風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法
2023-07-08 22:34:51
專利名稱：風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法
技術領域：
本發明屬於風力發電機技術領域，特別涉及一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法。
背景技術：
目前，中國的併網型風力發電機組生產廠已有30多個，產品的定性和設計沒有科學的試驗測試手段，很難生產出高質量的風力發電機組與國外的風力發電機組製造廠商競爭。這樣就制約了產品的迅速產業化和商業化，失去了佔領技術制高點和佔領市場的機會。目前在國外也僅僅只有小功率普通拖動發電系統和仿真軟體，沒有實際模擬風輪輸出特性的設備和實現的理論方法。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法。本發明方法是對設計完成的風力發電機組產品進行產品定型和優化設計所必需的試驗。本發明方法所測得的數據可作為技術設計的依據。
本發明方法所依賴的裝置包括上位機1、模擬風輪2和試驗對象電機5，其中模擬風輪包括變頻器3和異步電機4，如圖1所示，變頻器3分別與上位機1、異步電機4和試驗對象電機5相連，異步電機4和試驗對象電機5相連。本發明方法的試驗對象可為任何原型風力機風輪特性模擬輸出，如用於變速恆頻發電系統的風力機仿真拖動模擬，風力發電機組的出廠性能試驗測試系統的模擬拖動等。
本發明方法包括建立風的數學模型和求出風輪動力特性方程。下面進行詳細介紹一、建立風的數學模型(1)基本風。基本風在風輪機正常運行過程中一直存在，它決定了風力發電機向系統輸送額定功率的大小，基本上反映了風電場平均風速的變化，它可以由風電場測風所得的韋布爾分布參數確定V=A1+1K---(1)]]>式中 ——基本風速，單位為m/s；A——韋布爾分布的尺度參數；K——韋布爾分布的形狀參數；Г——伽馬函數。
對於基本風模型，在實驗室模擬時無需考慮實際風場風速的分布情況，只需考慮作用在風輪機上的平均風速是多少，所以基本風模型指定一個具體的平均風速值即可。
(2)陣風。在風速變化的過程中，描述風速突然變化的特性，一般用陣風來表示，可在基本風上疊加一陣風分量VWG。
VWG=0tT1GVcosT1GtT1G+TG0tT1G+TG---(2)]]>Vcos=(maxG/2)1-cos2(t-T1GTG);]]>式中VWG——陣風風速，單位為m/s；t——時間；TG——周期，單位為s；T1G——陣風啟動時間，單位為s；maxG——陣風最大值，單位為m/s。
(3)漸變風。對風速的漸變特性可以用漸變風成份來模擬，可在基本風上疊加一個漸變風分量VWR。
VWR=0tT1RVrampT1RtT2RmaxRT2RtT2R+TR0tT2R+TR---(3)]]>Vramp=maxR1-tT2R(T1R-T2R)]]>式中VWR——漸變風速，單位為m/s；maxR——漸變風最大值，單位為m/s；T1R——起始時間，單位為s；T2R——終止時間，單位為s；TR——保持時間，單位為s。
(4)隨機噪聲風速。為反映風速變化的隨機特性，在風速模擬中可以用隨機噪聲風速成份來表示，可在基本風上疊加一個隨機分量VWN。
式中ω——角頻率；ωi——初象角；_i——均勻分布的隨機變量，_i＝0～2π；
i——序列；KN——地表粗糙係數，一般取KN＝0.004；F——擾動範圍，單位為m2；μ——相對高度的平均風速，單位為m/s。
綜合上述四種風速成份，模擬實際作用在風輪機上的風速為Vw=V+VWG+VWR+VWN---(5)]]>式中VW——作用在風輪機上的風速，單位為m/s。
二、根據風輪不同的特性模擬要求，將風的模型特性帶入風輪動力特性表達式中，求出其特性方程(1)風能利用係數風能利用係數反映風輪機捕獲風能效率的高低，貝茲(Betz)極限證明了理想風輪的最大風能利用效率Cpmax=16270593]]>實際應用當中達不到最大值。對於變槳距風輪機來說，影響風能利用係數的有兩個主要因素1、風輪機葉片的葉尖速比λ(風輪機葉片尖端的旋轉線速度與風速的比值)；2、葉片的槳距角β(葉片的翼弦與水平面的夾角)，如圖2所示。
升力表達公式如下Fy=12cyV2---(6)]]>式中Fy——升力；cy——升力係數；S——葉片在氣流方向的投影面積，單位為m2；V——氣流速度，單位為m/s；ρ——空氣密度，單位為kg/m3；對於流線型翼型中cy與攻角α的關係如圖3所示。
風輪在啟動後以某一速度旋轉時葉片的受力情況有所改變，這時相對於葉片上葉尖的氣流速度將是垂直於風輪旋轉面的氣流速度V與該葉片的旋轉線速度ωr的矢量和ω，而且這時的攻角已經不是V與翼弦的夾角β，而是ω與翼弦的夾角α。如圖4所示。
將風輪所受升力代入式(6)得Fy=12cySsin(-arctanrV)(r2+V2)---(7)]]>升力功率為Fy×ωr，這一功率與空氣中所蘊涵的能量P=12AV3]]>的比例反映了Cp的大小，所以Cp與 成正比，可表示為如下公式 升力係數用以下公式來近似cp＝-1.6x2+1.9x+0.02 (x＝β-arctanλ)(9)(2)風輪機的機械輸出功率風輪的動力特性方程，通過風輪機旋轉面的空氣所蘊含的動能為PP=12AV3=8D2V3---(10)]]>風輪機從風中捕獲的機械能量是空氣動能的一部分。風輪機的機械輸出功率為PwPw=12AV3Cp=8D2V3Cp---(11)]]>式中ρ——空氣密度，單位為kg/m3；D——風輪直徑，單位為m；A——風輪機的截面積，單位為m2；V——空氣速度，單位為m/s；Cp——風能利用係數。
(3)風輪機的機械轉矩TWTW=PW=ACPV32=9550PWN---(12)]]>式中Ω——轉子轉速；N——發電機轉動速度。
(4)風力機風輪的輸出特性方程風輪轉速的輸出狀態方程為x.(t)=Ax(t)+Bu(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)]]>X1.X.2X.3=(-Cd)Irot-1IrotCdIrotKd0-KdCdIgen1Igen-CdIgenX1X2X3+Irot00+Irot00w]]>式中=Tww;=Tw;=Tw;]]>W＝V——風速；β——槳距角；Ω——轉子轉速；Kd——傳動鏈剛度；Irot——風輪轉動慣量；
Igen——發電機轉動慣量；Cd——阻尼係數；三、求出傳遞函數傳遞函數GG＝C(sI-A)-1B(14)式中A、B、C——矩陣，s——拉氏變換因子。
當前狀態的傳遞函數值，作為異步電機的控制輸入，迅速調節實現實驗模擬狀態的輸出結果。
本發明方法最終由上位機實現，上位機包括三個模塊界面顯示模塊、數值處理模塊和上、下位機之間的通訊模塊，通訊模塊分別與界面顯示模塊、數值處理模塊連接，如圖5所示。上位機在監控界面上顯示數據和模擬過程曲線，其過程包括以下步驟步驟一、輸入命令，當輸入命令為模式選取時進入步驟四；步驟二、開始；步驟三、初始化；步驟四、試驗模式選取，即選取風的模型；步驟五、讀取數據，數據包括風速、環境溫度、風輪轉矩、風輪轉速、風輪輸出功率、異步電機功率；步驟六、計算風輪轉速輸出狀態方程中矩陣A、B、C；步驟七、由式(14)計算傳遞函數；步驟八、顯示模塊顯示輸出；步驟九、通訊模塊進行通訊；步驟十、D/A輸出給變頻器，對異步電機進行調整，返回步驟一。
其中顯示模塊顯示輸出過程包括以下步驟步驟一、輸入用戶命令；步驟二、與風力發電機參數資料庫連接；步驟三、調用函數(連接資料庫或從資料庫讀數或刷新界面或寫數據)；步驟四、數據處理；步驟五、顯示。
通訊模塊通訊過程包括以下步驟步驟一、讀數據；步驟二、判斷是否為周期數據，是，進入步驟五，否則進入步驟三；步驟三、發送非周期數據讀取命令；步驟四、讀數據；步驟五、初始化；
步驟六、切換到Sercos2段配置運行參數；步驟七、運行參數讀取；步驟八、切換到Sercos4段周期通訊；步驟九、周期通訊；步驟十、周期運行。
本發明方法不必應用於現場，只需在實驗室就可測試發電機和控制器的性能，提高了產品質量，加快了產品成熟周期並節約大量資金。
圖1為本發明方法所依賴的裝置結構示意圖；圖2為槳距角示意圖；圖3為翼型升力曲線圖；圖4為旋轉槳葉在風中的受力圖；圖5為本發明方法的上位機中模塊間的關係圖；圖6為本發明方法的流程圖；(a)為本發明方法主體流程圖；(b)為本發明方法界面顯示模塊流程圖；(c)為本發明方法通訊模塊流程圖；圖7為本發明具體實例的主界面圖；圖8為本發明具體實例的風速設置界面圖；圖9為本發明具體實例的參數設置界面圖；圖10為本發明具體實例的狀態顯示界面圖。
圖中1為上位機，2為模擬風輪，3為變頻器，4為異步電機，5為試驗對象電機，6為風輪旋轉面，7為界面顯示模塊，8為通訊模塊，9為數值處理模塊。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
當風速為12m/s，轉子轉速Ω＝1680r/min，槳距角β＝2度；風機以1.0的參數為例，半徑R＝30.3，風輪轉速N＝1680/78.16＝21.5RPM，λ＝2*3.14*NR/W，環境溫度對應空氣密度為1.025P時一、建立風的數學模型本實例中建立風的模型為基本風。基本風由風電場測風所得的韋布爾分布參數確定V=A1+1K]]>式中 ——基本風速，單位為m/s；A——韋布爾分布的尺度參數；
K——韋布爾分布的形狀參數；Г——伽馬函數。
二、根據風輪不同的特性模擬要求，將風的模型特性帶入風輪動力特性表達式中，求出其特性方程(1)風能利用係數cp＝-1.6x2+1.9x+0.02＝0.399(2)風輪機的機械輸出功率Pw=12AV3Cp=8D2V3Cp=0.5*3.14*1.023*30.3*30.3*12*12*12=1018650W=1018.7kW]]>(3)風輪機的機械轉矩TWTW=9550PWN=9555*1018.7/21.5=452470Nm]]>(4)風力機風輪的輸出特性方程求得矩陣A、B、C為A=-0.0043-4*10-70.00431.566*1060-1.566*106172.3960.0161172.396]]>B=2.132*10-68.92*10-60000]]>C=100010001]]>得到狀態方程為x.1x.2x.3=-0.0043-4*10-70.00431.566*1060-1.566*106172.3960.0161172.396x1x2x3+2.132*10-68.92*10-60000]]>三、求出傳遞函數
上述方法最終由上位機實現，其過程包括以下步驟步驟一、輸入命令，當輸入命令為模式選取時進入步驟四；步驟二、開始；步驟三、初始化；步驟四、試驗模式選取，即選取風的模型；步驟五、讀取數據，數據包括風速、環境溫度、風輪轉矩、風輪轉速、風輪輸出功率、異步電機功率；步驟六、計算風輪轉速輸出狀態方程中矩陣A、B、C；步驟七、由式(14)計算傳遞函數；步驟八、顯示模塊顯示輸出；步驟九、通訊模塊進行通訊；步驟十、D/A輸出給變頻器，對異步電機進行調整，返回步驟一。
其中顯示模塊顯示輸出過程包括以下步驟步驟一、輸入用戶命令；步驟二、與風力發電機參數資料庫連接；步驟三、調用函數(連接資料庫或從資料庫讀數或刷新界面或寫數據)；步驟四、數據處理；步驟五、顯示。
通訊模塊通訊過程包括以下步驟步驟一、讀數據；步驟二、判斷是否為周期數據，是，進入步驟五，否則進入步驟三；步驟三、發送非周期數據讀取命令；步驟四、讀數據；步驟五、初始化；步驟六、切換到Sercos2段配置運行參數；步驟七、運行參數讀取；步驟八、切換到Sercos4段周期通訊；步驟九、周期通訊；步驟十、周期運行。
本實例中上位機選用KZC064系列嵌入式一體化工控機，，採用Borland C++Builder 5.0開發的基於Windows的可視化控制軟體，它為用戶提供了一個友善的人機互動界面。
上位機包括圖形界面模塊、數值處理模塊和上、下位機之間的通訊模塊。
圖形界面部分提供了人機互動的界面。通過圖形界面，用者可以設定實驗的方案，也可以觀察實驗的進程，並在實驗結束後形象的顯示系統運行的曲線圖。
圖7是本實例的主界面圖。該界面包括三個子窗體的選擇按鈕，點擊風速設置就可以進入風速模型參數設置的界面，點擊參數設置就可以進入風機選型和風機參數設置的界面，點擊狀態顯示就可以進入監測風速、異步電機轉速、異步電機轉矩、異步電機功率的運行曲線。
圖8是本實例的風速設置界面。在這個界面中，我們根據四種風速風況模型，分別輸入參數，點擊開始就可以得到風速時變曲線；當風速曲線不是很理想時，點擊停止按鈕，重新設定模擬風速的參數，點擊下一步則進行下一個參數設置界面。
圖9是本實例的參數設置界面。在該界面中根據槳距角的不同而進行選擇，由於風輪機的運行方式不同，所以導致所建的模型有所不同，不同的選擇操作界面會連結到不同的運算模型。
圖10是本實例的狀態顯示界面。該界面主要做顯示和監控用，前幾個界面的參數設定好之後，點擊開始就可以同步顯示模擬風速曲線、異步電機輸出轉速曲線、異步電機輸出轉矩曲線、異步電機輸出功率曲線。可以進行實時的對比分析，如果發現存在問題或當前曲線非常成功就可以點擊暫停按鈕，記錄當前數據，點擊繼續，則繼續分析監測。
權利要求
1.一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，通過模擬試驗裝置進行試驗，試驗裝置包括上位機、模擬風輪和試驗對象電機，其中模擬風輪包括變頻器和異步電機，變頻器分別與上位機、異步電機和試驗對象電機相連，異步電機和試驗對象電機相連，其特徵在於該試驗方法包括建立風的數學模型、確定風輪動力特性方程和計算傳遞函數，由上位機通過軟體模塊實現。
2.如權利要求1所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於所述的建立風的數學模型包括基本風，其數學模型為V=A1+1K]]>式中 ——基本風速，單位為m/s，A——韋布爾分布的尺度參數，K——韋布爾分布的形狀參數，Г——伽馬函數；陣風數學模型為VWG=0tT1GVcosT1GtT1G+TGVcos=(maxG/2)[1-cos2(t-T1GTG)]0tT1G+TG]]>式中VWG——陣風風速，單位為m/s，TG——周期，單位為s，t——時間；T1G——陣風啟動時間，單位為s，maxG——陣風最大值，單位為m/s；漸變風數學模型為VWR=0tT1RVrampT1RtT2RVramp=maxR1-tT2R(T1R-T2R)maxRT2RtT2R+TR0tT2R+TR]]>式中VWR——漸變風速，單位為m/s，maxR——最大值，單位為m/s，T1R——起始時間，單位為s，T2R——終止時間，單位為s，TR——保持時間，單位為s；隨機噪聲風數學模型為 式中_i——均勻分布的隨機變量，_i＝0～2π，KN——地表粗糙係數，一般取KN＝0.004，F——擾動範圍，單位為m2，μ——相對高度的平均風速，單位為m/s；綜合上述四種風速成份，模擬實際作用在風輪機上的風速為Vw=V+VWG+VWR+VWN]]>式中VW——作用在風輪機上的風速，單位為m/s。
3.如權利要求1所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於所述的風輪動力特性方程如下X.1X2.X3.=(r-Cd)Irot-1IrotCdIrotKd0-KdCdIgen1Igen-CdIgenX1X2X3+Irot00+Irot00w]]>式中=Tww,=Tw,=Tw,]]>Tw——風輪機的機械轉矩，W＝V——風速，β——槳距角，Ω——轉子轉速，Kd——傳動鏈剛度，Irot——風輪轉動慣量，Igen——發電機轉動慣量，Cd——阻尼係數。
4.如權利要求1所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於所述的傳遞函數如下G＝C(sI-A)-1B式中A、B、C——矩陣，s——拉氏變換因子。
5.如權利要求1所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於所述的上位機通過軟體模塊實現的過程按以下步驟執行步驟一、輸入命令，當輸入命令為模式選取時進入步驟四；步驟二、開始；步驟三、初始化；步驟四、試驗模式選取，即選取風的模型；步驟五、讀取數據，數據包括風速、環境溫度、風輪轉矩、風輪轉速、風輪輸出功率、異步電機功率；步驟六、計算風輪轉速輸出狀態方程中矩陣A、B、C；步驟七、由式G＝C(sI-A)-1B計算傳遞函數；步驟八、顯示模塊顯示輸出；步驟九、通訊模塊進行通訊；步驟十、D/A輸出給變頻器，對異步電機進行調整，返回步驟一。
6.如權利要求5所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於步驟八中的顯示模塊顯示輸出過程包括以下步驟步驟一、輸入用戶命令；步驟二、與風力發電機參數資料庫連接；步驟三、調用函數，調用連接資料庫或從資料庫讀數或刷新界面或寫數據；步驟四、數據處理；步驟五、顯示。
7.如權利要求5所述的一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法，其特徵在於步驟九中的通訊模塊通訊過程包括以下步驟步驟一、讀數據；步驟二、判斷是否為周期數據，是，進入步驟五，否則進入步驟三；步驟三、發送非周期數據讀取命令；步驟四、讀數據；步驟五、初始化；步驟六、切換到Sercos2段配置運行參數；步驟七、運行參數讀取；步驟八、切換到Sercos4段周期通訊；步驟九、周期通訊；步驟十、周期運行。
全文摘要
一種風力發電機組風輪功率輸出特性模擬試驗方法屬於風力發電機技術領域。本發明方法通過模擬試驗裝置進行試驗，試驗裝置包括上位機、模擬風輪和試驗對象電機，其中模擬風輪包括變頻器和異步電機，變頻器分別與上位機、異步電機和試驗對象電機相連，異步電機和試驗對象電機相連。該方法包括建立風的數學模型、確定風輪動力特性方程和計算傳遞函數，由上位機通過軟體模塊實現。本發明方法不必應用於現場，只需在實驗室就可測試發電機和控制器的性能，提高了產品質量，加快了產品成熟周期並節約大量資金。
文檔編號G01M15/00GK1936531SQ20061004804
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月19日 優先權日2006年10月19日
發明者姚興佳, 鄧英, 王湘明, 邢作霞, 劉光德 申請人:瀋陽工業大學