风力机模拟原理和实验平台设计与实现

谢金平, 戴瑜兴, 毕大强, 郭瑞光

(1. 温州大学 电气数字化设计技术浙江省工程实验室, 浙江 温州 325035；2. 清华大学 电机系, 电力系统国家重点实验室, 北京 100084)

风力机模拟原理和实验平台设计与实现

谢金平1, 戴瑜兴1, 毕大强2, 郭瑞光2

(1. 温州大学 电气数字化设计技术浙江省工程实验室, 浙江 温州 325035；2. 清华大学 电机系, 电力系统国家重点实验室, 北京 100084)

采用相似理论和标幺方程一致性,建立风力机比例模型,明确了模拟系统与实际系统的对应关系。设计了由变频器与三相异步电动机构成的风力机与发电机的物理结构,实现了一套风力机模拟实验平台。基于LabVIEW,在上位机实现风力机模型与电机控制策略,并建立了整体监控界面。该平台能模拟不同风速、不同桨距角以及不同输出功率等条件下的风力机特性。实验结果证明了平台构建的合理性和正确性,满足了风电技术教学与实验研究的需要。

风力机； 实验平台； 比例模型； LabVIEW； 变频器

在风力发电理论与应用技术的探索与验证过程中,风力机输出特性的考察是不可缺少的。由于成本、自然环境等条件的限制,实际风力机的输出特性比较难以获得,所以不受环境制约的风力机模拟实验平台便成了实验室进行风电技术教学与研究的基础[1]。

风力机模拟技术的研究成果很多[2-7],风力机模拟系统主要由实时仿真和机电随动系统两部分构成。由于实验室安全和条件等的限制,只能用小功率电动机对风力机进行模拟,如文献[3]用7.5 kW的永磁同步电动机模拟1.5 kW小功率风力机。文献[5]虽然采用小功率电动机模拟大功率风力机,但模拟系统与实际风力机的对应关系不明确。文献[6]只在Matlab中进行大功率风力机的仿真,缺少混合仿真。文献[7]建立了大功率风力机的缩比模型,采用的是小功率直流无刷电动机模拟,在闭环转矩控制策略模拟风力机稳态特性时,还需增加转矩观测模块,使得模拟系统较为复杂。可见,现有的风力机模拟系统还有所欠缺。

本实验平台,采用相似理论和标幺方程一致性,建立风力机比例模型,明确了模拟系统与实际风力机对应关系,并在上位机中用LabVIEW实现,建立了实时监控界面，设计了易于实现的物理仿真结构。此外,在发电机模拟单元中采用了具有能量回馈的变频器,将电能回馈至大电网。该平台功能齐全,人机交互性好,能可靠地重现不同功率风力机的运行特性。

1 风力机模拟实验平台整体结构设计

实验平台整体结构如图1所示,主要由风力机模型单元、风力机执行单元和发电机模拟单元构成。

图1 实验平台整体结构

在风力机模型单元,上位机用LabVIEW构建综合监控器,监控器中包含了风速模拟部分、风力机模拟部分等。风力机执行单元由VACON变频器和三相异步电动机构成。发电机模拟单元由馈能型变频器与发电机构成。这两单元通过接收风力机模型单元的指令,体现风力机的特性。

2 风力机模型单元

2.1 风速模拟部分

对于自然风,主要用风速大小和风向2个参数来描述。在配备了偏航系统时,风力机一直迎风运转,所以风力机模拟中风向不考虑。在风速大小模型的建构上,虽然有如湍流分量与平均风速相叠加的风速模型[8]等新方法被提出,但组合风速模型具有精确描述风速突变性和间歇性等优势,仍然被使用。本实验平台采用4种组合风速模型[9-10],此外,还增加了读取风场测量风速数据功能。

该平台的上位机监控界面中,可通过对各组合风的设置、完成不同风速的模拟。

图2中，前4 s只有6 m/s的平均风,4～14 s由6 m/s平均风+最大值为3 m/s的阵风组成,16～24 s为6 m/s的平均风+最大值为3 m/s,保持时间为4 s的渐变风,27～30 s为6 m/s平均风+幅值3 m/s、频率为1.5 rad/s的随机风,30～60 s是随机风在整个周期中都起作用的风速波形。

图2 模拟风速的实时显示

2.2 风力机模拟部分

2.2.1 风轮模型

由空气动力学可得风轮模型的数学方程[4,11]为:

(1)

式中:Pw是风轮输出功率,W；ρ为风场空气密度,kg/m2；R是风轮半径,m；Vw为风速,m/s；λ是叶尖速比,无量纲；Ωw为风轮角速度,rad/s；Tw是风轮输出转矩,N·m；CP为风能利用系数,是风力机所发电能与其捕获风能的比值。

常用的风能利用系数拟合函数[10]为

(2)

式中β为桨距角。

λi计算式为

(3)

上两式中c1—c7为未知系数。

本实验平台采用近似计算法[7],对GE1.5 MW风力机进行了拟合,结果见图3。

2.2.2 传动机构模型

要模拟风力机的动态过程,传动机构模型的建立是必不可少的。传动机构模型按是否考虑传动轴的刚度和阻尼,分为刚性模型和柔性模型,本实验平台使用刚性传动模型。图4为简化的非直驱风力机刚性传动示意图。

图3 GE1.5MW风力机的CP-λ拟合

图4 简化的直驱风力机刚性传动示意图

刚性传动模型如下:

(4)

2.2.3 风力机比例模型及标幺化

由于各种条件的限制,实验室一般不会采用同等功率电动机对风力机进行模拟,尤其是大功率风力机(MW级),那么模拟系统与实际风力机的对应关系,将决定其是否能正确模拟相应的风力机。本实验平台在假定风力机的翼型、安装及制作材料等相同的条件下,采用相似理论和标幺方程一致性,建立实际风力机的比例模型进行模拟。比例模型是将实际风力机按一

定比例变换,得到模拟系统使用的电动机所能模拟功率范围内的比例风力机,从而明确模拟系统与实际风力机的对应关系。

比例模型[7]如下:设实际风力机参数以“1”为下标,比例风力机参数以“2”为下标，定义基本变比η为

(5)

相似系统中,无量纲的量被认为是相等的,构造无量纲的标准量来确定各参数的变比关系。物理量的属性可由量纲表示,基本量纲一般取国际单位，其他物理量可由基本量纲表示。风力机的各参数及其量纲见表1。

表1 风力机参数及其量纲

选R、Ωw、ρ为基本参数,其他参数可由它们表示,且存在a、b、c使式(6)成立:

τx=RaΩbρcx=l0t0m0

(6)

式中x表示非基本参数如Vw、Tw等,τx为相似系统的无量纲标准量,将非基本参数以及式(1)代入式(6),在两风力机风速大小相同下分析得:

(7)

由式(5)及式(7)分析得比例模型为

(8)

对于非直驱型风力机模拟,主要是重现高速轴侧特性,还需将各参数经增速比折算到高速轴侧。

本实验平台采用的是1.5 kW异步电动机,所以假定比例风力机为1.2 kW,通过式(8)和高低速轴的参数转换,建立GE1.5MW非直驱型风力机的比例模型,具体风力机的对应参数[12-13]见表2。

表2 风力机参数

图5为桨距角1°、不同风速下实际风力机与比例风力机的转矩转速特性对比图,其中a、c子图是还未标幺特性曲线,可知两风力机变化趋势相同,b、d子图是标幺特性曲线,可知满足标幺一致性原则,说明比例模型的正确性和合理性。

3 风力机执行单元与发电机模拟单元

设计了由变频器与三相异步电动机构成的风力机与发电机的物理结构。上位机通过串口转RS485线与变频器连接,并采用modbus协议相互通信,上位机通过改变变频器参数来控制电动机,从而模拟风力机特性。为了得到准确的输出转矩,原动机采用闭环转矩控制,发电机采用闭环转速控制,发电机模拟单元所发电能回馈至大电网。

图5 实际风力机与比例风力机转矩特性对比

4 平台测试与实验结果

图6为监控界面,图7是电动机和发电机的控制界面与编程实现,图8为电机控制的测试结果图。

4.1 平台测试

模拟平台对电机控制是否准确,关系着整个平台模拟效果,所以实验平台功能包括对电机控制性能测试,结果见图8。从图8(a)知,上位机能准确地控制发电机从0 r/min升至500 r/min、1 000 r/min,再降为0 r/min；从图8(b)知,上位机也能准确控制电动机相对转矩从0%升至20%、40%,再依次降为0%；即本实验平台可以准确的控制电机。

4.2 实验结果

根据表2中的数据对GE1.5MW风力机进行了不同输出功率、不同风速以及不同桨距角条件下的运行模拟,实验结果见图9和图10。图9和图10的子图分别为:图a模拟风速；图b为风力机的CP-λ特性；图c为风力机T-n特性；图d为P-n特性。图9是β=1°、Vw=9 m/s、输出功率为592 W时风力机运行特性；图10是β=5°、Vw=7 m/s、输出功率为155 W的特性。图9、图10中实时运行点都能准确、稳定的运行在特性曲线上,说明本实验平台能够模拟实际风力机在不同条件下的运行特性。

图6 实验平台监控界面

图7 电机控制界面与编程实现

图8 电机控制的测试结果

5 结语

为了能在实验室中便捷的进行风力发电理论与应用技术的教学和研究,研制了风力机模拟实验平台。该平台上位机对电动机和发电机的控制和检测准确,保证了模拟效果；比例模型的建立明确了实际风力机与实验室模拟系统的对应关系,使得风力机的实验室模拟更为合理和可靠。此外,平台所设计的风力机执行单元与发电机模拟单元的物理仿真结构相对简单。监控平台功能齐全,能实时监控系统运行状态,不仅可通过参数调整模拟不同条件下风力机运行特性,还可改变参数模拟不同功率风力机。

图9 风速9m/s、桨距角1°模拟风力机特性

图10 风速7m/s、桨距角5°模拟风力机特性

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

浙江省自然科学基金重点项目(LZ16E050002)；清华大学实验室创新基金项目

谢金平(1990—),男,湖南新田,硕士研究生,研究方向为电力电子装备信息化

E-mail：1193772988@qq.com

戴瑜兴(1956—),男,湖南浏阳,博士,教授,主要研究方向为新能源微电网技术及应用、数控技术与装备信息化.

E-mail：daiyx@wzu.deu.cn

TM614；G484

A

1002-4956(2017)12-0108-06