CN101315642A - 风力发电系统的虚拟现实仿真方法 - Google Patents

风力发电系统的虚拟现实仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟现实技术的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,根据风力发电系统运行特性和各部分的机理数学模型,采用面向对象的程序设计语言,建立风力发电系统仿真运算模块;同时运用三维建模工具和虚拟现实建模语言VRML,建立风力发电系统的虚拟现实运行环境场景,真实模拟风力发电的各种运行状态,使操作员在虚拟环境中可以完全按照真实情况进行操作处理。本发明具有三维显示、实时交互及动态仿真等特点,便于研究人员掌握各种环境下的运行特性,为设计开发风力发电机组的控制系统,安全有效应对运行中的各种突发情况提供了一个研究平台。

Description

风力发电系统的虚拟现实仿真方法
技术领域
本发明是将虚拟现实技术应用于风力发电系统的动态仿真,模拟各种情况下 风力发电的运行特性,涉及计算机虚拟现实技术和新能源发电技术领域。
背景技术
风力发电技术已发展成为新能源开发利用中最成熟的一门技术,并网风电机 组成为风电利用的最好形式,并向大型化方面发展。作为风力资源较为丰富的国 家之一,我国也加快了风电技术领域的自主开发与研究,目前全国己建成44座 风力发电场,风电装机总容量达到126万千瓦,并规划提出,到"十一五"末期, 全国风电总装机容量将达到500万千瓦。风电技术的发展和众多风电场的建立, 需要大量的运行技术人员和科研人员,要求能够熟练掌握各种情况下风力发电系 统的运行特性,并做到及时有效安全的处理。由于风力发电的特殊性,对自然环 境的依赖较大,风能的随机性和易变性,尤其是海上风电场,自然条件恶劣,不 可能随时在现场通过试验了解掌握风电系统的各种运行工况,这就使得对风电运 行特性的研究存在一定的困难,对运行人员来说,对偶然发生的特殊情况,也不 能做到及时有效的处理。采用虚拟现实仿真的技术,有助于实现对不可测、不可 视、不可摸、不可入等随机情况和危险场所进行仿真,因此建立一个与实际风力 发电场相似的仿真系统,对于研究掌握风力发电系统的运行特性是十分必要的。
发明内容
技术问题:本发明针对现有技术的不足和需要,提供一种将虚拟现实技术用 于风力发电系统、真实模拟风电系统各种运行状况的方法。 技术方案:本发明的目的通过以下的技术方案实现的:
a.建立风力发电系统的机理模型:包括自然风速的特性描述、风轮空气动
力学模型、传动系统动态模型、双馈发电机动态模型、变桨距系统模型 和电网模型;b.建立风力发电系统虚拟现实场景模型: bl.建立风力发电系统各组成部分和外部环境的三维模型; b2.将三维模型转换成为虚拟现实建模语言的文件格式; b3.利用虚拟现实建模语言确定各模型在虚拟环境中的位置关系; b4.将虚拟现实场景的文件存储于虚拟场景控制服务器; C.实现虚拟现实场景和仿真程序的交互;
Cl.根据步骤a中风力发电系统机理模型建立仿真运算程序模块;
C2.将仿真运算程序模块存储在仿真控制主机中;
c3.仿真控制主机通过控制数据采集服务器,连接外部输入设备接受指 令和数据输入,通过步骤cl中建立的仿真运算程序模块进行仿真计算;
c4.仿真计算结果输出至虚拟场景控制服务器,驱动虚拟场景模型数据
在输出显示设备中进行三维多媒体动态展现; 本发明中自然风速的特性描述由平稳风速、渐变风风速、阵风风速、随机风 风速组成:
平稳风速f;。由风场平均风速P描述,&。=P;
渐变风风速J^:
rw= ^ax^^; ^"^",其中/?^为渐变风风速最大值,
o f > L + K
^为风速渐变开始时间,T^为风速渐变结束时间,r,为渐变风速保持时间; 阵风风速^g描述风速突然变化的特性:
其他
G^{1-咖2对^]} ^s"rlg+rg,其中G雌为阵风风速
峰值,T^为阵风周期,7Jg为阵风开始时间;
随机风风速^„由均值为零,方差为1的随机噪声序列描述; 实际的自然风速v由以上4种风速叠加:v = ^。+「w+^g+^„,当进行某种 特殊情况下仿真时,根据需要,实际自然风速v也可以由以上4种风速分别表示。本发明的风轮空气动力学模型以下公式表示:
尸为气动功率,p为空气密度,v为风速,i?为风轮半径,Cp为功率系数 本发明的传动系统动态模型由下式表示:
d份w
其中等价转动惯量^=^+4,等价风轮转矩?:=~5—,人为风轮转动惯量,
尺:
""gear ikgea;*
^为发电机转动惯量,?;为风轮转矩,Tg为发电机电磁转矩,i^。,为齿轮箱的 传动比,〜为风轮转速。
本发明的双馈发电机动态模型由矢量控制中坐标变换原理,在任意速度旋转 的坐标系统中和三相对称条件下,按定子侧服从发电机惯例,转子侧服从电动机 惯例建立动态模型-
《4-,+仏 »v = W+(A — +〜 = — (w — wr)w+/^fr
式中:"为电压,/为电流,^为磁链,Z,为转子自感,^为定子自感,k
为定转子互感,及为电阻,^定子电压角频率,^为转子角频率,^=^-^=5^
为转差角频率,〜为发电机极对数,J为转子转动惯量,T^为发电机输入机械 转矩;户为微分算子,下标s, r, q, d分别表示定子侧量、转子侧量、q轴分 量、d轴分量,以上转子各量均已折算至定子侧。
本发明的变桨距系统模型,在饱和极限范围内,即桨距角-5°〜88°和变桨 距速率10。"时,变桨距执行系统表现出线性特性,动态模型由一阶惯性环节描
述:—a,其中,^为时间常数,^为参考节距角,即控制器给出
的桨距角设定值,A为系统输出值,即桨距角实际值。本发明的电网模型由实际电网电压和频率来描述,电网电压为220V,频 率为我国通用电网频率50Hz。
有益效果:本发明将虚拟现实技术用于风力发电场的仿真系统,可以随时模 拟各种运行工况,准确掌握风力发电系统的运行特性,为科研和运行人员设计开 发风力发电机组的控制系统,安全有效应对运行中的各种突发情况提供了一个与 实际系统几乎相同的研究平台。
附图说明
图1是虚拟风力发电系统运行环境构成。
图2是风力发电系统虚拟现实仿真拓扑结构图。
具体实施方式
本实施例的风力发电系统的虚拟现实仿真方法是,将计算机多媒体的虚拟现 实技术用于风力发电系统模拟风力发电系统运行的状况,如图1所示,包括以下 步骤:
a.建立风力发电系统的机理模型,包括自然风速的特性描述,风轮空气动力 学模型、传动系统动态模型、双馈发电机动态模型、变桨距系统模型和电网模型; 自然风速的特性描述由平稳风速、渐变风风速、阵风风速、随机风风速组成-平稳风速^。由风场平均风速P描述,^a=P;
渐变风风速^,:
<formula>formula see original document page 8</formula>
,其中&ax为渐变风风速最大值,
^为风速渐变开始时间,J^为风速渐变结束时间,i;为渐变风速保持时间;
阵风风速rwg描述风速突然变化的特性:
其他
^{1-咖2对^]} 7!^K^+^,其中G鹏为阵风风速峰值,Tg为阵风周期,T^为阵风开始时间;
随机风风速^"由均值为零,方差为1的随机噪声序列描述; 实际的自然风速v由以上4种风速叠加:v-^ + f^+f^+^,当进行某种 特殊情况下仿真时,根据需要,实际自然风速v也可以由以上4种风速分别表示; 风轮空气动力学模型以下公式表示-
尸为气动功率,p为空气密度,v为风速,i?为风轮半径,Cp为功率系数;
传动系统动态模型由下式表示:rw-t;-j,^,等价转动惯量
•^=4+j,等价风轮转矩(-i,其中^为风轮转动惯量,^为发电机
Ageflr A gear
转动惯量,?;为风轮转矩,^e。,为齿轮箱的传动比,〜为风轮转速;不考虑传
动轴的柔性,将轮毂、低速齿轮、高速齿轮、传动轴组成的传动系统看作刚性连
接;
双馈发电机动态模型,由矢量控制中坐标变换原理,在任意速度旋转的坐标 系统中和三相对称条件下,按定子侧服从发电机惯例,转子侧服从电动机惯例建 立动态模型-
〜=-仏-,* + ^ 仏-喷砂+仏 〜=仏+ (浴,-必,* + =仏-(M - w, +评*
^二-(丄s+丄mXfc+Z丄,
式中:"为电压,Z'为电流,^为磁链,^为转子自感,A为定子自感,丄„ 为定转子互感,及为电阻,^定子电压角频率,^为转子角频率,W2=q-为转差角频率,〜为发电机极对数,J为转子转动惯量,;为发电机输入机械 转矩;p为微分算子,下标s, r, q, d分别表示定子侧量、转子侧量、q轴分 量、d轴分量,以上转子各量均已折算至定子侧。变桨距系统模型,在饱和极限范围内,即桨距角-5°〜88°和变桨距速率 HT"时,变桨距执行系统表现出线性特性,动态模型由一阶惯性环节描述-
字=+(~-釣,其中,7>为时间常数,~为参考节距角,即控制器给出的桨
距角设定值,々为系统输出值,即桨距角实际值;
电网模型,由实际电网电压和频率来描述,电网电压为220V,频率为我国 通用电网频率50Hz。
b. 建立风力发电系统虚拟现实场景模型;
bl.利用三维建模工具软件AutoCAD、 3DMAX等建立风力发电系统各组成 部分和外部环境的三维造型,进行编辑加工和动画渲染;也可以通过VRML 书写源代码,生成文本文件直接建立,或者简单部件通过VRML直接编写, 复杂部件通过3D MAX建模,再转换成VRML文件格式,导入虚拟场景中; b2.再将这些模型转换成虚拟现实建模语言VRML的文件格式; b3.将模型导入VRML制作工具中以编辑各模型之间在虚拟环境中的位置 和关系,形成相关文件,组成局部的虚拟环境和统一的整体环境; b4.将虚拟现实场景的文件存储于虚拟场景控制服务器;
c. 实现虚拟现实场景和仿真程序的交互;
cl.采用面向对象的程序设计语言C屮+或MATLAB、 JAVA语言,根据a 中的风力发电系统机理模型,通过数字仿真的龙格库塔方法,编制各动态 模型的运算程序,建立风力发电系统仿真运算程序模块; c2.将仿真运算程序模块存储在仿真控制主机中;
c3.仿真控制主机通过控制数据采集服务器,连接外部输入设备接受指令 和数据输入,通过步骤cl中建立的仿真运算程序模块进行仿真计算; c4.利用VRML提供的外部应用程序接口,将仿真计算结果输出至虚拟场 景控制服务器,驱动虚拟场景模型数据在输出显示设备中进行三维多媒体 动态展现。
本实施例中的风力发电系统各组成部件可以建立各自的虚拟模型,组成局部 虚拟环境,形成仿真子系统,进行局部的虚拟现实仿真;各子系统还可以独立作 为虚拟仿真系统,实现风电发电系统各部分特性的虚拟仿真,同时也可以通过整 体虚拟模型实现各子系统的互联,实现风力发电系统整体运行过程仿真。本实施例所采用的硬件设备如图2所示,各硬件设备采用局域网总线连接, 通信接口的实现采用面向连接的Socket;外部输入输出设备与各相关服务器之 间采用通用串行总线接口;用户与仿真系统交互的输入设备使用头盔显示器、数 据手套等传感设备,鼠标、键盘、操纵杆等输入设备,输出设备可以使用显示器、 投影仪、音箱。
用户通过外部输入设备向控制数据采集服务器发送控制指令,控制数据采集 服务器在每个仿真时间点完成对控制输入数据的实时采集与格式转换,并通过局 域网发往仿真控制主机,作为仿真系统的输入。仿真控制主机产生整个系统的仿 真时钟,在获得系统每个仿真时间点的输入后计算系统在各个时间点上的状态和 输出,并把仿真输出结果发往场景控制服务器,场景控制服务器在收到仿真控制 主机发出的输出结果后,驱动场景数据模型进行多通道三维场景显示。
本实施例建立的风力发电仿真系统包括最大风能追踪仿真、变桨距系统仿 真、双馈发电机特性仿真、风力发电机并网与脱网仿真、偏航系统仿真等,真实 模拟风力发电机启动、并网、调速、对风、补偿、停机等整个运行过程。能够建 立风力发电系统的虚拟现实运行环境场景,真实模拟风力发电的各种运行状态, 使操作员在虚拟环境中可以完全按照真实情况进行操作处理。本实施例具有三维 显示、实时交互及动态仿真等特点,便于研究人员掌握各种环境下的运行特性, 为设计开发风力发电机组的控制系统,安全有效应对运行中的各种突发情况提供 了一个研究平台。

Claims (7)

1、一种风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于将虚拟现实技术用于风力发电系统模拟风力发电系统运行的状况,包括以下步骤: a.建立风力发电系统的机理模型:包括自然风速的特性描述、风轮空气动力学模型、传动系统动态模型、双馈发电机动态模型、变桨距系统模型和电网模型; b.建立风力发电系统虚拟现实场景模型: b1.建立风力发电系统各组成部分和外部环境的三维模型; b2.将三维模型转换成为虚拟现实建模语言的文件格式; b3.利用虚拟现实建模语言确定各模型在虚拟环境中的位置关系; b4.将虚拟现实场景的文件存储于虚拟场景控制服务器; c.实现虚拟现实场景和仿真程序的交互; c1.根据步骤a中风力发电系统机理模型建立仿真运算程序模块; c2.将仿真运算程序模块存储在仿真控制主机中; c3.仿真控制主机通过控制数据采集服务器,连接外部输入设备接受指令和数据输入,通过步骤c1中建立的仿真运算程序模块进行仿真计算; c4.仿真计算结果输出至虚拟场景控制服务器,驱动虚拟场景模型数据在输出显示设备中进行三维多媒体动态展现。
2. 根据权利要求1所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于所述自然风速的特性描述由平稳风速、渐变风风速、阵风风速、随机风风速组成: 平稳风速^。由风场平均风速7描述,rw。=P;渐变风风速^,:<formula>formula see original document page 2</formula> ,其中i?^为渐变风风速最大值,^为风速渐变开始时间,^为风速渐变结束时间,i;为渐变风速保持时间;阵风风速^g描述风速突然变化的特性:其他,其中G^为阵风风速峰值,rg为阵风周期,T^为阵风开始时间;随机风风速^"由均值为零,方差为1的随机噪声序列描述; 实际的自然风速v由以上4种风速叠加:v = f;a+Fw,+Kwg + Fw„,当进行某种特殊情况下仿真时,根据需要,实际自然风速v也可以由以上4种风速分别表示。
3. 根据权利要求1所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于所 述风轮空气动力学模型以下公式表示:P为气动功率,^为空气密度,v为风速,/?为风轮半径,Cp为功率系数
4. 根据权利要求1所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于 所述传动系统动态模型由下式表示:<formula>formula see original document page 3</formula>其中等价转动惯量力=^+j,等价风轮转矩《=|^为风轮转动惯j^为发电机转动惯量,?;为风轮转矩,Tg为发电机电磁转矩,i^^为齿轮箱的 传动比,^为风轮转速。
5.根据权利要求i所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于所 述双馈发电机动态模型由矢量控制中坐标变换原理,在任意速度旋转的坐标系统 中和三相对称条件下,按定子侧服从发电机惯例,转子侧服从电动机惯例建立动态模型:<formula>formula see original document page 3</formula>式中:"为电压,Z为电流,^为磁链,^为转子自感,A为定子自感,A„ 为定转子互感,i?为电阻,q定子电压角频率,^为转子角频率,^=^-^=5^ 为转差角频率,"p为发电机极对数,J为转子转动惯量,?;为发电机输入机械 转矩;p为微分算子,下标s, r, q, d分别表示定子侧量、转子侧量、q轴分 量、d轴分量,以上转子各量均己折算至定子侧。
6. 根据权利要求1所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于所 述变桨距系统模型,在饱和极限范围内,即桨距角-5°〜88°和变桨距速率1(T" 时,变桨距执行系统表现出线性特性,动态模型由一阶惯性环节描述:手=+(~-"),其中,r-为时间常数,~为参考节距角,即控制器给出的桨距角设定值,A为系统输出值,即桨距角实际值。
7. 根据权利要求1所述的风力发电系统的虚拟现实仿真方法,其特征在于所 述电网模型由实际电网电压和频率来描述,电网电压为220V,频率为我国通用 电网频率50Hz。
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