風(fēng)力機模擬技術(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實驗室，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)力機模擬技術(shù)也在近十年得到了快速發(fā)展。風(fēng)力機模擬器可以用來取代實際的風(fēng)力機，為在實驗室內(nèi)進行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究提供了有效途徑。在研究風(fēng)力機特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前國內(nèi)、外風(fēng)力機模擬的具體方案，并對各模擬方案進行了對比、分析與總結(jié)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力機；風(fēng)力機模擬
中圖分類號：tm315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：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，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風(fēng)能的開發(fā)利用，已得到世界各國的關(guān)注。
實驗室的前期探索對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動作用。但是由于條件的限制，大多數(shù)實驗室并不具備風(fēng)場環(huán)境或者風(fēng)力機，這很不利于一些新穎理論和技術(shù)的驗證。為了加強風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，必須要進行風(fēng)力機模擬技術(shù)的研究。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。而風(fēng)力機在這個系統(tǒng)中就扮演著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的角色，故風(fēng)力機的模擬本質(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，使整個風(fēng)力機模擬系統(tǒng)符合實際的風(fēng)力機特性，用其來驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機，達(dá)到模擬真實自然界中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作的效果。
1 風(fēng)力機模擬系統(tǒng)的構(gòu)成
實際的風(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。在實驗室中模擬風(fēng)力機，也就是將圖1中實際的風(fēng)力機用風(fēng)力機模擬系統(tǒng)取代，如圖2所示，
風(fēng)力機模擬系統(tǒng)應(yīng)該包括以下兩個部分：
(1)實時軟件模擬器。用以實現(xiàn)風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型的數(shù)字化模擬，一般由工控機，叮編程邏輯控制器( plc)或基于高性能微處理器(如dsp)的控制板實施。
(2)機電隨動系統(tǒng)。用以接受來自實時軟件模擬器的給定信號。并提供可測量的輸出變量作為系統(tǒng)對實時軟件模擬器的響應(yīng)，通常為一套閉環(huán)控制的交、直流控制系統(tǒng)。
圖3為實時風(fēng)力機發(fā)電模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化框圖。圖中輸出變量z是機電隨動系統(tǒng)的參考信號。如果x是轉(zhuǎn)矩參考值，則回饋值為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩信號；如果z為功率參考值，則回饋值為電動機的輸出功率信號。m、g、c分別為電動機、發(fā)電機、控制器。
2風(fēng)力機的特性
風(fēng)力機的種類和樣式很多，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)力機和水平軸式風(fēng)力機。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)計中應(yīng)用較少。目前，最為常見的風(fēng)力機為水平軸、三葉片、上鳳向的結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機主要由風(fēng)輪（包括葉片和輪轂）、塔架、偏航系統(tǒng)等部件組成。
風(fēng)力機是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化的首要部件，作為要模擬的對象，對于其特性的準(zhǔn)確計算是整個系統(tǒng)能否有效運行的關(guān)鍵。只有模擬出實際的風(fēng)力機特性才能用其來考察、評價與測試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。
2.1風(fēng)力機的靜態(tài)特性
根據(jù)空氣動力學(xué)的知識可知，風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能可表示為：
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