風力發電工程技術虛擬仿真實驗綜合平臺探索

魯 江，程 航，何希萍

（1.甘肅開放大學 理工農醫學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業學院 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050）

一、引言

2020年9月22日，我國在聯合國大會上提出：“提高國家自主貢獻力度、采取更有力的的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和?！币獙崿F雙碳目標，需要大力發展新能源。風能是重要的新能源，具有廣闊的發展前景。風力發電工程技術是一門理論性和實踐性很強的專業，對于培養更多具有風電技術的人才，推動風力發電技術的發展，促進風能的更好更快利用，具有重要意義。圍繞這個專業進行所有實驗的建設，需要很大的場地和投資，既不現實，也無必要。因此，建立虛擬仿真實驗，客觀上可以為教好學好該專業的理論和實踐知識提供有效途徑[1]。

二、風力發電工程技術專業課程內容剖析

風力發電工程技術由風能、風力機、定槳距風力發電機組、變槳距風力發電機組及控制系統等五部分內容組成。這些內容闡述了風能的產生及利用，風力機的結構及原理，風力機的種類及其異同，風力機的運行及控制，風能的儲存等。應該說，風力發電工程技術專業課程的內容涉及物理學、氣象學、機械、電氣、化學及通信、計算機等方面的知識，具有內容多、跨度大、難度大的特點。這就決定了課程的學習有一定的難度，如果要學好的話，難度就更大了[2]。

三、建設風力發電工程技術虛擬仿真實驗綜合平臺的必要性

風力發電工程技術專業涉及發電、機械、電氣控制、電氣設備、電力傳輸、風電場選址等多種學科，它包括風力發電存儲、傳輸等相關的技術和設備及系統，又包括地物識別技術、智慧能源技術等，基礎課程具有理論性強、知識面廣、綜合實踐強的特點。專業特點決定了風力發電工程專業課程實驗多，實驗設備體積龐大、造價昂貴，一臺風電機組都在百萬，運行過程中還需要經常維護，經費和場地限制了實驗內容的拓展。學生的時間和精力使實驗時間的安排成為難題[3]，受時空限制，教師很難在有限的時間內細致地指導學生進行實驗，理論課程與實驗課程有脫節的現象。教材提供的實訓項目多為固定的、按部就班的進行，缺乏靈活性，限制了學生的創新意識。虛擬仿真不受時空限制，通過模擬的操作環境達到現實的實驗體驗，靈活性高，虛擬仿真增加了學生操作的安全性，可以多次重復實驗，增加學生的認知和領悟。

四、建設風力發電工程技術虛擬仿真實驗綜合平臺的探索

風力發電工程技術虛擬仿真實踐平臺框架如圖1所示：

圖1 風力發電工程技術虛擬仿真實踐平臺

虛擬仿真平臺采用模塊化設計，由基礎實驗模塊和專業綜合實訓模塊兩部分組成，基礎實驗模塊包括電工實驗、電子學實驗、交流電路仿真實驗和電氣識圖四部分，專業仿真實驗包括風能機械部件加工與檢測試驗、風電場綜合實驗、風力發電機組控制實驗和風力發電機組運行與維護實驗。風力發電工程技術虛擬仿真實踐平臺采用模塊化建設可以實現多種課程實踐內容的交叉融合，從而達到多種內容豐富的項目設計式綜合性實踐。基礎實驗模塊以電路實驗中常用電子元器件參數測試為例，通過實驗達到以下的教學目的：

1.掌握電子電路實驗中常用的電子儀器儀表的使用方法；

2.掌握二極管、三極管參數以及常用電子元器件參數的測量的方法；

3.掌握用利用示波器觀察模擬或數字信號波形和繪制波形的方法。

實驗內容：

1.示波器的使用；

2.函數信號發生器的使用；

3.雙路直流穩壓電源的使用；

4.電阻、電容數值的讀?。?/p>

5.檢測二極管、三極管的參數。

實驗中要對各種電子儀器進行綜合使用，可按照信號流向、調節容易、觀察方便等原則進行合理布局，各儀器與被測實驗裝置之間的布局與連接如圖2所示。虛擬仿真實驗可以采用Saber仿真軟件，學生可以從元件庫中拖拽電阻、電容、電感、開關、電源等來組建完整的仿真線路以實現電路串并聯、瞬態響應分析等，通過所學的理論知識進行推導分析一階電路的響應特性，用實際電路仿真波形加以驗證。

圖2 電路實驗中常用電子儀器布局圖

在風力發電機組綜合實訓中，以風力發電技術這門專業課為例，為了學生更好地掌握專業知識，在認真總結教學內容的基礎上，在風電場綜合實驗中可以建設風能功率預測預報仿真實驗，風力發電仿真實驗及儲能仿真實驗[4]。通過這三個虛擬仿真實驗，除了加深對相關理論知識的理解和掌握以外，可以熟悉新能源功率預測技術模塊操作使用方法及應用場景，掌握風能功率預測技術、風能功率預測方法和性能指標要求；熟悉風力發電仿真系統的操作使用方法及應用場景，掌握風力發電技術、風力發電仿真系統的風向圖的操作、風機成組控制操作和風機冷態啟動；了解儲能在電力系統發-輸-用等環節的重要作用、控制方法以及運行策略等，對于在有限的時間內，比較系統而又較好地掌握風力發電技術，起到事半功倍的作用。根據課程內容的不同，相應的虛擬仿真實驗的建設也是不同的[5]。對于風能預測預報虛擬仿真實驗，按照圖3所示的流程進行建設：

圖3 風能預測預報虛擬仿真實驗建設流程

通過圖3所示的仿真實驗，可完成風能方面的理論學習，會進行風電場實際風速、預測風速、實際功率、預測功率的查詢，風電場風能數據的儲存、對比以及風能的預測展示（可通過圖像或列表的方式）。

對于風力發電仿真實驗及儲能仿真實驗，按照圖4所示的流程進行建設：

圖4 風力發電仿真實驗建設流程

通過圖4可完成風力機的結構學習與運行前的檢查以及風力機在各種可能情況下的模擬運行。其中的冷態啟動，主要是檢驗風機的工作性能，即通過廠用母線送電和設定微風，風機處于停機模式兩個方面的仿真，可以判斷風機運行是不是處于正常工作狀態[6]。

（1）廠用母線送電（2）設定微風，風機處于停機模式

開機是模擬風電場不同風力機的可能不同實際工作狀態，進行仿真實驗。共有以下幾種可能情況。

（1）風機投入單機控制模式，人工開機

（2）風機投入成組控制模式開機

（3）設定額定風速，風機額定負荷運行

（4）設定大于額定風速的風速，風機額定負荷運行

（5）設風機處于風暴下，停止運行

（6）定不同風向的風速，風機額定負荷運行

新能源風力發電技術將儲量巨大的風能轉化為電能，對現有能源消費體系形成有力的補充。風力發電和儲能仿真系統如圖5所示。

圖5 風力發電和儲能仿真系統

風力發電和儲能仿真實驗計劃完成儲能移峰實驗和風力平抑功能兩個方面的仿真實驗，其中儲能移峰實驗包括風力發電上網電量、儲能電量及其控制及移峰功率控制三個方面的仿真實驗，風力平抑功能包括平抑前后功率、儲能荷電狀態、平抑前后功率波動率三個仿真實驗。

五、結語

風力發電工程技術虛擬仿真實驗綜合平臺是一項復雜的系統工程，單靠一所大學來建設不太現實，因為投入太大，也沒有必要，可以采用校校、校企、學校與公司等多種聯合方式共同建設，通過對外購買、合作研發、自主研發等形式進行開發，如西安理工大學建設的風電場漫游、風功率預測等仿真實驗[7]都可以吸納到此平臺中。學生通過實驗綜合平臺的實際操作，提升了對風力發電方面理論知識的理解，能夠提高創造性和動手能力，在實踐中創作出學生的畢業設計項目，對學生將來的工作也有極大的幫助，培養出具有創新性的風電急需人才。