CN111120222A - 一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，包括模拟器控制系统和机电随动系统，所述模拟器控制系统包括软件系统和硬件系统，所述模拟器控制硬件系统包括工控机、数据采集卡。所述模拟器控制软件系统包括风速生成模型、风机尖速比估计模型、风机桨距角控制模型、风能利用系数模型、风剪切及塔影效应补偿模型、风力发电机传动链模型、感应发电机模型，所述机电随动系统包括可编程控制器、直流母线电源模块、变频驱动单元、变频发电单元、驱动电机、负载电机、转速转矩仪、试验台架。本发明用于实验室环境下风力发电过程的模拟和风力发电控制策略的研究应用。

Description

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电模拟装置，特别是具有风剪切和塔影效应并用于模拟真实工况风力发电过程的试验装置及方法。

背景技术

风力发电机一般安装在地处戈壁、荒野、高山等风能资源较好的偏远区域，运行环境较为恶劣。风电齿轮箱作为风力发电机中的核心部件，长期运行于剧烈的交变载荷工况下。此外，偏远地区的昼夜温差、风沙影响，风电齿轮箱制造、装配误差以及自身的磨损、润滑不良的因素，均会造成风电齿轮箱部件的损伤。一旦设备因故障而发生停机，不仅维修难度较大且维修成本高昂，造成的经济损失亦不可估量。面对上述风力发电过程中可能出现的问题，有必要采取相关技术手段对风力发电过程进行研究，从而保障风力发电机组的安全可靠性，提升风力发电的效益。

传统的风电齿轮箱试验台作为仅用于产品研发、出厂、定型的试验装置，往往只能对风电齿轮箱进行一些基础试验；而自然风具有较强的不确定性，且风电齿轮箱的现场环境恶劣，难以对风电齿轮箱的运行工况进行有效且可控的复现。此外，受限于全功率风电齿轮箱的试验环境和试验成本，无法在实验室环境下有效模拟风力发电运行过程中的瞬态特性和稳态特性。因此，有必要在实验室环境下构建风力发电模拟试验平台，可控复现风力发电过程。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种尺度缩小且具有真实工况的风力发电模拟装置及方法，用于实验室环境下风力发电过程的模拟和风力发电控制策略的研究应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，所述装置包括模拟器控制系统和机电随动系统，所述模拟器控制系统包括软件系统和硬件系统，所述模拟器控制硬件系统包括工控机、数据采集卡，所述模拟器控制软件系统包括、风速生成模型、风机尖速比估计模型、风机桨距角控制模型、风能利用系数模型、风剪切及塔影效应补偿模型、风力发电机传动链模型和感应发电机模型；所述机电随动系统包括可编程控制器、直流母线电源模块、变频驱动单元、变频发电单元、驱动电机、负载电机、转速转矩仪、试验台架，所述直流母线电源模块与所述变频驱动单元、所述变频发电单元通过直流母线连接，实现直流能量共享；所述变频驱动单元与所述驱动电机连接，所述变频发电单元与所述负载电机连接；所述可编程控制器通过工业以太网分别与所述变频驱动单元、所述变频发电单元连接，所述驱动电机、所述转速转矩仪与所述负载电机依次沿轴线安装在所述试验台架上，所述驱动电机的输出轴与所述转速转矩仪的一端连接，所述转速转矩仪的另一端与所述负载电机的输出轴连接。

进一步，所述数据采集卡与所述转速转矩仪连接，实时测量风力发电模拟装置的动力学工况。

再进一步，所述工控机与所述可编程控制器通过工业以太网连接，实现实时控制数据下发。

更进一步，所述可编程控制器与所述变频驱动单元、所述变频发电单元分别通过高速数据总线连接。

再进一步，所述驱动电机和所述负载电机为三相异步交流电机，所述驱动电机处于正向电动状态，用以模拟风电齿轮箱的高速轴输出动力源，所述负载电机处于反向回馈发电状态，用以模拟风力发电机。

更进一步，所述变频驱动单元通过矢量转矩控制方式控制所述驱动电机输出给定转矩，所述变频发电单元通过矢量转速控制方式控制所述驱动电机输出给定转速。

优选的，所述直流母线电源模块为三相整流桥结构，将电网的三相电整流为直流电，为直流母线提供电能。所述变频驱动单元从所述直流母线汲取直流电能，逆变输出三相变频交流电，用以驱动所述驱动电机运行；所述变频发电单元将负载电机发电生成的交流电整流为直流电能，回馈至所述直流母线。

优选的，所述直流母线还连接有可控制动单元，当直流母线中的回馈电能超过消耗电能时，所述可控制动单元采用电阻热消耗方式消耗多余电能，实现对直流母线的过电压保护。

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟方法，包括以下步骤：

步骤1)首先在所述工控机上进行参数设置，对试验过程的内容进行初始化；

步骤2)计算等效风速模型；

所述风速生成模型选用Kaimal功率谱密度函数模型：

其中，V_hub表示轮毂中心处的平均风速，f表示风速变化频率，k表示风速的方向(1表示水平纵向方向，2表示水平侧向方向，3表示竖置方向)，S_k表示风速概率谱密度函数，L_k表示积分比例系数，σ_k表示风速标准差；

结合风速概率谱密度函数，通过离散化的采样，将概率谱密度函数划分成N个区间段，每个区间段对应一个频率点，该区间段的面积平方即为风速在这个频率点上对应的幅值，最后将不同频率点上的频率成分叠加得到风速模型，计算方法如下：

其中，v₀表示风速的平均速度，A_i表示第i个分量的频率幅值，ω_i表示第i个分量的角频率；

是随机的初始相位角，取值在0到π间；

步骤3)分析计算风机风轮动力学过程

在得到风速生成模型的基础上，采用风机尖速比估计模型和风机桨距角控制模型计算风机此刻的尖速比和桨距角，并将对应的估计参数输入至风能利用系数估计模型中，从而得到风力机风轮动力学过程；

步骤4)引入风剪切及塔影效应补偿模型

得到风力机风轮动力学模型后，结合风轮运行时存在的风剪切效应和塔影效应，对风速模型进行修正；修正后的风速模型可以近似看做为原有随机风速模型以及风剪切效应、塔影效应的叠加和，其表达式为：

v(t,r,θ)＝V_h(t)[1+W_shear(r,θ)+W_tower(r,θ,x)]

其中，W_shear表示风剪切因子，W_tower表示塔影效应因子，其表达式如下：

其中，V_h为轮毂在平均风速，α为风剪切效应的经验系数，a是塔筒半径，x是风机轮毂中心到塔筒的水平距离，r表示桨叶上一点到轮毂中心的半径，θ表示桨叶旋转过的角度；

步骤5)修正风力发电机风轮动力学模型

对于一个三桨叶的水平风力发电机而言，风轮扭矩的动力学模型表达为：

步骤6)建立风力发电机高速轴输出端动力学模型

风力发电机风轮主轴和发电机机械传动部件可以被简化为一个扭转振动模型：

其中，其中，J_t、J_g分别表示风力发电机风轮转子和发电机的瞬时惯性质量，T_t、T_g分别表示风机风轮转子的输入扭矩和发电机的电磁扭矩，θ_t、θ_g分别表示为风轮转子和发电机随时间变化的角度值，D和K分别对应系统的等效阻尼和等效刚度系数；

步骤7)输出驱动电机和负载电机的控制策略

在计算得到风力发电机高速轴输出转矩、转速实时值后，工控机将通过工业以太网将控制数据下发至所述可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过高速数据总线将控制字数据发送至所述变频驱动单元、所述变频发电单元，完成风力发电机的动力学过程模拟。

本发明的技术构思为：本发明的装置采用电惯量模拟方式，简化了传统试验中风力发电试验过程机械结构复现，通过将动力学传动过程的参数虚拟化，有效模拟了风力机输出轴的机械动能，省略了大惯量的风轮结构、风电齿轮箱传动架构的安装，大大缩小了试验环境的空间尺寸，为不同型号风力机提供了灵活的发电过程模拟，减少了试验成本。

本发明的有益效果主要表现在：(1)结合电惯量模拟技术，采用计算机辅助的传动结构参数化虚拟化方法，大幅提升了不同风力发电机的风力发电试验模拟；(2)引入风剪切效应和塔影效应，更真实还原复现风力发电过程，呈现了风力发电过程中风轮主轴转轴振荡的动态特性；(3)使用共直流母线的电封闭技术，提升了试验过程中能量的利用效率，降低了长时间试验过程的成本。

附图说明

图1是风力发电模拟装置的整体结构示意图。

图2风力发电模拟装置是测控系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种风力发电模拟装置，所述装置包括模拟器控制系统1和机电随动系统2，所述模拟器控制系统1包括软件系统1-1和硬件系统1-2。所述模拟器控制硬件系统包括工控机1-2-1、数据采集卡1-2-2。所述模拟器控制软件系统包括风速生成模型1-1-1、风机尖速比估计模型1-1-2、风机桨距角控制模型1-1-3、风能利用系数模型1-1-4、风剪切及塔影效应补偿模型1-1-5、风力发电机传动链模型1-1-6、感应发电机模型1-1-7；

所述机电随动系统2包括可编程控制器2-1、直流母线电源模块2-2、变频驱动单元2-3、变频发电单元2-4、驱动电机2-5、负载电机2-6、转速转矩仪2-7、试验台架2-8，所述直流母线电源模块2-2与所述变频驱动单元2-3、所述变频发电单元2-4通过直流母线2-2-1连接，实现直流能量共享，所述变频驱动单元2-3与所述驱动电机2-5连接，所述变频发电单元2-4与所述负载电机2-6连接，所述可编程控制器2-1通过工业以太网分别与所述变频驱动单元2-3、所述变频发电单元2-4连接，所述驱动电机2-5、所述转速转矩仪2-7与所述负载电机2-6依次沿轴线安装在所述试验台2-8上，所述驱动电机2-5的输出轴与所述转速转矩仪2-7的一端连接，所述转速转矩仪2-7的另一端与所述负载电机2-6的输出轴连接。

所述数据采集卡1-2-2与所述转速转矩仪2-7连接，实时测量风力发电模拟装置的动力学工况。

所述工控机1-2-1与所述可编程控制器2-1通过工业以太网连接，实现实时控制数据下发。

所述可编程控制器2-1与所述变频驱动单元2-3、所述变频发电单元2-4分别通过高速数据总线连接。

所述驱动电机2-5和所述负载电机2-6为三相异步交流电机，所述驱动电机2-5处于正向电动状态，用以模拟风电齿轮箱的高速轴输出动力源，所述负载电机2-6处于反向回馈发电状态，用以模拟风力发电机。

所述变频驱动单元2-3通过矢量转矩控制方式控制所述驱动电机2-5输出给定转矩，所述变频发电单元2-4通过矢量转速控制方式控制所述驱动电机2-5输出给定转速。

所述直流母线电源模块2-2为三相整流桥结构，将电网的三相电整流为直流电，为直流母线提供电能。所述变频驱动单元2-3从所述直流母线2-2-1汲取直流电能，逆变输出三相变频交流电，用以驱动所述驱动电机2-5运行，所述变频发电单元2-4将负载电机2-6发电生成的交流电整流为直流电能，回馈至所述直流母线2-2-1。

所述直流母线还连接有可控制动单元2-9，当直流母线中的回馈电能超过消耗电能时，所述可控制动单元2-9采用电阻热消耗方式消耗多余电能，实现对直流母线2-2-1的过电压保护。

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟方法，包括以下步骤：

步骤1)首先在所述工控机1-2-1上进行参数设置，对试验过程的内容进行初始化；

步骤2)计算等效风速模型。

所述风速生成模型1-1-1选用Kaimal功率谱密度函数模型：

其中，V_hub表示轮毂中心处的平均风速，f表示风速变化频率，k表示风速的方向(1表示水平纵向方向，2表示水平侧向方向，3表示竖置方向)，S_k表示风速概率谱密度函数，L_k表示积分比例系数，σ_k表示风速标准差；

结合风速概率谱密度函数，通过离散化的采样，将概率谱密度函数划分成N个区间段，每个区间段对应一个频率点，该区间段的面积平方即为风速在这个频率点上对应的幅值，最后将不同频率点上的频率成分叠加即可得到风速模型，计算方法如下：

其中，v₀表示风速的平均速度，A_i表示第i个分量的频率幅值，ω_i表示第i个分量的角频率；

是随机的初始相位角，取值在0到π间；

步骤3)分析计算风机风轮动力学过程

在得到风速生成模型的基础上，采用风机尖速比估计模型1-1-2和风机桨距角控制模型1-1-3计算风机此刻的尖速比和桨距角，并将对应的估计参数输入至风能利用系数估计模型1-1-4中，从而得到风力机风轮动力学过程；

步骤4)引入风剪切及塔影效应补偿模型

得到风力机风轮动力学模型后，结合风轮运行时存在的风剪切效应和塔影效应，引入风剪切及塔影效应补偿模型1-1-5对风速模型进行修正。修正后的风速模型可以近似看做为原有随机风速模型以及风剪切效应、塔影效应的叠加和，其表达式为：

v(t,r,θ)＝V_h(t)[1+W_shear(r,θ)+W_tower(r,θ,x)]

其中，W_shear表示风剪切因子，W_tower表示塔影效应因子，其表达式如下：

其中，V_h为轮毂在平均风速，α为风剪切效应的经验系数，a是塔筒半径，x是风机轮毂中心到塔筒的水平距离，r表示桨叶上一点到轮毂中心的半径，θ表示桨叶旋转过的角度；

步骤5)修正风力发电机风轮动力学模型

对于一个三桨叶的水平风力发电机而言，风轮扭矩的动力学模型表达为：

步骤6)建立风力发电机高速轴输出端动力学模型

通过引入风力发电机传动链模型1-1-6，风力发电机风轮主轴和发电机机械传动部件可以被简化为一个扭转振动模型：

其中，其中，J_t、J_g分别表示风力发电机风轮转子和发电机的瞬时惯性质量，T_t、T_g分别表示风机风轮转子的输入扭矩和发电机的电磁扭矩，θ_t、θ_g分别表示为风轮转子和发电机随时间变化的角度值，D和K分别对应系统的等效阻尼和等效刚度系数；

步骤7)输出驱动电机和负载电机的控制策略

在计算得到风力发电机高速轴输出转矩、转速实时值后，工控机1-2-1将通过工业以太网将控制数据下发至所述可编程逻辑控制器2-1，所述可编程逻辑控制器2-1通过高速数据总线2-1-1将控制字数据发送至所述变频驱动单元2-3、所述变频发电单元2-4，完成风力发电机的动力学过程模拟。

Claims (5)

1.一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，其特征在于：所述装置包括模拟器控制系统和机电随动系统，所述模拟器控制系统包括软件系统和硬件系统，所述模拟器控制硬件系统包括工控机和数据采集卡，所述模拟器控制软件系统包括风速生成模型、风机尖速比估计模型、风机桨距角控制模型、风能利用系数模型、风剪切及塔影效应补偿模型、风力发电机传动链模型和感应发电机模型，所述机电随动系统包括可编程控制器、直流母线电源模块、变频驱动单元、变频发电单元、驱动电机、负载电机、转速转矩仪和试验台架，所述直流母线电源模块与所述变频驱动单元、所述变频发电单元通过直流母线连接，实现直流能量共享；所述变频驱动单元与所述驱动电机连接，所述变频发电单元与所述负载电机连接，所述可编程控制器通过工业以太网分别与所述变频驱动单元、所述变频发电单元连接。所述驱动电机、所述转速转矩仪与所述负载电机依次沿轴线安装在所述试验台架上，所述驱动电机的输出轴与所述转速转矩仪的一端连接，所述转速转矩仪的另一端与所述负载电机的输出轴连接。

2.如权利要求1所述的具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，其特征在于：所述数据采集卡与所述转速转矩仪连接，实时测量风力发电模拟装置的动力学工况，所述工控机与所述可编程控制器通过工业以太网连接，实现实时控制数据下发，所述可编程控制器与所述变频驱动单元、所述变频发电单元分别通过高速数据总线连接。

3.如权利要求1或2所述的具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，其特征在于：所述驱动电机和所述负载电机为三相异步交流电机，所述驱动电机处于正向电动状态，用以模拟风电齿轮箱的高速轴输出动力源，所述负载电机处于反向回馈发电状态，用以模拟风力发电机；所述变频驱动单元通过矢量转矩控制方式控制所述驱动电机输出给定转矩，所述变频发电单元通过矢量转速控制方式控制所述驱动电机输出给定转速。

4.如权利要求1或2所述的具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，其特征在于：所述直流母线电源模块为三相整流桥结构，将电网的三相电整流为直流电，为直流母线提供电能；所述变频驱动单元从所述直流母线汲取直流电能，逆变输出三相变频交流电，用以驱动所述驱动电机运行；所述变频发电单元将负载电机发电生成的交流电整流为直流电能，回馈至所述直流母线；所述直流母线还连接有可控制动单元，当直流母线中的回馈电能超过消耗电能时，所述可控制动单元采用电阻热消耗方式消耗多余电能，实现对直流母线的过电压保护。

5.一种如权利要求1所述的具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置实现的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1)首先在所述工控机上进行参数设置，对试验过程的内容进行初始化；

步骤2)计算等效风速模型。

所述风速生成模型选用Kaimal功率谱密度函数模型；

其中，V_hub表示轮毂中心处的平均风速，f表示风速变化频率，k表示风速的方向，1表示水平纵向方向，2表示水平侧向方向，3表示竖置方向，S_k表示风速概率谱密度函数，L_k表示积分比例系数，σ_k表示风速标准差；

结合风速概率谱密度函数，通过离散化的采样，将概率谱密度函数划分成N个区间段，每个区间段对应一个频率点，该区间段的面积平方即为风速在这个频率点上对应的幅值，最后将不同频率点上的频率成分叠加即可得到风速模型，计算方法如下：

其中，v₀表示风速的平均速度，A_i表示第i个分量的频率幅值，ω_i表示第i个分量的角频率；

是随机的初始相位角，取值在0到π间；

步骤3)分析计算风机风轮动力学过程

在得到风速生成模型的基础上，采用风机尖速比估计模型和风机桨距角控制模型计算风机此刻的尖速比和桨距角，并将对应的估计参数输入至风能利用系数估计模型中，从而得到风力机风轮动力学过程；

步骤4)引入风剪切及塔影效应补偿模型

得到风力机风轮动力学模型后，结合风轮运行时存在的风剪切效应和塔影效应，对风速模型进行修正，修正后的风速模型可以近似看做为原有随机风速模型以及风剪切效应、塔影效应的叠加和，其表达式为：

其中，W_shear表示风剪切因子，W_tower表示塔影效应因子，其表达式如下：

其中，V_h为轮毂在平均风速，α为风剪切效应的经验系数，a是塔筒半径，x是风机轮毂中心到塔筒的水平距离，r表示桨叶上一点到轮毂中心的半径，θ表示桨叶旋转过的角度；

步骤5)修正风力发电机风轮动力学模型

对于一个三桨叶的水平风力发电机而言，风轮扭矩的动力学模型表达为：

步骤6)建立风力发电机高速轴输出端动力学模型

风力发电机风轮主轴和发电机机械传动部件被简化为一个扭转振动模型：

其中，其中，J_t、J_g分别表示风力发电机风轮转子和发电机的瞬时惯性质量，T_t、T_g分别表示风机风轮转子的输入扭矩和发电机的电磁扭矩，θ_t、θ_g分别表示为风轮转子和发电机随时间变化的角度值，D和K分别对应系统的等效阻尼和等效刚度系数；

步骤7)输出驱动电机和负载电机的控制策略

在计算得到风力发电机高速轴输出转矩、转速实时值后，工控机将通过工业以太网将控制数据下发至所述可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过高速数据总线将控制字数据发送至所述变频驱动单元、所述变频发电单元，完成风力发电机的动力学过程模拟。

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