基于虚拟仿真技术的风电教学系统的实现

王咏梅，王印松，曾 新

(华北电力大学控制科学与工程学院，保定071003)

0 引言

风能作为一种新型无污染的可再生能源，越来越受到高度重视。随着风能发电技术的成熟和风电成本的降低，风力发电产业面临前所未有的发展机遇［1］。但同时，风力产业大规模、大容量、产业化的发展也带来了人才匮乏和自主创新不足的问题，这就要求我国大力发展风电教育事业［2］。目前，风力发电教学实验系统还很缺乏，因此本文提出了把虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)与仿真技术结合起来，生成高度逼真和交互的“虚拟世界”教学系统，使人有以身临其境的感觉。此系统可以仿真风电场的运行情况，并以三维图形显示出来。学生不仅可以漫游整个风电场，与此同时，风电厂中的各种设备(如齿轮箱、发电机等)可以用鼠标任意拾取并进行旋转，进入设备了解其内部结构，并且学生还可以在仿真的同时改变运行参数，研究不同参数下的设备运行状态，为学生提供一个互动的学习平台。

1 虚拟仿真技术

虚拟现实是由多媒体计算机系统建立的一种虚拟世界，使人能产生身临其境的感觉，并能获得与环境交互的体验。仿真是虚拟现实技术中的一项非常重要的技术，虚拟现实的关键是给人们提供一个虚拟的世界，但能以真实的表现形式反映事物对象变化的空间与环境，这样的表现形式是建立在模拟和仿真的基础上的，所以仿真技术也能基于模拟环境实现和预测事物在实际环境下的运动与变化。

单纯的虚拟现实系统在听觉、视觉和触觉方面，具有较强的沉浸感，这是一般可视化仿真所不具备的，但在处理随机过程仿真和实时反映对象的运动状态方面却很难满足用户的需要。所以这就需要把虚拟现实与系统仿真有机结合起来，充分利用这两类系统各自的特点，形成一种功能更强的虚拟现实仿真系统，来更好的满足用户的需要。此系统可以使用户在一个虚拟空间中将个人的偏好和独立行为，融合到虚拟现实仿真过程中去，实现“人在系统中的仿真”。因此，虚拟现实仿真系统是对一般可视化仿真的发展，实现了质的飞跃，具有更为广阔的应用前景［3-4］。

2 风力发电系统仿真

风力发电仿真系统主要包括以下几个部分：

1)风能特性仿真，是用来反映风能的位置分布和时间变化特性的，其仿真结果将用于风力发电。

2)风力发电机组仿真，主要包括：风轮空气动力学模型、双馈发电机动态模型、传动系统动态模型、变桨距系统模型和电网模型等。

3)控制系统仿真，承担的任务有：风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等，是风机的重要组成部分。主要由以下几部分组成：监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器)。通过改变仿真风电机组的风能参数或状态参数，来测试在各种不同运行方式下控制系统的动态特性和控制效果，从而找到最优控制方案，达到最优控制效果［5］。

4)风电场仿真，整个风电场由多台风机组成，建立每台风机的模型，按一定规律组成风力机群，并通过两级升压变压器向系统供电。

3 虚拟仿真系统的实现

计算机仿真就是利用计算机，根据真实系统的数学模型来模拟实际系统的运行状态。仿真不强调“沉浸性”和“交互性”，大多数的仿真软件都不具备这样的功能。虚拟现实软件虽然侧重于“沉浸性”和“交互性”，但他在数学建模和数值计算方面能力较差。如何将二者的功能结合起来，这是人们长久以来考虑的一个问题。现在MATLAB 6.11中虚拟现实工具箱解决了这一问题。虚拟现实工具箱提供了一种在三维虚拟环境下通过动态系统进行视图和交互的解决方案，它扩展了MATLAB和Simulink在虚拟现实图形学方面的能力，内容包括［6－8］：

1)虚拟世界，用标准的虚拟现实模型语言(VRML)创建虚拟世界或三维场景;

2)动态系统，用MATLAB和Simulink创建和定义动态系统;

3)交互操作，可以改变虚拟世界中对象的位置和属性，或者在进行模拟时改变Simulink模型的参数。

3.1 虚拟场景的建立

建立三维风力发电系统虚拟现实场景模型步骤如下：

1)建立风力发电系统的三维模型，包括各组成部分和外部环境;

2)通过三维建模语言确定各模型在虚拟环境中的位置关系;

3)把虚拟现实场景模型转换成为标准VRML语言文件格式;

4)将三维模型文件存储于虚拟场景控制服务器上。

建立场景模型的软件有多种，简单的几何模型可用VRML语言直接来编写，对于复杂的设备直接用VRML语法编写难度较大，时间消耗量大［9-10］。故可利用CAD软件或用三维动画软件如3DS MAX进行零件的三维造型，并转换为VRML格式文件。图1为3DS MAX制作的风力发电机的三维模型，并转换为VRML格式输出。

图1 风力发电机的三维模型

3.2 动态系统仿真

MATALB/Simulink是Mathworks公司开发的一个优秀的动态仿真系统软件，它为用户提供了一个强有力的建模与仿真工作平台。Simulink功能非常强大，即支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，可进行连续系统仿真，还可对离散系统甚至混合系统进行仿真。而且Simulink的模块库中提供了一个电力系统的相关设备库(SimPowerSystem模块库)，包含了主要的电力系统分析模块，如各种同步机、异步机、变压器、直流机等设备模型库;单相、三相的分布和集中参数的传输线路等。有了这些模型，建立风电场模型时就更加方便了。

3.3 交互接口

交互接口是虚拟仿真系统实现的重要环节，Simulink作为一接口可以使用户在一个虚拟的三维模型中模拟和观察动态系统的运行情况。Simulink模块可实现虚拟现实工具箱的大多数特征，当Simulink包含这些模块时，就可以选择与Simulink信号连接的虚拟世界，虚拟现实工具箱自动搜索可用VRML节点的虚拟世界，不仅可以把所有的VRML节点属性以等级树样式的形式在观察窗口中列出，还可以选择控制的自由度。当关闭接口对话框后，虚拟现实工具模块自动更新在虚拟世界中与选择节点有关的输入和输出。并且通过一个支持VRML的浏览器就可观察到可视化的虚拟仿真。

4 总结

虚拟现实仿真系统是VR技术与仿真技术的有机结合，这种结合不是简单的相加，而是融合了两种类型系统的特点的有机体，所构造的虚拟现实系统能够自主的运行，学生能够“走进去”到处观察，而且需要的时候能暂时停止仿真过程。虚拟仿真系统不是一度追求演示效果而是重视学生参与的过程，使系统作为教学“教”的工具起到与“学”的互动作用，这对提高实验教学水平，改善实验教学环境起到深远的影响。

［1］关伟，卢岩.国内外风力发电概况及发展方向［J］.吉林电力，2008，36(1)：47-49.

［2］张杰，陈东生，邹乾林，等.风能发电教学初探［J］.科技创新导报，2009，(24)：101-102.

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［4］万宁，黄堂红.探析实验教学中虚拟仿真系统的设计与开发［J］.成都大学学报(教育科学版)，2007，(2)：56-58.

［5］李长青，丁立新，关哲，等.仿真技术在风力发电系统中的应用［J］.电力科学与工程，2008，(10)：5-8.

［6］范太华，毕国堂，刘敏贤.基于Matlab及Simulink的虚拟现实技术的实现［J］.河南科技大学学报(自然科学版)，2004，(12)：47-49.

［7］晁冰，吴祖国.虚拟现实技术在Matlab 6.x中的实现［J］.计算机与现代化，2004，107(7)：124-126.

［8］苏金明，王永利编著.MATLAB 7.0实用指南-下册［M］.北京：电子出版社，2004：50-56.

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