CN113279919B - 一种风力发电的模型仿真系统及方法 - Google Patents

一种风力发电的模型仿真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种风力发电的模型仿真系统及方法，该风力发电的模型仿真系统包括模拟风力装置模块、偏航装置模块、变桨装置模块、风机模型模块、传感器与控制模块和模拟仿真模块。本发明通过模拟风力装置模块进行各种风力大小的送风模拟；偏航装置模块通过风速风向传感器向仿真机传送数据，并且可以通过主控制器PLC控制偏航电机进行偏转；变桨装置模块通过改变桨叶的迎风角度，在仿真机中得到不同情况下的采集数据；风机模型模块内部装载了偏航电机、变桨电机、发电机，发电机通过电线和模拟量/数字量转换器，向仿真机传送电流的信息。本发明提供了一种低成本的风电模型仿真，用于对风电的发电优化、工控安全等领域的实验研究装置。

Description

一种风力发电的模型仿真系统及方法
技术领域
本发明专利涉及风力发电与仿真领域，具体涉及小型化的电机传动，主控制器PLC，传感器，以及信号传输与仿真。
背景技术
在清洁能源日趋得到重视并且发展的今天，大规模的风电机组不断投入运行，风电系统的各种性能、科研、安全研究也是首当其冲。现在对风电机组的大部分重要研究是采用直接购买实物整机的方式进行实验分析与数据采集。然而，风电机组造价高昂，如果使用传统的研究方法进行研究，成本和门槛过高。所以，本发明旨在发明一种风力发电的模型仿真方法及装置，进行替换真实风机的实验研究。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的在于提供了一种风力发电的模型仿真系统及方法，该系统具有低成本，高仿真还原度的优点，用于风力发电的发电优化、工控安全等领域的实验研究。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风力发电的模型仿真系统，包括模拟风力装置模块1、偏航装置模块2、变桨装置模块3、风机模型模块4、传感器与控制模块和仿真机5；
所述模拟风力装置模块1的环绕圆形导轨1-4的圆心设置，所述偏航装置模块2、变桨装置模块3和风机模型模块4的主体部分位于圆形导轨1-4的圆心；
所述模拟风力装置模块作用是提供模拟的风力场景，包括风扇 1-1，风扇1-1连接在伸缩杆1-2的上端，伸缩杆1-2的下端连接风扇底座1-3，伸缩杆1-2能够调节高度，圆形导轨1-4安装在风扇底座 1-3的下端，使得风扇底座1-3能够在圆形导轨1-4上自由滑动；
所述风机模型模块4包括风机保护壳4-3，交流发电机4-1放置在风机保护壳4-3的内部，三个桨叶紧固装置4-2按照垂直方向均匀排列在风机保护壳4-3上；
所述偏航装置模块2包括偏航电机2-1，偏航电机2-1安装在风机模型模块4中的风机保护壳4-3的内部，并且通过信号线与主控制器PLC 2-4相连，主控制器PLC 2-4通过信号线与对风舵2-2相连，对风舵2-2放置在圆型导轨的圆心1-4，高度低于风机模型模块4；对风舵2-2能够根据风向自动对风，采集此时的迎风角度、风力大小信息，传送至主控制器PLC2-4，主控制器PLC 2-4通过控制偏航电机2-1控制风机模型模块4的水平旋转角度；
所述变桨装置模块3包括变桨电机3-1，变桨电机3-1安装在风机模型模块4中的风机保护壳4-3的内部，并且通过信号线与主控制器PLC 2-4相连，变桨电机3-1连接桨叶3-2，能够调节桨叶3-2绕桨叶轴心的旋转角度，桨叶3-2直接安装在风机模型模块4中的桨叶紧固装置4-2上，并且能更换若干套规格大小不同的桨叶；
所述传感器与控制模块：包括在变桨装置模块3中的桨叶3-2上安装的速度传感器获得此时桨叶的旋转速度，在偏航装置模块2的对风舵2-2上安装的风速风向传感器2-3获得此时风速风向的信息，在风机模型模块4上安装的角度测量仪上获取此时风机模型的迎风角度；并且以上传感器通过千兆网线与仿真机5相连，实时传送数据；主控制器PLC 2-4与仿真机5通过千兆网线相连，仿真机5通过主控制器PLC 2-4下发指令；
交流发电机4-1通过模拟量/数字量转换器，将交流电转化为数字量信号，获得此时交流发电机4-1发出的交流电信息；同时传送至仿真机5进行仿真数据导出和分析。
所述仿真机5上通过MATLAB软件部署有整流模块、逆变模块、信号放大模块对数据进行精确处理，完成实验。
所述变桨装置模块3上的桨叶3-2能够拆卸，根据需要备用多套以便于更换不同类型桨叶。
所述的一种风力发电的模型仿真系统的模型仿真方法，通过风力发电的模型仿真系统，进行测试和仿真，包括如下步骤：
S100：通过模拟风力装置模块1送风到风机模型模块4，为风机模型模块4提供模拟风力环境；
S200：偏航装置模块2中的对风舵2-2受风转动后，通过风速风向传感器2-3将风力风向反馈到主控制器PLC 2-4，并且风速风向传感器2-3收集此时的风力风向信息；
S300：风机模型模块4通过主控制器PLC 2-4控制偏航装置模块 2中的偏航电机2-1，利用偏航电机2-1带动风机模型模块4做水平旋转，做任意角度的转动受风，带动风机模型模块4中的交流发电机 4-1；
S400：通过主控制器PLC 2-4控制其变桨装置模块3中的变桨电机3-1，改变桨叶3-2的迎风角度，带动风机模型模块4中的交流发电机4-1；
S500：交流发电机4-1连接模拟量/数字量转换器，将交流发电机4-1发出的交流电转化成数字信号通过USB传送至仿真机5；
S600：通过传感器与控制模块中的速度传感器和风速风向传感器 2-3，实时采集桨叶3-2末端速度、风速风向、迎风角度关键数据；
S700：利用仿真机5进行最终数据的导出与分析。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
市场现有的实验装置，很多为实体整机仿真，此方案虽然还原度高，但是成本也同样过高，普通的小型科研单位无法承担。而本发明方案，具有成本低、重构性强、并且通过仿真和实物装置模块的场景结合能够产出大量真实可靠的数据，对于风电的发电优化、工控安全等领域的研究有着较大的帮助。
附图说明
图1为风力发电模拟仿真装置俯视示意图。
图2为模拟风力装置模块结构图。
图3为偏航装置模块结构图。
图4为变桨装置模块结构图。
图5为风机模型模块结构图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例证进行详细描述。
如图1所示，本发明一种风力发电的模型仿真系统，包括模拟风力装置模块1、偏航装置模块2、变桨装置模块3、风机模型模块4、传感器与控制模块和仿真机5；所述模拟风力装置模块1的环绕圆形导轨1-4的圆心设置，所述偏航装置模块2、变桨装置模块3和风机模型模块4的主体部分位于圆形导轨1-4的圆心；
如图2所示，模拟风力装置模块1作用是提供模拟的风力场景，包括风扇1-1，风扇1-1连接在伸缩杆1-2的上端，伸缩杆1-2的下端连接风扇底座1-3，伸缩杆1-2能够调节高度，圆形导轨1-4安装在风扇底座1-3的下端，使得风扇底座1-3能够在圆形导轨1-4上自由滑动；
如图5所示，风机模型模块4包括风机保护壳4-3，交流发电机 4-1放置在风机保护壳4-3的内部，三个桨叶紧固装置4-2按照垂直方向均匀排列在风机保护壳4-3上；
如图3所示，偏航装置模块2包括偏航电机2-1，偏航电机2-1 安装在风机模型模块4中的风机保护壳4-3的内部，并且通过信号线与主控制器PLC 2-4相连，主控制器PLC 2-4通过信号线与对风舵2-2 相连，对风舵2-2放置在圆型导轨的圆心1-4，高度低于风机模型模块4；对风舵2-2能够根据风向自动对风，采集此时的迎风角度、风力大小信息，传送至主控制器PLC 2-4，主控制器PLC 2-4通过控制偏航电机2-1控制风机模型模块4的水平旋转角度；
如图4所示，变桨装置模块3包括变桨电机3-1，变桨电机3-1 安装在风机模型模块4中的风机保护壳4-3的内部，并且通过信号线与主控制器PLC 2-4相连，变桨电机3-1连接桨叶3-2，能够调节桨叶 3-2绕桨叶轴心的旋转角度，桨叶3-2直接安装在风机模型模块4中的桨叶紧固装置4-2上，并且能更换若干套规格大小不同的桨叶；
所述传感器与控制模块：包括在变桨装置模块3中的桨叶3-2上安装的速度传感器获得此时桨叶的旋转速度，在偏航装置模块2的对风舵2-2上安装的风速风向传感器2-3获得此时风速风向的信息，如图3所示。在风机模型模块4上安装的角度测量仪上获取此时风机模型的迎风角度；并且以上传感器通过千兆网线与仿真机5相连，实时传送数据；主控制器PLC 2-4与仿真机5通过千兆网线相连，仿真机 5通过主控制器PLC 2-4下发指令；
交流发电机4-1通过模拟量/数字量转换器，将交流电转化为数字量信号，获得此时交流发电机4-1发出的交流电信息，传送至仿真机5进行仿真数据导出和分析。
所述仿真机5上通过MATLAB软件部署一套仿真系统：其中，通过角度测量仪获取的风机模型迎风角度、风速风向传感器收集到的风速和风向信息作为输入参数。再通过交流发电机收集到的交流电信号作为输入信号，在后面连接一套三相逆变电源的仿真模块，最后连接信号放大器，对仿真出的电压进行放大，模拟实际风电生产环境。以此探究风机模型迎风角度、风速和风向信息、对风力发电电流电压信息的影响。
所述的一种风力发电的模型仿真系统的模型仿真方法，通过风力发电的模型仿真系统，进行测试和仿真，包括如下步骤：
S100：通过模拟风力装置模块1送风到风机模型模块4，为风机模型模块4提供模拟风力环境；
通过调节模拟风力装置1的风扇底座1-3的位置和风扇1-1的转动方向，调节风扇1-1的送风方向；通过调节风扇1-1的转速，调节风速。使得风机模型模块4能够接收到一定角度、一定速度的风。
S200：偏航装置模块2中的对风舵2-2受风转动后，通过风速风向传感器2-3将风力风向反馈到主控制器PLC 2-4，风速风向传感器 2-3收集此时的风力风向信息；
S300：风机模型模块4通过主控制器PLC 2-4控制偏航装置模块 2中的偏航电机2-1，利用偏航电机2-1带动风机模型模块4做水平旋转，做任意角度的转动受风，带动风机模型模块4中的交流发电机 4-1；
S400：通过主控制器PLC 2-4控制其变桨装置模块3中的变桨电机3-1，改变桨叶3-2的迎风角度，带动风机模型模块4中的交流发电机4-1，通过模拟量/数字量转换器，将交流电转化为数字量信号，获得此时交流发电机4-1发出的交流电信息，传送至仿真机5进行仿真数据导出和分析。
其中风机模型上的桨叶3-2可以拆卸，根据需要备用多套以便于更换不同类型桨叶。
S500：交流发电机4-1连接模拟量/数字量转换器，将交流发电机4-1发出的交流电转化成数字信号通过USB传送至仿真机5；风机模型模块4中的交流发电机4-1连接一个模拟量/数字量转换器，将交流电转化为数字信号，传送到仿真机中，此时仿真机通过接口程序就可以实时读取交流电的大小等各项指标。
S600：通过传感器与控制模块中的速度传感器和风速风向传感器 2-3，实时采集桨叶3-2末端速度、风速风向、迎风角度关键数据；
在风力发电模型装置中收集一些关键信息参数，包括：在变桨系统中的桨叶上安装的速度传感器获得此时桨叶的旋转速度，在偏航系统中的对风装置上安装风速风向传感器获得此时风速风向的信息，在风机模型上安装的角度测量仪上获取此时风机模型的迎风角度。收集到关键信息之后，将信息传送给仿真机，便于后续仿真系统的使用。
S700：利用仿真机5进行最终数据的导出与分析。
仿真机上通过MATLAB软件进行整流模块、逆变模块、信号放大模块的搭建，输入为交流电的信息和整个风力发电模型中的各项传感器参数。最后通过各项输入参数就可以进行实验，此时也可以通过主控制器PLC控制桨叶的角度、风机模型的迎风角度，通过改变模拟风力装置的送风方向、模拟风力装置的送风大小等，实时获得不同参数，进行实验分析。

Claims (2)

1.一种风力发电的模型仿真系统，其特征在于：包括模拟风力装置模块(1)、偏航装置模块(2)、变桨装置模块(3)、风机模型模块(4)、传感器与控制模块和仿真机(5)；
所述模拟风力装置模块(1)的环绕圆形导轨(1-4)的圆心设置，所述偏航装置模块(2)、变桨装置模块(3)和风机模型模块(4)的主体部分位于圆形导轨(1-4)的圆心；
所述模拟风力装置模块作用是提供模拟的风力场景，包括风扇(1-1)，风扇(1-1)连接在伸缩杆(1-2)的上端，伸缩杆(1-2)的下端连接风扇底座(1-3)，伸缩杆(1-2)能够调节高度，圆形导轨(1-4)安装在风扇底座(1-3)的下端，使得风扇底座(1-3)能够在圆形导轨(1-4)上自由滑动；
所述风机模型模块(4)包括风机保护壳(4-3)，交流发电机(4-1)放置在风机保护壳(4-3)的内部，三个桨叶紧固装置(4-2)按照垂直方向均匀排列在风机保护壳(4-3)上；
所述偏航装置模块(2)包括偏航电机(2-1)，偏航电机(2-1)安装在风机模型模块(4)中的风机保护壳(4-3)的内部，并且通过信号线与主控制器PLC(2-4)相连，主控制器PLC(2-4)通过信号线与对风舵(2-2)相连，对风舵(2-2)放置在圆型导轨(1-4) 的圆心，高度低于风机模型模块(4)；对风舵(2-2)能够根据风向自动对风，采集此时的迎风角度、风力大小信息，传送至主控制器PLC(2-4)，主控制器PLC(2-4)通过控制偏航电机(2-1)控制风机模型模块(4) 的水平旋转角度；
所述变桨装置模块(3)包括变桨电机(3-1)，变桨电机(3-1)安装在风机模型模块(4)中的风机保护壳(4-3)的内部，并且通过信号线与主控制器PLC(2-4)相连，变桨电机(3-1)连接桨叶(3-2)，能够调节桨叶(3-2)绕桨叶轴心的旋转角度，桨叶(3-2)直接安装在风机模型模块(4)中的桨叶紧固装置(4-2)上，并且能更换若干套规格大小不同的桨叶；
所述传感器与控制模块：包括在变桨装置模块(3)中的桨叶(3-2)上安装的速度传感器获得此时桨叶的旋转速度，在偏航装置模块(2)的对风舵(2-2)上安装的风速风向传感器(2-3)获得此时风速风向的信息，在风机模型模块(4)上安装的角度测量仪上获取此时风机模型的迎风角度；并且以上传感器通过千兆网线与仿真机(5)相连，实时传送数据；主控制器PLC(2-4)与仿真机(5)通过千兆网线相连，仿真机(5)通过主控制器PLC(2-4)下发指令；
交流发电机(4-1)通过模拟量/数字量转换器，将交流电转化为数字量信号，获得此时交流发电机(4-1)发出的交流电信息；同时传送至仿真机(5)进行仿真数据导出和分析；
所述仿真机(5)上通过MATLAB软件部署有整流模块、逆变模块、信号放大模块对数据进行处理，完成实验；
所述变桨装置模块(3)上的桨叶(3-2)能够拆卸，根据需要备用多套以便于更换不同类型桨叶。
2.如 权利要求1所述的一种风力发电的模型仿真系统的模型仿真方法，其特征在于：通过风力发电的模型仿真系统，进行测试和仿真，包括如下步骤：
S100：通过模拟风力装置模块(1)送风到风机模型模块(4)，为风机模型模块(4)提供模拟风力环境；
S200：偏航装置模块(2)中的对风舵(2-2)受风转动后，通过风速风向传感器(2-3)将风力风向反馈到主控制器PLC(2-4)，并且风速风向传感器(2-3)收集此时的风力风向信息；
S300：风机模型模块(4)通过主控制器PLC(2-4)控制偏航装置模块(2)中的偏航电机(2-1)，利用偏航电机(2-1)带动风机模型模块(4)做水平旋转，做任意角度的转动受风，带动风机模型模块(4)中的交流发电机(4-1)；
S400：通过主控制器PLC(2-4)控制其变桨装置模块(3)中的变桨电机(3-1)，改变桨叶(3-2)的迎风角度，带动风机模型模块(4)中的交流发电机(4-1)；
S500：交流发电机(4-1)连接模拟量/数字量转换器，将交流发电机(4-1)发出的交流电转化成数字信号通过USB传送至仿真机(5)；
S600：通过传感器与控制模块中的速度传感器和风速风向传感器(2-3)，实时采集桨叶(3-2)末端速度、风速风向、迎风角度关键数据；
S700：利用仿真机(5)进行最终数据的导出与分析。
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