CN106949019A - 风力机模拟器的模拟性能的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机模拟器(Wind Turbine Simulator，WTS)的模拟性能的评价方法，特别是一种验证风力机模拟器能否准确模拟真实风机的评价方法，通过比较不同风速的恒定风速下的稳态C_P与C_Pmax验证风机模拟器是否准确模拟了实际风力机的静态特性，通过在相同的湍流风速序列下对同种风机进行动模实验和仿真，比较实验和仿真结果中机械动态和电气动态两方面的参数，确定风机模拟器能否准确模拟实际风力机的动态特性，综合风机模拟器对实际风机动静态特性的模拟情况衡量风机模拟器设计是否成功。本发明解决了风力机模拟器因缺乏系统的性能评价方法导致模拟器模拟性能参差不起的问题，有助于提高风力机模拟器模拟的准确性和实用性。

Description

风力机模拟器的模拟性能的评价方法

技术领域

本发明属于风力机模拟器领域，特别是一种风力机模拟器的模拟性能的评价方法。

背景技术

为了更好的研究风电系统在各种工况下静态响应与暂态响应，仅仅通过仿真验证是完全不够的，必须与硬件相结合才可以证明控制策略以及整个系统的可靠性。而在实际风场中进行实验验证对于实验室条件又不现实，因为实际风场造价高，周期长，而且对周围的环境要求也相当的高，这些都是实验室条件下提供不了的。为了能对风电系统进行实验研究验证，用风电模拟系统代替实际风电系统是非常有必要的。而风力机模拟器(WTS)是模拟风电系统最核心的。可以模拟不同风况下的风力发电系统进行研究。也可以对风轮叶片气动、电气变流技术等其他领域进行功能测试。对风力发电的优化、设计起到很重要的作用。

风力机模拟器模拟实际风力机输出特性，目前的风电模拟系统通过控制变流器、变频器等来模拟风力机，需要一套系统的评价方法，对风力机模拟器的模拟性能进行衡量，来验证风力机是否设计成功，能否准确模拟实际风力机的输出特性。但是目前关于风力机模拟器的文献中，在验证风机模拟器时都是比较功率或转矩等参数的曲线与仿真的曲线的趋势吻合程度，缺乏定量比较，是粗略的局限的。这样会导致无法准确地评价所设计的风力机模拟器是否准确，从而影响风机模拟实验和设计实际风力机，更好的模拟不同风速下风力机的静态特性和暂态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力机模拟器的模拟性能的评价方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种风力机模拟器的基于缩放比的阻尼补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、进行不同风速恒定风下对某种型号风机的模拟实验，比较稳态C_P与C_Pmax，确定风机模拟器模拟实际风机静态特性的性能；

步骤2、进行相同湍流风下对相同风力机的动态模拟实验和FAST仿真；

步骤3、比较动模实验和仿真结果中的机械动态和电气动态的参数，确定模拟器模拟实际风机动态特性的性能；

步骤4、根据模拟器的动静态模拟性能验证模拟器设计的成功与否。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明首次提出了一个风力机模拟器的模拟性能的评价方法，解决了因缺乏模拟器评价方法导致无法判断模拟真实风机的模拟器是否设计成功的问题；2)本发明公开了风力机模拟器的模拟性能的评价方法的详细步骤，简单易行。

附图说明

图1为本发明的风力机模拟器的模拟性能的评价方法的流程图。

图2为用于验证本发明的具体模拟器结构图。

图3为根据实验结果按两种方法拟合的阻尼特性。

图4为进行验证实验所用的湍流风风速序列。

图5为未采用和分别采用了两种阻尼补偿方法后在湍流风速下风力机模拟器WTS和仿真软件FAST的转速轨迹图，其中图(a)是未进行阻尼补偿的仿真实验转速对比，图(b)是线性补偿与FAST仿真对比，图(c)是非线性补偿与FAST仿真对比。

具体实施方式

本发明提供了一种方法去评价风力机模拟器的模拟性能，能够较为系统地评价风力机模拟器的模拟性能，通过这个评价方法，可以在风机使风机模拟器进行模拟实际风机的研究和设计中更加方便。

一种风力机模拟器的模拟性能的评价方法，包含以下步骤：

步骤1、在不同风速的恒定风下对某种型号风机进行模拟实验，比较稳态风能利用系数C_P与最大风能利用系数C_Pmax，确定风机模拟器模拟实际风机静态特性的性能；

进行模拟的时候，风机模拟器在恒定风下是运行在稳态的C_P下的，通过比较其是否能达到C_Pmax，就能确定其静态特性的模拟性能，如果能达到C_Pmax，则对风机静态特性的模拟成功，否则模拟失败。

步骤2、在相同湍流风下对相同风力机进行动态模拟实验和FAST仿真；

步骤3、比较动态模拟实验和仿真结果中的机械动态和电气动态的参数，确定模拟器模拟实际风机动态特性的性能；所述机械动态的参数就是发电机转速ω_g，比较的是实验与仿真的转速误差及其标准差；电气参数就是发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg；其中：

式中T_g为发电机电磁转矩，ω_t＝ω_g/n_g为风轮转速，n_g为齿轮箱变比，ρ为空气密度，v为风速，R为风轮半径；t_ini为模拟或仿真的起始时间，t_fin为模拟或仿真的结束时间。

步骤4、根据模拟器的动静态模拟性能验证模拟器设计的成功与否。具体如下：风能利用系数C_P达到C_Pmax，则模拟器模拟风机的静态性能成功；动态模拟实验时，发电机转速ω_g与FAST仿真的转速标准差小于20，同时发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg与FAST仿真的误差小于2％，则模拟器模拟风机的动态性能成功；能同时成功模拟风机的动静态性能的模拟器是成功的模拟器。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：

参照图1的具体流程图，首先验证风力机模拟器对实际风机静态特性的模拟性能。风能利用系数C_P是叶尖速比λ和桨距角β的函数，即C_P(λ,β)。当桨距角β一定时，λ的值决定了C_P的大小，C_P与λ的关系是存在最大值的单峰曲线，而λ取某一特定值λ_opt(最佳叶尖速比)时，风机的效率最大，为C_Pmax。风机的控制目的就是尽量让风机在最佳叶尖速比上运行，即C_P取最大值。在恒定风速下，模拟器以稳定C_P运行，该稳态C_P能否达到C_Pmax就成为了模拟器模拟真实风机静态特性性能的重要指标。

本发明提供的方法包括了通过比较不同风速的恒定风下的稳态C_P与C_Pmax来验证风力机模拟器模拟真实风机静态特性的。当桨距角β为0时，C_Pmax可以为0.4603,

然后，进行湍流风下的模拟器实验和仿真。对相同型号的风力机进行模拟，在同一湍流风风速序列下，记录发电机转速ω_g，用于验证风力机模拟风机机械动态性能的验证，并计算电气参量发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg，其中：

式中T_g为发电机电磁转矩，可以根据公式T_g＝K_optω_g ²计算，T_a为气动转矩，可以根据公式计算，ω_t＝ω_g/n_g为风轮转速，n_g为齿轮箱变比，ρ为空气密度，v为风速，R为风轮半径。这里的ω_g和v是实时记录的，n_g、ρ和R可以通过查询被模拟风力机的技术手册和产品说明获得。

接下来，先通过恒定风模拟实验，确定静态性能的模拟性能，然后通过对比实验与仿真的转速轨迹、转速差及其标准差来验证模拟器的模拟性能。再通过对比实验与仿真的电气参量发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg来验证模拟器的电气动态模拟性能。最后综合静态特性、机械动态和电气动态特性三方面的比较结果验证模拟器设计的成功与否。

最后通过本实验平台的风力机模拟器对本发明的可行性进行验证，以CAT3机型的风机为仿真和实验的对象进行对比分析。

WTS实验平台建立在实验室内，其主要的构成部分如图2有：

1)一台三相异步电动机与一台永磁同步发电机构建的对拖系统；

2)1024脉冲/rpm的旋转编码器用于转速测量；

3)基于VACON变频器的电机驱动系统；

4)基于Beckhoff PLC的实时数字控制系统(real-time digital controlsystem，RTDCS)；

5)EtherCat现场总线的通讯网络；

6)温度传感器，在电机内部未标示。

风力机模拟器平台参数如表1所示。电磁转矩计算公式为:

T_g＝k_opt·ω_g ² (8)

这是风力发电机一种广泛应用的最大功率点跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)控制方法，被称为最优转矩控制，其中k_opt是最优转矩增益。

表1WTS实验平台主要参数

参数	数值
		模拟风力机额定功率	10(kW)
模拟风轮半径R	20(m)
		最大功率因素Cpmax	0.467
最优叶尖速比λ	5.81
		风力机(高速侧)转动惯量Jt	330(kgm2)
齿轮箱变比ng	43.165
		实验台转动惯量Js	0.72(kgm2)
异步电动机额定功率	15(kW),1500(RPM)
		永磁同步发电机额定功率	15(kW),1500(RPM)
异步电动机额定电流	30(A)
		永磁电机额定电流	15(A)
PLC更新周期	40(ms)

实际风力机和模拟器平台都存在摩擦阻尼，而且往往都是无法忽略的，我们通过实验测量出模拟器本身的阻尼特性，采用线性拟合和非线性拟合两种方法，如图3所示。显然，不考虑阻尼因素的模拟器在模拟实际风机时性能肯定不如进行了阻尼补偿的模拟器，同时阻尼补偿越准确模拟性能越好。

在恒定风条件下，模拟实验结果的C_P如表2所示，从表中可以发现，未进行阻尼补偿的稳态C_P与理论值(本实验模拟的CAT3机型的风机在桨距角β＝0°时C_Pmax＝0.4603)相差较大，其静态模拟性能不够好。而采用阻尼补偿后的稳态C_P明显更接近理论值。同时阻尼补偿的模型也接近效果越好，说明设计越合理的模拟器的静态特性模拟越好。说明本发明的方法可以用于评价模拟器的静态特性模拟性能。

表1恒定风条件下稳态C_P对比(C_Pmax＝0.4603)

风速/m/s	4.0	5.5	7.0	8.5	10.0
						不补偿	0.4532	0.4585	0.4590	0.4590	0.4594
非线性补偿	0.4602	0.4603	0.4603	0.4603	0.4603
						线性补偿	0.4593	0.4599	0.4603	0.4603	0.4603

湍流风实验结果如图5所示从图(b)和图(c)可以发现，采用阻尼补偿后的转速轨迹和FAST仿真的结果基本重合在一起，而且两者误差的极值也在50以内，而图(a)中未采用基于缩放比的阻尼补偿后的误差甚至达到200。如表3所示，实验结果与FAST转速误差的标准差也比不进行阻尼补偿的小很多。验证了本发明的方法可以用于评价模拟器模拟风机机械动态特性的性能。

表2实验结果与FAST转速误差的标准差

	与FAST转速误差的标准差
		不补偿	33.3981
线性补偿	13.7183
		非线性补偿	12.5044

对比设计的不补偿、线性补偿和非线性补偿三种方法的模拟器对电气参数的影响，采用阻尼补偿后，实验结果更接近FAST仿真，同时，非线性补偿方法明显优于线性补偿。阻尼对发电机电气参数的影响尤其明显，线性补偿的效率偏大是因为在图3中在转速750～1250rpm中阻尼较大导致，由此可见，阻尼模型的准确对发电机电气参数的影响是很明显的。由此验证了本方法可以用于评价模拟器模拟风机电气动态特性的性能。

表3电气参数对比

	气动效率	Pfavg	ηaero	ηelec	ηelec/ηaero
						不补偿	0.4064	0.3432	0.8829	0.7456	84.4％
线性补偿	0.4396	0.4204	0.9550	0.9133	95.6％
						非线性补偿	0.4377	0.4120	0.9509	0.8951	94.1％
FAST	0.4423	0.4158			94.0％
						平均风速	5.3565

从表格4中可以看出，进行了阻尼补偿的模拟方法，其发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg与FAST仿真的误差不超过2％，模拟器模拟风机电气动态特性成功。

以上的三步说明了本发明的可以用于评价模拟器的性能，验证了本发明的可行性和实用性。

Claims (4)

1.一种风力机模拟器的模拟性能的评价方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、在不同风速的恒定风下对某种型号风机进行模拟实验，比较稳态风能利用系数C_P与最大风能利用系数C_Pmax，确定风机模拟器模拟实际风机静态特性的性能；

步骤2、在相同湍流风下对相同风力机进行动态模拟实验和FAST仿真；

步骤3、比较动态模拟实验和仿真结果中的机械动态和电气动态的参数，确定模拟器模拟实际风机动态特性的性能；

步骤4、根据模拟器的动静态模拟性能验证模拟器设计的成功与否。

2.根据权利要求1所述的风力机模拟器的模拟性能的评价方法，其特征在于，步骤1进行模拟的时候，风机模拟器在恒定风下是运行在稳态的C_P下的，通过比较其是否能达到C_Pmax，就能确定其静态特性的模拟性能，如果能达到C_Pmax，则对风机静态特性的模拟成功，否则模拟失败。

3.根据权利要求1所述的风力机模拟器的模拟性能的评价方法，其特征在于，步骤3中机械动态的参数就是发电机转速ω_g，比较的是实验与仿真的转速误差及其标准差；电气参数就是发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg；其中：

${\mathrm{\η}}_{elec}/{\mathrm{\η}}_{aero}=\frac{{\∫}_{t_{ini}}^{t_{fin}}{T}_g\·{\mathrm{\ω}}_{g}dt}{{\∫}_{t_{ini}}^{t_{fin}}{T}_a\·{\mathrm{\ω}}_{t}dt}$

$P_{favg}=\frac{{\∫}_{t_{ini}}^{t_{fin}}{T}_g\·{\mathrm{\ω}}_{g}dt}{{\∫}_{t_{ini}}^{t_{fin}}\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{v}^{3}dt}$

式中T_g为发电机电磁转矩，ω_t＝ω_g/n_g为风轮转速，n_g为齿轮箱变比，ρ为空气密度，v为风速，R为风轮半径；t_ini为模拟或仿真的起始时间，t_fin为模拟或仿真的结束时间。

4.根据权利要求1所述的风力机模拟器的模拟性能的评价方法，其特征在于，步骤4根据模拟器的动静态模拟性能验证模拟器设计的成功与否具体如下：风能利用系数C_P达到C_Pmax，则模拟器模拟风机的静态性能成功；动态模拟实验时，发电机转速ω_g与FAST仿真的转速标准差小于20，同时发电效率η_elec/η_aero和电能转化效率Pfavg与FAST仿真的误差小于2％，则模拟器模拟风机的动态性能成功；能同时成功模拟风机的动静态性能的模拟器是成功的模拟器。