風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)綜述
王前雙， 胡育文， 黃文新
（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016）
摘要：隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的日益深入，風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)也在近十年得到了快速發(fā)展。風(fēng)力機(jī)模擬器可以用來(lái)取代實(shí)際的風(fēng)力機(jī)，為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究提供了有效途徑。在研究風(fēng)力機(jī)特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前國(guó)內(nèi)、外風(fēng)力機(jī)模擬的具體方案，并對(duì)各模擬方案進(jìn)行了對(duì)比、分析與總結(jié)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力機(jī)；風(fēng)力機(jī)模擬
中圖分類號(hào)：tm315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1673-6540(2010)03-0001-06
0 引 言
能源、環(huán)境是人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它們不僅資源有限，而且這些能源的應(yīng)用引起了嚴(yán)重大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已得到世界各國(guó)的關(guān)注。
實(shí)驗(yàn)室的前期探索對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。但是由于條件的限制，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室并不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境或者風(fēng)力機(jī)，這很不利于一些新穎理論和技術(shù)的驗(yàn)證。為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，必須要進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)的研究。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。而風(fēng)力機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中就扮演著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的角色，故風(fēng)力機(jī)的模擬本質(zhì)上講就是能量或者轉(zhuǎn)矩的模擬。通過采取合適的控制策略，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)符合實(shí)際的風(fēng)力機(jī)特性，用其來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，達(dá)到模擬真實(shí)自然界中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作的效果。
1 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的構(gòu)成
實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。
如果需要增速還需在圖1中加入齒輪箱。在實(shí)驗(yàn)室中模擬風(fēng)力機(jī)，也就是將圖1中實(shí)際的風(fēng)力機(jī)用風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)取代，如圖2所示，
風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)應(yīng)該包括以下兩個(gè)部分：
(1)實(shí)時(shí)軟件模擬器。用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型的數(shù)字化模擬，一般由工控機(jī)，叮編程邏輯控制器( plc)或基于高性能微處理器(如dsp)的控制板實(shí)施。
(2)機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)。用以接受來(lái)自實(shí)時(shí)軟件模擬器的給定信號(hào)。并提供可測(cè)量的輸出變量作為系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)軟件模擬器的響應(yīng)，通常為一套閉環(huán)控制的交、直流控制系統(tǒng)。
圖3為實(shí)時(shí)風(fēng)力機(jī)發(fā)電模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖。圖中輸出變量z是機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)的參考信號(hào)。如果x是轉(zhuǎn)矩參考值，則回饋值為電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩信號(hào)；如果z為功率參考值，則回饋值為電動(dòng)機(jī)的輸出功率信號(hào)。m、g、c分別為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器。
2風(fēng)力機(jī)的特性
風(fēng)力機(jī)的種類和樣式很多，但按風(fēng)輪結(jié)構(gòu)和其在氣流中的位置，大致可以分為兩大類：垂直軸式風(fēng)力機(jī)和水平軸式風(fēng)力機(jī)。前者由于具有效率低等不利因素的影響，在商業(yè)主流設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。目前，最為常見的風(fēng)力機(jī)為水平軸、三葉片、上鳳向的結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪（包括葉片和輪轂）、塔架、偏航系統(tǒng)等部件組成。
風(fēng)力機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化的首要部件，作為要模擬的對(duì)象，對(duì)于其特性的準(zhǔn)確計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)能否有效運(yùn)行的關(guān)鍵。只有模擬出實(shí)際的風(fēng)力機(jī)特性才能用其來(lái)考察、評(píng)價(jià)與測(cè)試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。
2.1風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可知，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能可表示為：
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