虚拟风场和风力机模拟系统的实验研究

在不具备风场环境或风力机的条件下,建立虚拟风场和风力机模拟系统,对风力发电系统的研究具有重要作用。根据风速变化规律,建立了基于谱密度分析的自回归理论的风速模型。在此风速模型基础上,考虑涡流效应,对叶片进行受力分析,根据叶素理论和权系数分配叶素的方法建立风轮转矩模型,利用转矩控制直流电动机模拟风力机,搭建了虚拟风场和风力机模拟系统实验平台。虚拟风场的建立为虚拟风力机暂态或连续性实验提供了良好的基础。风力机模拟系统实验不仅验证了风轮转矩模型的准确性,反映了风速变化时模拟输出风轮转矩的快速跟随性能,而且可用于变速恒频风力发电系统的研究,证明其控制策略的正确性。     

采用直流电动机和调速系统的风力机模拟器设计

为了满足小型风力发电技术的研究需要,分析了风力机的运行特性及采用直流电动机转矩闭环控制模拟风力机的可行性,设计了基于直流电动机的小型风力机模拟器,并给出了采用西门子调速系统驱动直流电动机的模拟器实现方案及基于永磁同步发电机的测试系统,进行了实验研究。实验结果表明,所设计的风力机模拟器可以模拟小型风力机的转矩-转速特性和功率-转速特性,为在实验室条件下研究风力发电技术的原动机问题提供了一个实用的解决方案。     

基于直流电动机的风力机特性模拟

为采用直流电动机模拟风力机特性以满足实验室风力发电研究的需要,分析了风力机和直流电动机的运行原理,探讨了各自的功率及转矩特性,对比研究了两者运行特性的异同。制定了实现简单、特性优良的转矩模拟方案,它通过控制直流电动机电枢绕组电流来实现风力机转矩特性的模拟。建立了由PC机、数据采集卡和晶闸管调速器构成的风力机模拟硬件平台,开发了风力机模拟监控软件,在此基础上组成了完整的风力机特性模拟系统。对风速变化及机组转速变化两种典型运行条件下的风力机运行特性进行了模拟实验,模拟结果与理论数据达到了高度的吻合。基于转矩模拟算法的风力机特性模拟方案,可方便地应用于实验室条件下风力发电技术的研究。     

一种简单易行的风力机模拟器

为了更系统、全面的对风力发电机组进行研究,设计了一套实验室用风力机特性模拟装置--风力机模拟器(WTS),该模拟器通过BUCK电路控制直流电动机工作在风力机特性的最佳转速或最佳转矩点,可以在不依赖于自然环境和风力机的情况下模拟风力机特性,可以模拟不同特性的风力机,而且可以任意设定风速的变化曲线,方便了实验室对风力发电系统的研究.     

基于异步电机的风力机特性模拟

分析了风力机的运行原理,对比了风力机与异步电动机特性的异同,提出了简单有效的转速控制方案,搭建了"工控机+数据采集卡+变频器+异步电机"的风力机模拟平台,应用LabVIEW软件开发了上位机界面.将该风力机模拟系统应用于新型的定子双绕组感应风力发电系统,实现了模拟风力机在不同风速及不同负载下按照风力机的特性运行,满足了定子双绕组感应风力发电系统进行最大风能追踪的控制策略研究.实验结果表明,该方法实现简单、控制精确,可方便用于实验室条件下风力发电技术的研究.     

基于异步电机的风力机模拟实验平台的研究

提出了一种风力发电系统研究和实验平台的设计方案,利用逆变器控制的异步电动机模拟风力机特性,驱动风力发电机运行.首先分析了风力机的功率和转矩特性,讨论了风力机的转矩模拟方案.通过给定风速和实测转速,按照风力机特性可计算出应输出的转矩.控制异步电机输出同样的转矩,便可实现风力机的模拟.异步电机采用了带有前馈解耦的间接磁场定向矢量控制,其dq轴电流可分别对磁链和转矩进行控制,其转矩响应可满足控制要求.在变风速和变转速两种典型运行条件下的实验结果表明,异步电机可以准确的对风力机特性进行模拟.该平台可方便地用于实验室条件下的风力发电系统研究.     

基于风机特性模拟的风力发电系统

分析了风力机和直流电动机的运行原理,给出了直流电动机模拟风力机的理论依据。提出了实现简单、特性优良的转速、转矩控制模拟方案,通过控制直流电动机电枢电流来实现风力机转矩特性的模拟。搭建了基于风力机特性模拟的直驱式变速恒频风力发电系统试验平台,实现了模拟风力机在不同风速、转速下系统的稳定运行状态,验证了模拟方案的可行性和正确性,满足了该风力发电系统并网逆变和最大风能追踪等方面实验室研发的需要。     

基于直流电机的风力机仿真

以风力机能量转换原理为基础,建立了风力机运行特性的数学模型。以该模型为研究对象,详细分析了直流电动机模拟风力机的控制策略及仿真方法,并在Matlab环境下组建了风力机特性模拟系统,利用该系统给出了在不同风速下的仿真输出特性曲线。仿真结果表明,采用PI调节的电流闭环算法的风力机特性模拟方案,具有较高的精确度及较快的动态响应,可以方便地应用于实验室环境下风力发电技术的研究。     

基于直流调速和实时组态的风力机模拟器设计

从研究小型风力发电系统需求出发,为了提高软硬件开发效率及可靠性,本着硬件标准化和软件组态化的原则,设计并实现了基于直流调速系统和实时组态环境的小型风力机模拟器,并进行了实验验证.实验结果表明,该风力机模拟器不但可以较为精准地模拟风力机的静态输出特性,动态响应好,达到不依赖于自然风资源而具有实际风力机特性的模拟效果,而且可以使离线仿真和在线运行统一在MATLAB/Simulink平台下组态和运行,风力机和风速模型及参数调整方便、软件开发效率高,对于实验室研究小型风力发电具有重要价值.     

实验室模拟大转动惯量风力机研究

为了研究变速恒频风力发电系统的特性,搭建了风力机模拟平台.通过结合齿轮箱的大惯量算法,实现风力机输出力矩计算、齿轮箱变速和大转动惯量风力机模拟.通过对空载增速过程的实验和稳态点实验,验证了应用大惯量算法的模拟风力机平台的可行性.     

基于叶素理论的风力发电机组风轮建模

风力机风轮部分的建模对搭建风力发电整机运行仿真模型有重要意义。在风力机空气动力学特性分析的基础上,讨论了两种风轮建模的基本方法。通过对这两种方法的比较,选用基于叶素理论的方法建立了风轮模型。此风轮模型可适用于各种风力发电机,在已知风力发电机的固有参数的条件下,可以得到设定风速、风轮角速度以及调节桨距角下的风轮输出转矩值。由模型输出得到风力发电机的运行特性曲线,对分析风力发电机运行特性,制定相应的控制策略有着重要的指导作用。对模型施加实际风速信号,实现了对风力发电机组运行状态下输出转矩的模拟,并运用权系数来分隔桨叶的叶素,这不但进一步证明了所建模型的正确性,而且更加合理和精确地建立桨叶的气动模型。     

兆瓦级风力机风轮静态特性模拟器的研究

提出一种新型小功率实验平台模拟兆瓦级风力机风轮特性的控制策略.通过对兆瓦级风机转矩特性等功率缩小和低转速特性的准确跟踪,实现风力机风轮静态特性的模拟.利用原动机侧变换器能够模拟兆瓦级风机缩比转矩特性,发电机侧变换器可准确跟踪风机低转速特性.分别针对风速和转速变化两种情况进行了分析,结果表明该方案能准确模拟兆瓦级风力机风...     

风力机叶片三维气动特性分析

应用FLUENT软件,采用三维计算流体动力学(CFD)方法对水平轴风力机叶片进行三维气动分析,得到不同风速下的功率曲线、各截面的压力分布图和叶片三维压力分布图,并与叶素动量理论(BEM)计算结果进行对比。结果表明大功率风力机叶片气动性能计算采用三维CFD理论更能反映叶片的实际工作情况。     

基于22kW笼型等功率风力机模拟系统研究

为更好地在实验室内开展风电技术研究,提出了一种带双齿轮箱的风力机模拟系统.该系统主要包括两个变频器、两个转矩转速传感器、一台原动机、一台发电机、一个PCI板卡、一台上位机和一个主控制界面,能够模拟兆瓦级和等功率风机特性.针对等功率风机特性中恒转速和恒风速两种典型情况进行了研究分析,实验结果表明,该平台能够准确地模拟出等...     

风机叶片内部缺陷日光激励动态热成像方法研究

针对在役风力发电机组叶片内部缺陷类型难以区分的问题,本文提出了基于自然日光激励的动态热成像检测理论与方法,并进行有限元仿真模拟与试件实验研析了自然日光激励下风机叶片不同内部缺陷的动态热成像规律。首先,建立风机叶片切片的有限元传热仿真模型,通过数值计算揭示脱粘、积水两类典型内部缺陷在日光激励热传导物理场下热特征的变化规律;其次,对叶片切片进行同质加工,并利用无人机搭载热成像载荷搭建了日光激励热成像检测平台;最后,在自然日光激励条件下进行全天不同时段下的日光激励热成像实验。仿真和实验结果表明,风机叶片内部脱粘、积水两类典型缺陷在日光激励下将导致表面温度场呈现不同的变化趋势,脱粘缺陷会导致风机叶片表面对应区域出现高温异常到低温异常的动态演化,积水则相反,上述规律将为在役风机叶片的智能运维提供新的方法论。     

风场与风力机模拟系统的设计与实现

为了满足变速恒频风力发电技术的研究需要,提出了一种基于谱密度分析的自回归风速模型;并结合基于叶片微元受力分析的风力机转矩计算模型,设计了一套风场与风力机模拟系统。试验证明,该系统能够根据外部设定,结合主控制器指令,真实地模拟风力机在不同风况下的实际运行状态,同时驱动直流电机输出风力机模拟风轮转矩。该系统的实现,为实验室条件下研究风力机的运行提供了一套完整的解决方案,为风力发电技术的试验开发做出了现实铺垫。     

Wind turbine emulator based on blade element momentum theory for variable‐speed wind power generation system

This paper proposes a wind turbine emulator (WTE) based on the blade momentum theory, and tests the variable‐speed wind power generation system using a pulse‐width modulation (PWM) converter to verify the accuracy of the emulator. The behavior of the wind turbine for natural wind is reproduced by the WTE based on the proposed theory. The variable‐speed wind power generation system employs a vector control system to control the torque and speed of the permanent magnet synchronous generator in the converter side. The windmill rotational speed is controlled to maximize the efficiency of the wind turbine against wind velocity. And the active power and reactive power are controlled in the inverter side, and the generated power is sent to the grid while controlling the DC link voltage to be constant at the same time. The behaviors of the WTE are compared with the simulation results and experimental results using a real wind turbine. These experimental and simulation results show that the test bench with the proposed WTE has sufficient performance and accuracy to verify variable‐speed wind generator systems. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

风轮机的风能转换及空气动力学分析

基于流管概念,分析不考虑风轮机叶片旋转等因素时理想情况下风轮机的功率输出及最大风能利用系数.从角动量守恒的角度出发,分析考虑风轮机叶片旋转及由此产生的旋转尾波情况下水平轴风轮机的功率输出.借助于飞机机翼升力概念及叶片元理论,分析水平轴风轮机叶片元的空气动力,指出了风轮机叶片空气动力分析与飞机机翼空气动力分析的差异.     

基于永磁同步电机的风力机模拟技术研究

根据风力机特性模拟的要求,分析了风力机模拟中转速、转矩和功率之间的关系,进行了风力机特性和永磁同步电机(PMSM)特性的比较,提出采用PMSM进行风力机特性的模拟;同时提出了基于风力机特性模拟的PMSM转子磁场定向矢量控制算法,满足风力机模拟的稳态和动态特性要求.最后从时间轴和转速轴的转矩特性两个方面进行仿真和试验验证,结果说明PMSM按照转矩-转速曲线模拟风力机特性时,能够与风力机功率-转速曲线相吻合.仿真和试验结果也表明PMSM能很好地模拟风力机在各种情况下的特性,并且具有较好的稳态模拟精度和动态模拟速度.