大型風電機組仿真實驗臺研究*

王寧，段振云，趙文輝，邢作霞

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.沈陽工業大學 新能源工程學院，沈陽 110023）

大型風電機組仿真實驗臺研究*

王寧1，段振云1，趙文輝1，邢作霞2

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.沈陽工業大學 新能源工程學院，沈陽 110023）

大型風電機組的運行與維護是風能與動力工程及相關專業學生必須進行的實踐環節。針對風電場環境惡劣，且風險性大的問題，在實驗室構建大型風電機組仿真實驗臺就變得很有必要。論文以兆瓦級雙饋式風電機組為仿真對象，縮比設計大型風電機組仿真實驗臺，使其滿足啟停、偏航、變槳、并網、安全鏈等仿真功能。通過機械裝配過程仿真、運動仿真及電氣仿真，使學生熟悉風電機組的機械結構和電氣結構，并且更加深刻地理解風電機組的工作過程，解決了以往實習和實驗不方便的問題。

大型風電機組；仿真實驗臺；運動仿真；電氣仿真

0 引言

在化石能源日益枯竭并造成環境嚴重惡化的今天，風能作為一種可再生能源備受關注，風電成為世界研究的熱點，風能與動力工程專業的學生也成為緊缺人才[1-2]。風電場是培養學生進行風電機組的運營與維護的重要實習場所，但由于其多位于沙漠、草原、海邊等邊遠地區，自然條件惡劣，交通、食宿條件差，且學生登塔需要登高證，危險性大，這些因素都給現場實習與實驗帶來許多困難。因此，在實驗室構建大型風電機組的仿真平臺就變得很有必要。在仿真平臺上開設相關實驗，對于學生掌握大型風電機組的結構組成、工作特性等具有重要意義。

以往的實驗臺只能完成一種發電系統的相關實驗，并未對風電機組的整體模型進行模擬實驗，沒有全面的實驗仿真模擬系統用于實驗教學。由于雙饋式風電機組是目前大型風電機組的主流機型[3]，本文將沈陽工業大學設計的某型號雙饋式大型風電機組作為仿真對象設計大型風電機組仿真實驗臺。

1 大型風電機組仿真實驗臺概述

大型風電機組仿真實驗臺是根據風力發電的原理[4-6]，結合教學需要而研發的風電教學設備，目的是使學生深刻理解風電原理。它用于仿真MW級風電機組的結構和工作過程，使學生對風電機組的整體結構和工作原理有一定的認識。模擬變速恒頻風電機組的運行模式，包括變槳距系統、傳動系統、液壓系統、制動系統及偏航系統等，具有以實驗為目的的模擬機組待機、同步、并網、發電、脫網等分步運行控制的功能。

大型風電機組仿真實驗臺滿足如下實驗功能：

（1）進行機組啟動、運行、正常停機、緊急停機時槳距角的變化狀態實驗；

（2）對機組的啟動、空載運行、停機、超速、能量轉換等過程進行形象演示；

（3）仿真發電機組偏航時的所有過程，包括機組自動偏航對風、手動偏航、自動解纜、手動解纜等；

（4）進行機組安全鏈保護實驗。

仿真實驗臺是一套開放式的實驗系統，具有演示要求的各項功能，內部有嵌入的功能模塊，使用人員可以進行二次程序開發。

2 仿真實驗臺的裝配及運動仿真

2.1 仿真實驗臺的三維建模

大型風電機組仿真實驗臺結構包括：輪轂、葉片、獨立電動變槳系統、主軸及支撐、模擬增速齒輪箱、模擬風力原動機、高速軸聯軸器、雙饋異步發電機、主動偏航系統、液壓站及剎車系統、機艙演示控制柜、塔筒、底座支撐結構、疏雷布線、傳感器等。

與真實風電機組比較，大型風電機組仿真實驗臺主要有以下特點：

（1）仿真實驗臺的主傳動鏈采用模擬增速齒輪箱，內含拖動電機，通過聯軸器直接驅動發電機，同時通過減速機和齒輪減速，驅動風輪旋轉，如圖1所示；

（2）仿真實驗臺的變槳系統根據模擬風況，三個伺服電機分別通過減速器、減速齒輪驅動變槳軸承，改變槳距角；將風速風向儀作為執行元件，由步進電機驅動，模擬風速風向等風況；

（3）根據大型風電機組的結構組成，按照一定的縮比關系，采用UG軟件完成仿真實驗臺各零件的三維實體模型，再根據裝配關系組裝成組件部件，最后裝配成風電機組仿真實驗臺總成。

2.2 仿真實驗臺的裝配

大型風電機組的裝配過程是本專業學生實習的重要內容，而仿真實驗臺又不允許進行多次拆裝?；诖?，本仿真實驗臺設計了虛擬實驗，依據真實風電機組各零部件的裝配關系和裝配順序，進行了基于UG的裝配過程仿真。運用模塊化的思想，通過裝配模塊將零部件組裝成產品，在裝配中建立零部件之間的鏈接關系。通過約束條件在零部件之間建立約束關系來確定零部件在產品中的空間關系。零件的幾何體被裝配引用后，無論如何編輯零件，整個裝配部件都保持著關聯性，即當零件被修改后，引用它的裝配部件會自動更新。在裝配過程中，可以采用自底向上（Bottom-Up Assembly）、自頂向下（Top－Down Assembly）或者混合裝配的裝配法[7]。在裝配體生成后，UG還可以隱藏及顯示任意結構，使學生更容易看到風電機組的內部結構。由于風電機組零部件很多，零件模型建好后要進行分類，然后進行部件裝配，最后進行總裝。大型風電機組仿真實驗臺三維實體模型如圖2所示。

2.3 仿真實驗臺裝配過程和運動仿真

通過動畫演示，可以將大型風電機組的裝配過程及運動情況生動地展現在學生面前，降低學生的學習困難，便于學生更好地理解風電機組的裝配工藝及工作過程，激發了學生對專業知識的學習興趣，提高教學效果。

在大型風電機組三維建模的基礎上，根據其真實裝配過程，實現基于UG的大型風電機組裝配過程仿真。

圖1 仿真實驗臺主傳動系統三維實體模型

圖2 仿真實驗臺三維實體模型

圖3 仿真實驗臺電氣演示界面

采用UG軟件中的運動仿真模塊，進行風電機組仿真實驗臺變槳、偏航、剎車等動作的仿真，生成動畫，以模擬風電機組的工作過程。

3 仿真實驗臺電氣仿真

主控系統主要體現在是對整個系統的邏輯性控制。其中，主控柜由拖動電機變頻器、偏航電機驅動器、UPS電源、230供電、安全鏈、供電電源等，它是整個系統電源提供處。模擬風速時，由上位機發送適當的命令給變頻器，驅動電動機帶動發電機發電。整個系統的安全鏈控制要通過主控柜完成上電工作。當緊急停電時，主控柜的UPS能給提供暫時電源。

并網柜由背靠背變頻器調制并網過程，通過電壓測量板和電流計算板測量轉子網側、定子網側和定子側的能量提供給變頻器，通過網側變頻器調制直流母線電壓，符合并網條件時，發出并網命令，實時并網。模型電機上的雙饋發電機處于亞同步狀態時，定子輸出能量送入電網，當雙饋電機處于同步狀態時定子和轉子同時向電網供電。

操作臺的主要功能是啟動和實驗模式的選擇，手動演示風電機組發電的過程。其中，HMI界面主要是顯示IPC的內部運行邏輯，各實驗項目的人機交互界面；安全鏈狀態顯示區顯示安全鏈各環節動作情況；各參數數碼儀表顯示功能，包括機組運行流程顯示區。

為了讓學生對風電機組仿真實驗臺的電氣結構有一定的認知，制作電氣部件拆裝演示動畫，便于學生理解風電機組仿真實驗臺的電氣結構。大型風電機組仿真實驗臺電氣演示界面如圖3所示。

4 結論

大型風電機組仿真實驗臺可以對風電機組的結構、裝配過程、各種運動以及故障進行模擬，同時通過拖動電機與偏航的控制完全模擬自然風，使仿真效果更加接近實際的風電機組[8]。通過動畫演示，學生可以直觀地了解風電機組的結構及裝配過程，并且深刻地理解風電機組偏航、變槳、主傳動和剎車的過程，解決了學生對風電機組工作原理理解困難的問題，激發了學生對專業知識的學習興趣，可以用于風力發電相關專業的實驗教學。

[1]關偉.國內外風力發電概況及發展方向[J].吉林電力, 2008, 36(1): 49—50.

[2]Janet L S.Rewewables 2012 Global Status Report[R]. Paris:REN21Secretariat,2012:6—13.

[3]芮曉明,柳亦兵,馬志明.風力發電機組設計[M].北京:機械工業出版社,2010.

[4] Erich Hau. Wind Turbines[M]. Berlin: Springer-Verlag, 2006.

[5] Peter Jamieson. Innovation in Wind Turbine Design[M]. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2011.

[6]姚興佳,宋俊.風電發電機組原理與應用[M].北京:機械工業出版社, 2011.

[7]張幼軍,王世杰. NX CAD/CAM 基礎教程[M].北京:清華大學出版社, 2011.

[8]俞黎萍.風電機組動態仿真平臺設計方法研究[J].風能,2013(5):92-98.

Study on Simulation Experimental Platform of Large-scale Wind Turbine

Wang Ning1, Duan Zhenyun1, Zhao Wenhui1, Xing Zuoxia2
(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. School of New Energy Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China)

The students major in wind energy and power engineering and related majors must make practice on operation and maintenance of the large-scale wind turbine. For the harsh conditions and high risk of wind, building simulation experimental platform of largescale wind turbine in the lab becomes necessary. This paper made megawatt doubly-fed wind turbine as simulation object, design a simulation experimental platform of large-scale wind turbine, which satisfying the simulation functions as start-stop, yawing, variable pitch，grid-connected，safety chain and so on. Through the simulation of mechanical assembly, motion simulation and electrical simulation, making the students be familiar with mechanical structure and electrical structure of wind turbine, and profoundly understand of working process of the wind turbine, it has solved the problem of practice and experiment inconvenient previously.

large-scale wind turbine; simulation experimental platform; motion simulation; electrical simulation

TM614

A

1674-9219(2013)09-0080-03

遼寧省高等教育本科教改研究項目。

2013-06-05。

王寧（1991－），女，本科，主要研究方向為機械設計與制造。

段振云（1971－），男，教授，博士生導師，主要研究方向為機械設計與制造，風電機組設計。