CN102879199A - 一种全工况风力机模拟器 - Google Patents

Abstract

一种全工况风力机模拟器，其包括风力机模拟器上位机监控***、全工况风力机特性模拟控制***和风力机模拟器机电随动***。风力机模拟器上位机监控***设置运行参数，全工况风力机特性模拟控制***在每个控制周期读取所需数据，运行模拟算法，输出转矩指令到风力机模拟器机电随动***的拖动变频器，拖动变频器控制拖动电机输出转矩，模拟风力机运行特性。本发明全工况风力机模拟器可在不具备风场环境的实验室模拟风力机全工况运行的动静态特性，适用于风电技术的开发研究。

Description

一种全工况风力机模拟器

技术领域

本发明涉及一种风力机模拟器，特别涉及适用于双馈式或直驱式变速恒频风电模拟实验平台的全工况风力机模拟器。

背景技术

风能作为一种可再生能源日益受到世界各国的广泛重视，开发利用风能，大力发展风力发电技术，对于解决全球性的能源危机和环境污染具有重要的意义，目前世界上最主要的风力发电技术中，变速恒频风力发电技术是最优化的技术，已成为风力发电技术的发展方向。

实验室的先期探索、研究验证对风力发电技术的发展起着重要的推动作用。但是由于条件的限制，大多数实验室并不具备风场环境或者风力机，这很不利于一些新理论和新技术的验证。为了加强风力发电技术的研发能力，必须要进行风力机模拟技术的研究。风力发电***是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的能量转化***。而风力机在这个***中就扮演着将风能转化为机械能的角色，故风力机的模拟本质上讲就是能量或者转矩的模拟。通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟***符合实际的风力机特性，用其来驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电***工作的效果。风力机模拟器可以在不依赖于环境和风力机的情况下模拟风力机的特性，方便了实验室对风力发电***及其部件的研究开发测试。

现有风力机模拟器大部分采用变频器驱动拖动电机的设计思路，如图1所示，上位机***计算输出合适的转矩指令，通过控制变频器输出不同的转矩来模拟风力机的运行特性，但是多集中在风力机特性曲线的模拟、最大风能捕获实验等定性方面的研究，并不能准确模拟实际风场大功率机组输出转矩特性，也不能模拟风力机全工况运行特性；另外，现有风力机模拟器大多数风速输入均来自于风速仪测量，且未集成变桨矩***的模拟，这同样也造成了实验的不方便以及模拟的准确性较差，这就不能真实模拟实际风电机组全工况运行特性，从而影响了实验效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有风力机模拟器仅能进行定性方面研究，不能真实模拟实际自然环境中风电机组全工况运行特性的缺点，提供一种适用于变速恒频风力发电模拟实验平台的全工况风力机模拟器。本发明可实现完全自然风况风速模拟，包括阵风、基本风、渐变风、湍流等，同时也可设置风电场参数，完全再现自然界实际风场真实风况。本发明基于参数折算，通过转矩修正，实现了小尺度风力机模拟器模拟大功率风力机的特性。本发明全工况风力机模拟器应用于风电机组模拟实验平台中，是该实验平台中的一个重要组成部分。该实验平台中除本发明全工况风力机模拟器外，还包括风电机组主控***、变流器、发电机等。在该实验平台上可以进行风电新技术研究开发及风电机组功能的实验验证。

本发明全工况风力机模拟器主要包括三大部分：风力机模拟器上位机监控***、全工况风力机特性模拟控制***和风力机模拟器机电随动***。

风力机模拟器上位机监控***设置运行初始参数，通过RS-232串口传输到全工况风力机特性模拟控制***，经全工况风力机特性模拟控制***运算得到实时参考转矩指令，所述的实时参考转矩指令通过RS-485通讯接口传输到风力机模拟器机电随动***中的拖动变频器，所述的拖动变频器根据该实时参考转矩指令控制拖动电机输出转矩，模拟风力机运行特性。

所述的风力机模拟器上位机监控***由工业控制计算机、监控***及通讯模块组成，实现功能主要包括全工况风力机模拟器***控制调度，风力机模拟器参数设置，风力机模拟器常规自然风速模拟等。所述的全工况风力机特性模拟控制***包括PLC（可编程控制器）单元、信号采集转换器、变桨矩***模拟模块及***保护功能模块。信号采集转换器实时采集转速信号和转矩信号，转换并输入到所述的PLC单元，经PLC单元处理，得到输出参考转矩指令。变桨矩***模拟模块及***保护功能模拟模块分别执行风电机组模拟实验平台的风电机组主控***发送的桨距角输出指令和***保护信号指令。所述的风力机模拟器机电随动***由拖动变频器、拖动电机、联轴器及转矩转速传感器组成，拖动变频器与拖动电机电气连接，拖动电机与联轴器机械连接，联轴器安装在拖动电机转轴上，转矩转速传感器安装在联轴器上。拖动变频器接收到全工况风力机特性模拟控制***输出的参考转矩指令后，控制拖动电机输出转矩。

本发明全工况风力机模拟器模拟风力机特性运行包括以下步骤：

步骤1：首先风力机模拟器上位机监控***进行参数设置，所述的参数主要包括风电场空气密度、待测风电机组类型、风电机组额定功率、风电机组轮毂高度、风电机组叶轮半径及模拟时间尺度，读入风力发电机厂家提供的额定功率曲线。风力机模拟器上位机监控***根据待测风电机组及环境参数自动生成常规自然风速曲线，供PLC单元实时读取。

步骤2：风力机模拟器上位机监控***进行***自检，检查无误后发送指令到PLC单元中，启动全工况风力机特性模拟控制***中的变桨矩***模拟模块、***保护功能模拟模块，同时在所述PLC单元中启动运行风力机特性模拟算法。

步骤3：根据步骤1设置的待测机组参数，在全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元中进行运算。全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元在每个控制周期T_s内，实时计算出由于塔影效应及风剪效应引起的等效风速扰动v_ed，将等效风速扰动v_ed叠加到该控制周期T_s内读取的所述的步骤1中，风力机模拟器上位机监控***生成的常规自然风速曲线数据上。

步骤4：全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元根据贝叶茨理论，计算出待测风力机实时吸收的风能和输出气动转矩，风力机吸收的机械功率P_m可以使用如下公式进行表示：

$P_m=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}^3$

式中，C_p为风能利用系数，R为叶轮半径，v为风速，ρ为空气密度。风能利用系数C_p为叶尖速比λ与桨距角β的函数，叶尖速比λ为叶尖速度与风速v_wind的比值，表达式为：

λ＝Rω/v_wind

其中，ω为风力机风轮旋转角速度，更进一步地，风力机输出气动转矩T_m可由下式得出：

$T_m=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^3{v}^2{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})/\mathrm{\λ}$

使用上述公式便可计算出在特定风速，桨距角与风轮转速下风力机吸收的机械功率以及输出气动转矩。由于塔影效应和风剪效应引起的周期性扰动已经转换为等效风速v_ed实时叠加在步骤1中生成的常规自然风速曲线上，所以输出的气动转矩必然包含塔影效应和风剪效应造成的转矩周期脉动，也即实现了转矩脉动的模拟。

步骤5：考虑到风力机模拟器的转动惯量、摩擦系数与实际风机不同，需要对拖动电机输出的转矩进行修正。通过转矩修正后，补偿风力机模拟器的转动惯量，最后发送修正后的实时转矩指令到风力机模拟器机电随动***的拖动变频器，控制拖动电机运行，使之能够真实模拟大功率风电机组特性。同时在每个控制周期中，全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元通过信号采集转换器实时采集转速、转矩信号，验证输出转矩的正确性。

步骤6：在一个模拟周期内，全工况风力机特性模拟控制***中的变桨矩***模拟模块和***保护功能模拟模块一直循环运行，变桨矩***模拟模块根据桨距角指令执行输出桨距角；同时***保护功能模拟模块一旦检测到任何故障即输出保护信号，变桨矩***模拟模块开始执行紧急顺桨，保护风力机，避免飞车，而风力机模拟器其他功能模块继续运行，此功能也可模拟风力机故障发生时的动态运行特性，更加真实的反映了实际风力机的特性。

本发明的有益效果：

1）本发明的变速恒频全工况风力机模拟器可以在不依赖自然环境和风力机的情况下模拟风力机的全工况运行的动静态特性；

2）本发明的风速模拟采用风速模型合成法实现，根据自然风的特性由基本风、阵风、渐变风和湍流合成，由塔影效应和风剪效应造成的周期扰动转换为等效风速扰动叠加在合成的自然风上，完全再现了自然界实际风场真实风况；

3）通过本发明模拟器上位机监控***可以设定不同风场不同风机的实际运行参数，也可任意设定风速的变化曲线，极大的方便了实验室对风力发电***的研究；

4）本发明全工况风力机模拟器同时集成了对变桨矩***的模拟，可根据实际风电场变桨矩***运行规律动作，在接收到故障信号时，可紧急顺桨，防止风力机发生超速飞车现象，可真实的反映实际风力机在全工况运行时的特性。

附图说明

图1是现有的风力机模拟器结构图；

图2是本发明的总体构成框图；

图3是风速模拟算法框图；

图4是转动惯量修正框图；

图5是全工况风力机模拟控制框图；

图6是本发明全工况风力机模拟器运行流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明全工况风力机模拟器主要包括三大部分：风力机模拟器上位机监控***、全工况风力机特性模拟控制***和风力机模拟器机电随动***。风力机模拟器上位机监控***设置运行初始参数，通过RS-232串口传输到全工况风力机特性模拟控制***，经全工况风力机特性模拟控制***运算得到实时参考转矩指令，所述的实时参考转矩指令通过RS-485通讯接口传输到风力机模拟器机电随动***中的拖动变频器，所述的拖动变频器根据该实时参考转矩指令控制拖动电机输出转矩，模拟风力机运行特性，同时转速转矩传感器输出信号通过信号采集转换器回传到PLC单元进行指令修正验证。

所述的风力机模拟器上位机监控***由工业控制计算机、监控***及通讯模块组成，实现功能主要包括全工况风力机模拟器***控制调度，风力机模拟器参数设置，风力机模拟器常规自然风速模拟等。所述的全工况风力机特性模拟控制***包括PLC（可编程控制器）单元及信号采集转换器，信号采集转换器实时采集转速、转矩信号，转换并输入到PLC单元，在PLC单元中运行风力机特性模拟算法，得到输出参考转矩指令。所述的全工况风力机特性模拟控制***中同时包含变桨矩***模拟模块及***保护功能模拟模块，所述的变桨矩***模拟模块及***保护功能模拟模块分别执行风电机组模拟实验平台的风电机组主控***发送的桨距角输出指令和***保护信号指令，可更真实模拟风力机特性。所述的风力机模拟器机电随动***由拖动变频器、拖动电机、联轴器及转矩转速传感器组成，拖动变频器与拖动电机电气连接，拖动电机与联轴器机械连接，联轴器安装在拖动电机转轴上，转矩转速传感器安装在联轴器上，拖动变频器接收到全工况风力机特性模拟控制***输出的参考转矩指令后，控制拖动电机输出转矩。

图3所示为风速模拟算法框图。如图3所示，首先上位机监控***进行参数设置，所述的参数主要包括风电场空气密度、待测风电机组类型（双馈或永磁）、风电机组额定功率、风电机组轮毂高度、风电机组叶轮半径及模拟时间尺度，读入风力发电机厂家提供的额定功率曲线，监控***根据待测风电机组及环境参数自动生成常规自然风速曲线，供全工况风力机特性模拟控制***实时读取。

根据设置完成的待测机组参数，在全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元中进行运算，在每个控制周期T_s内，实时计算出由于塔影效应及风剪效应引起的等效风速扰动v_ed，叠加到该控制周期T_s内读取的常规自然风速v_wind上得到转矩模拟的输入风速v，即：

v＝v_ed+v_wind

得到实时风速后即可根据贝叶茨理论，在所述的PLC单元中计算待测风力机实时吸收的风能和输出气动转矩，风力机吸收的机械功率可以使用如下公式进行表示：

$P_m=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}^3$

式中，C_p为风能利用利用系数，R为叶轮半径，v为风速，ρ为空气密度。风能利用系数C_p为叶尖速比λ与桨距角β的函数，风能利用系数C_p的表示式为：

$C_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)\·e^{-\frac{12.5}{{\mathrm{\λ}}_i}}$

其中λ_i为中间变量，其表达式为：

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\·\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}$

叶尖速比λ为叶尖速度与风速的比值，表达式为：

λ＝Rω/v

其中，ω为风力机风轮旋转角速度，更进一步地，风力机输出气动转矩T_m可由下式得出：

$T_m=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^3{v}^2{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})/\mathrm{\λ}$

使用上述公式便可计算出在特定风速，桨距角与风轮转速下风力机吸收的机械功率以及输出气动转矩。由于塔影效应和风剪效应引起的周期性扰动已经转换为等效风速v_ed实时叠加在生成的常规自然风速v_wind上，所以输出的机械转矩必然包含塔影效应和风剪效应造成的转矩周期脉动，也即实现了转矩脉动的模拟。

图4所示为转动惯量修正框图，考虑到风力机模拟器的转动惯量、摩擦系数与实际风机不同，实际风力机转动惯量一般远大于风力机模拟器***，为使风力机模拟器可以准确模拟风力机的动态特性，需要对模拟器拖动转矩进行修正；同时在每个控制周期T_s中，所述的PLC单元通过信号采集转换器实时采集转速、转矩信号验证输出转矩的正确性。即：

T_ref＝T_m+T_com

式中，T_ref为风力机模拟器最终输出的参考转矩指令，T_m为计算得到的气动转矩，T_com表示转动惯量补偿转矩。通过转矩修正后，补偿风力机模拟器的转动惯量，最后发送修正后的实时转矩指令到风力机模拟器机电随动***的拖动变频器，控制拖动电机运行，使之能够真实模拟大功率风电机组特性。

图5所示为全工况风力机模拟控制框图。通过风力机模拟器上位机监控***设置***参数，包括风电场空气密度、待测风电机组类型（双馈或永磁）、风电机组额定功率、风电机组轮毂高度、风电机组叶轮半径及模拟时间尺度，读入风力发电机厂家提供的额定功率曲线，监控***根据待测风电机组及环境参数自动生成常规自然风速曲线，供全工况风力机特性模拟控制***的PLC单元实时读取。

在所述的PLC单元中运行实时模拟算法。每个控制周期T_s内，通过塔影/风剪效应等效转换模块实时计算出由于塔影效应及风剪效应引起的等效风速扰动v_ed，叠加到该控制周期T_s内读取的已生成的常规自然风速数据v_wind上，得到合成风速v输入到风力机模型中。

全工况风力机特性模拟控制***中的变桨矩***模拟模块接收主控指令执行桨距角β，再结合其他风力机参数，通过风力机模型计算出当前气动转矩T_m，考虑到风力机模拟器的转动惯量、摩擦系数与实际风机不同，该气动转矩T_m还需进行修正补偿，通过大转动惯量修正补偿模块得到修正补偿转矩T_com，最后得到给定拖动变频器的输出参考转矩指令T_ref。

所述的变桨矩***模拟模块接收风电机组模拟实验平台的风电机组主控***发送的桨距角指令β，在风速接近切入转风速（此处为3m/s）时按指令打开桨叶，辅助风电机组并网，随着风速增大逐渐改变桨距角，风速超过额定风速（此处为12m/s）时，控制桨距角稳定风力机转速，此时本发明全工况风力机模拟器进入恒功率运行区间，当风速增加超过切出风速（此处为25m/s）时，紧急顺桨防止飞车，实现超速保护功能。

在风力机模拟器运行的在一个模拟周期内，全工况风力机特性模拟控制***中变桨矩***模拟模块和***保护功能模拟模块一直循环运行，分别执行给定的桨距角输出指令和***保护信号指令，一旦检测到任何故障即开始紧急顺桨，保护风力机，避免飞车，而风力机模拟器其他功能模块继续运行，此功能也可模拟风力机故障发生时的动态运行特性，更加真实的反映了实际风力机的特性。

图6所示为本发明全工况风力机模拟器运行流程图，启动全工况风力机模拟器后，首先通过风力机模拟器上位机监控***设置模拟器运行参数，包括所模拟的风电场和风力机的参数，设置完成的运行参数通过通讯传输到全工况风力机特性模拟控制***。接收到风力机模拟器上位机监控***传输信息、桨距角信号及转速转矩等信号后运行模拟算法计算风力机输出气动转矩T_m，经过大转动惯量修正补偿T_com得到参考转矩指令T_ref发送到拖动变频器，拖动变频器控制拖动电机输出转矩模拟风力机运行特性。

综上所述，本发明全工况风力机模拟器可以在不依赖自然环境和风力机的情况下模拟风力机动、静态特性，同时可以模拟不同特性的风力机，并且能任意设定风速的变化曲线；风速模拟采用风速模型合成法实现，根据自然风的特性由基本风、阵风、渐变风和湍流合成，由塔影效应和风剪效应造成的周期扰动转换为等效风速扰动叠加在合成的自然风上，完全再现了自然界实际风场真实风况；可设置特定风电场环境参数及风力机参数，同时集成了对变桨矩***的模拟，可根据实际风电场风电机组变桨矩***运行规律动作，在接收到故障出发信号时，可紧急顺桨，防止风力机发生超速飞车现象，可真实的反映实际风力机在全工况运行时的特性，更准确的模拟风力机特性。风力机模拟技术的应用极大地缩短了风力发电技术的研究周期，本发明全工况风力机模拟器方便了实验室对风力发电***的研究，为风力发电新技术研发、验证、最大风能追踪控制以及改善控制算法创造了有利的条件。

Claims (2)

1.一种全工况风力机模拟器，其特征在于，所述的风力机模拟器包括三大部分：风力机模拟器上位机监控***、全工况风力机特性模拟控制***和风力机模拟器机电随动***；所述的风力机模拟器上位机监控***由工业控制计算机、监控***及通讯模块组成，用于实现全工况风力机模拟器***控制调度，风力机模拟器参数设置，风力机模拟器常规自然风速模拟功能；所述的全工况风力机特性模拟控制***包括PLC单元、信号采集转换器、变桨矩***模拟模块及***保护模拟模块；信号采集转换器实时采集并转换转速信号和转矩信号，传输到PLC单元中，经PLC单元处理得到输出参考转矩指令；变桨矩***模拟模块及***保护功能模拟模块分别执行风电机组模拟实验平台的风电机组主控***发送的桨距角指令和***保护信号指令；所述的风力机模拟器机电随动***由拖动变频器、拖动电机、联轴器及转矩转速传感器组成，拖动变频器与拖动电机电气连接，拖动电机与联轴器机械连接，联轴器安装在拖动电机转轴上，转矩转速传感器安装在联轴器上，所述的拖动变频器接收到全工况风力机特性模拟控制***输出的参考转矩指令后，控制拖动电机输出转矩，模拟风力机运行特性。

2.按照权利要求1所述的全工况风力机模拟器，其特征在于所述的风力机模拟器按以下步骤模拟风力机特性运行：

步骤1：首先所述的风力机模拟器上位机监控***进行参数设置，所述参数包括风电场空气密度、待测风电机组类型、风电机组额定功率、风电机组轮毂高度、风电机组叶轮半径及模拟时间尺度；所述的风力机模拟器上位机监控***读入风力发电机厂家提供的额定功率曲线，所述的风力机模拟器上位机监控***根据待测风电机组及环境参数自动生成常规自然风速曲线，供所述的PLC单元实时读取；

步骤2：所述的风力机模拟器上位机监控***进行***自检，检查无误后发送指令到所述的PLC单元中，启动所述的变桨矩***模拟模块和***保护功能模拟模块，同时在所述的PLC单元中运行风力机特性模拟算法；

步骤3：所述的PLC单元根据步骤1设置的待测风电机组参数，在每个控制周期T_s内，实时计算出由于塔影效应及风剪效应引起的等效风速扰动v_ed，将等效风速扰动v_ed叠加到该控制周期T_s内读取的步骤1中生成的常规自然风速曲线数据上；

步骤4：所述的PLC单元根据贝叶茨理论，计算出待测风力机实时吸收的风能和输出气动转矩，风力机吸收的机械功率P_m使用如下公式表示：

$P_m=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}^3$

其中C_p为风能利用系数，R为风力机叶轮半径，v为风速，ρ为空气密度；风能利用系数C_p为叶尖速比λ与桨距角β的函数，叶尖速比λ为叶尖速度与风速的比值，表达式为：

λ＝Rω/v_wind

其中，ω为风力机风轮旋转角速度，更进一步地，风力机输出气动转矩T_m由下式得出：

$T_m=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^3{v}^2{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})/\mathrm{\λ}$

步骤5：对拖动电机输出的转矩进行修正，通过转矩修正后，补偿风力机模拟器的转动惯量，最后发送修正后的实时转矩指令到所述的拖动变频器，控制拖动电机运行，模拟风力机特性；同时，在每个控制周期中，所述的PLC单元通过信号采集转换器实时采集转速、转矩信号，验证输出转矩的正确性；

步骤6：在一个模拟周期内，所述的变桨矩***模拟程序模块和***保护功能模拟模块循环运行，分别执行给定的桨距角输出指令和***保护信号指令，一旦检测到任何故障即开始紧急顺桨，保护风力机，避免飞车。

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