風能利用系數擬合函數[10]為

(2)

式中β為槳距角。

λi計算式為

(3)

上兩式中c1—c7為未知系數。

本實驗平臺采用近似計算法[7],對GE1.5 MW風力機進行了擬合,結果見圖3。

2.2.2 傳動機構模型

要模擬風力機的動態過程,傳動機構模型的建立是必不可少的。傳動機構模型按是否考慮傳動軸的剛度和阻尼,分為剛性模型和柔性模型,本實驗平臺使用剛性傳動模型。圖4為簡化的非直驅風力機剛性傳動示意圖。

圖3 GE1.5MW風力機的CP-λ擬合

圖4 簡化的直驅風力機剛性傳動示意圖

剛性傳動模型如下:

(4)

2.2.3 風力機比例模型及標幺化

由于各種條件的限制,實驗室一般不會采用同等功率電動機對風力機進行模擬,尤其是大功率風力機(MW級),那么模擬系統與實際風力機的對應關系,將決定其是否能正確模擬相應的風力機。本實驗平臺在假定風力機的翼型、安裝及制作材料等相同的條件下,采用相似理論和標幺方程一致性,建立實際風力機的比例模型進行模擬。比例模型是將實際風力機按一

定比例變換,得到模擬系統使用的電動機所能模擬功率范圍內的比例風力機,從而明確模擬系統與實際風力機的對應關系。

比例模型[7]如下:設實際風力機參數以“1”為下標,比例風力機參數以“2”為下標，定義基本變比η為

(5)

相似系統中,無量綱的量被認為是相等的,構造無量綱的標準量來確定各參數的變比關系。物理量的屬性可由量綱表示,基本量綱一般取國際單位，其他物理量可由基本量綱表示。風力機的各參數及其量綱見表1。

表1 風力機參數及其量綱

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

τx=RaΩbρcx=l0t0m0

(6)

式中x表示非基本參數如Vw、Tw等,τx為相似系統的無量綱標準量,將非基本參數以及式(1)代入式(6),在兩風力機風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)

對于非直驅型風力機模擬,主要是重現高速軸側特性,還需將各參數經增速比折算到高速軸側。

本實驗平臺采用的是1.5 kW異步電動機,所以假定比例風力機為1.2 kW,通過式(8)和高低速軸的參數轉換,建立GE1.5MW非直驅型風力機的比例模型,具體風力機的對應參數[12-13]見表2。

表2 風力機參數

圖5為槳距角1°、不同風速下實際風力機與比例風力機的轉矩轉速特性對比圖,其中a、c子圖是還未標幺特性曲線,可知兩風力機變化趨勢相同,b、d子圖是標幺特性曲線,可知滿足標幺一致性原則,說明比例模型的正確性和合理性。

3 風力機執行單元與發電機模擬單元

設計了由變頻器與三相異步電動機構成的風力機與發電機的物理結構。上位機通過串口轉RS485線與變頻器連接,并采用modbus協議相互通信,上位機通過改變變頻器參數來控制電動機,從而模擬風力機特性。為了得到準確的輸出轉矩,原動機采用閉環轉矩控制,發電機采用閉環轉速控制,發電機模擬單元所發電能回饋至大電網。

圖5 實際風力機與比例風力機轉矩特性對比

4 平臺測試與實驗結果

圖6為監控界面,圖7是電動機和發電機的控制界面與編程實現,圖8為電機控制的測試結果圖。

4.1 平臺測試

模擬平臺對電機控制是否準確,關系著整個平臺模擬效果,所以實驗平臺功能包括對電機控制性能測試,結果見圖8。從圖8(a)知,上位機能準確地控制發電機從0 r/min升至500 r/min、1 000 r/min,再降為0 r/min；從圖8(b)知,上位機也能準確控制電動機相對轉矩從0%升至20%、40%,再依次降為0%；即本實驗平臺可以準確的控制電機。

4.2 實驗結果

根據表2中的數據對GE1.5MW風力機進行了不同輸出功率、不同風速以及不同槳距角條件下的運行模擬,實驗結果見圖9和圖10。圖9和圖10的子圖分別為:圖a模擬風速；圖b為風力機的CP-λ特性；圖c為風力機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時風力機運行特性；圖10是β=5°、Vw=7 m/s、輸出功率為155 W的特性。圖9、圖10中實時運行點都能準確、穩定的運行在特性曲線上,說明本實驗平臺能夠模擬實際風力機在不同條件下的運行特性。

圖6 實驗平臺監控界面

圖7 電機控制界面與編程實現

圖8 電機控制的測試結果

5 結語

為了能在實驗室中便捷的進行風力發電理論與應用技術的教學和研究,研制了風力機模擬實驗平臺。該平臺上位機對電動機和發電機的控制和檢測準確,保證了模擬效果；比例模型的建立明確了實際風力機與實驗室模擬系統的對應關系,使得風力機的實驗室模擬更為合理和可靠。此外,平臺所設計的風力機執行單元與發電機模擬單元的物理仿真結構相對簡單。監控平臺功能齊全,能實時監控系統運行狀態,不僅可通過參數調整模擬不同條件下風力機運行特性,還可改變參數模擬不同功率風力機。

圖9 風速9m/s、槳距角1°模擬風力機特性

圖10 風速7m/s、槳距角5°模擬風力機特性

References)

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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

浙江省自然科學基金重點項目(LZ16E050002)；清華大學實驗室創新基金項目

謝金平(1990—),男,湖南新田,碩士研究生,研究方向為電力電子裝備信息化

E-mail：1193772988@qq.com

戴瑜興(1956—),男,湖南瀏陽,博士,教授,主要研究方向為新能源微電網技術及應用、數控技術與裝備信息化.

E-mail：daiyx@wzu.deu.cn

TM614；G484

A

1002-4956(2017)12-0108-06