新能源發電提供高效精準仿真技術研究

河南九域騰龍信息工程有限公司 衛一民 葛忠善 李 鵬 彭振飛 宋光耀

由于風能的不穩定性和間歇性，提高風力發電的效率和可靠性仍然面臨一定的挑戰，因此開發一種高效精準的仿真技術來研究新能源發電系統具有重要意義。本文旨在設計和開發一種基于仿真技術的新能源發電仿真系統，通過對氣象數據、風場、風力發電機組、輸電系統和控制系統進行模擬，以深入理解新能源發電系統的運行特點，并為優化系統設計和提高能源利用效率提供理論依據。

1 新能源發電仿真系統模塊的設計

1.1 氣象數據模塊

該模塊的主要作用是獲取風速、風向等氣象數據，以提供給仿真系統作為輸入?？梢酝ㄟ^氣象站或氣象數據源來獲取這些數據。在設計一個風力發電仿真系統時，準確的氣象數據是非常重要的，因為風速、風向對于風力發電系統的性能和效果有著直接的影響。通過獲取并使用實時的氣象數據，仿真系統可以更好地模擬實際的氣象情況，從而得到更準確的仿真結果。

1.2 風場模擬模塊

此模塊旨在基于氣象數據來模擬風場的分布，生成不同位置上的風速和風向。可以使用數值模擬方法，如計算流體力學（CFD）技術來進行模擬。CFD 可以通過求解Navier-Stokes 方程和相關邊界條件來模擬風場的行為。另外還可以使用基于統計數據的方法，如概率密度函數（PDF）等來估計不同位置上風速和風向的概率分布。風場模擬模塊的目標是生成仿真系統所需的風場數據，以供后續的風力發電機組模塊使用：f（x）=dF（x）/dx，其中：dF（x）表示累積分布函數F（x）對變量x的微分，dx表示變量x的微小增量。

1.3 風力發電機組模塊

這個模塊的任務是模擬風力發電機組的工作原理和性能，可以采用數學模型來描述風力發電機組的特性。如，可以使用風機的軸功率特性和轉速-扭矩曲線來模擬風力發電機組的輸出功率和機械特性。根據風速和風向輸入，仿真系統可以計算出相應的風機輸出功率。

1.4 輸電系統模塊

在風力發電系統中輸電網絡起著關鍵的作用，將風力發電機組產生的電能輸送到負載端。輸電系統模塊旨在模擬風力發電系統中的輸電網絡，包括變壓器、電纜、變流器等?？梢钥紤]不同輸電距離下的電網損耗和效率。本模塊可以計算電網中的電壓、電流、功率等參數，并分析電網的損耗和效率。這樣可以幫助評估風力發電系統的輸電性能，指導系統的優化設計。

1.5 控制系統模塊

風力發電系統通常需要自動控制和監測系統來實現對風機的啟?？刂啤⒐β收{節、過載保護等功能?？刂葡到y模塊旨在模擬這些自動控制和監測功能。如，可以設計風力發電系統的控制算法，根據風速和風向輸入調整風機的轉速，使其始終工作在最佳狀態。

2 仿真實驗的設計

2.1 收集氣象數據

可通過使用高精度的氣象儀器和先進的數據源來收集氣象數據，其中風速傳感器采用基于旋轉翼技術的風速測量裝置，在本試驗中選用型號為WXT520的Vaisala 風速傳感器。這種傳感器可測量風速范圍從0到75m/s，并具有優異的測量精度和快速響應時間。同時使用風向傳感器，本實驗采用Campbell Scientific 公司的型號為034B 的風向傳感器。該傳感器采用角度編碼器原理，可測量風的方向范圍從0～360°。

這些傳感器通常安裝在氣象站中，與CR1000數據采集器連接，以便實時記錄風速和風向數據。之后使用GSM、CDMA 或NB-IoT 等通信技術，氣象站可以與數據中心建立實時通訊，確保及時傳輸氣象數據。這種通訊方式在大規模風電場中尤為常見，可以通過網絡連接數百個氣象站點，實時獲取散布在風電場各處的氣象數據[1]。

2.2 運行風場模擬模塊

CFD 基于流體力學原理和偏微分方程求解方法，可以探索流體動力學行為并模擬風場：F（x，t，u，?u/?x，?u/?t，?2u/?x2，?2u/?t2，…）=0。而在風能發電仿真系統中，可以使用CFD 軟件，如ANSYS Fluent 或OpenFOAM 來進行風場模擬。具體來說，首先需要根據收集到的氣象數據構建三維的數值網格模型，這個模型將包含待模擬區域的空間幾何信息，如地形、建筑物等。采用適當的網格劃分方法生成精細且合適的網格，以便在模擬過程中準確捕捉風場的細節。

接下來需要設定模擬參數，如風速、風向、大氣邊界層參數等。這些參數可以基于收集到的氣象數據進行設定，以盡可能準確地模擬實際風場情況。如，可將收集到的風速數據作為入口條件，將風向數據作為邊界條件。此外還需要設定流體的物理性質，如空氣密度和動力黏度等。然后運行風場模擬模塊，生成不同位置上的風速和風向數據。在模擬過程中，模擬軟件將根據設定的初始條件和邊界條件，在網格模型中求解流體力學方程組。對于CFD技術，它將求解連續性方程和Navier-Stokes 方程，以獲得區域內不同位置的風速和風向數據。針對基于統計數據的方法，模擬軟件將基于概率分布函數進行隨機抽樣，生成相應位置的風速和風向數據，并考慮不確定性因素。

最終，運行風場模擬模塊后將獲得不同位置上的風速和風向數據，這些數據將為風能發電系統的設計、優化和性能評估提供重要的基礎信息[2]。

2.3 運行風力發電機組模塊

對于特定型號的風力發電機組，可以基于其機械和電氣特性建立相應的數學模型。這需要考慮到風機的軸功率特性、轉子的動力學行為等。常見的數學模型包括風力發電機組的機械運動方程、電氣方程和控制方程等。其中最主要的為機械運動方程：v（t）=ds（t）/dt，a（t）=dv（t）/dt=d2s（t）/dt2，其中：s（t）表示物體的位移，v（t）表示物體的速度，a（t）表示物體的加速度。

例如，可以使用矩陣控制理論來描述整個系統的動態響應。除此之外，風力發電機組的輸出功率與其轉速和扭矩之間存在一定的關系。通過實驗和數據分析，可以得到風機的軸功率特性和轉速－扭矩曲線?？梢詫⑦@些數據用于模擬風力發電機組的輸出功率和機械特性。例如，可以使用傳統的風力發電機組模型，如馬爾科夫模型或裝置模型來估計系統的輸出功率。這些模型可以基于實際測量得到的風速數據進行優化和校準。

同時，風力發電機組需要具備啟?？刂坪瓦^載保護等功能，以確保其安全運行并最大限度地利用風能。為此需要設計相應的控制算法[3]。對于啟停控制，可以根據實時監測到的風速和設定的閾值設計一個判定邏輯：當風速超過設定閾值時，啟動風力發電機組；當風速低于設定閾值時，停止風力發電機組的運行。

2.4 運行仿真系統

獲取實時風速和風向數據。這可以通過安裝在風力發電機組上的風速測量儀器來實現。之后，根據風力發電機組的特性和風速數據，計算出相應的風機輸出功率和機械特性。其中，風機輸出功率表示風力發電機組從風能轉化為電能的能力，機械特性包括轉速、扭矩和葉片角度等參數。通過與風機的功率特性曲線相匹配，可以確定在給定風速下的實際輸出功率。這可以利用數學模型和算法來實現，例如使用功率曲線法或負載曲線法。其中，功率曲線法是一種常見的方法，其基于已知的風機功率特性曲線，使用插值和逼近技術來計算實際輸出功率。此外還可以利用模擬風力發電機組的機械特性，計算出轉速、扭矩和葉片角度等參數，這些參數對于控制和保護風力發電機組的正常運行較為重要[4]。

在將風力發電機組產生的電能輸送到負載端之前，需要考慮輸電系統的模擬和計算。輸電系統包括變壓器、輸電線路、電纜等組成部分。為此，首先需要在仿真系統中建立輸電網絡模型，這包括確定輸電線路的拓撲結構、參數和連接關系。通過仿真計算可以了解電網的負荷情況、電壓穩定性、功率平衡和故障恢復等方面的性能。在仿真過程中還可以考慮輸電系統的潮流計算、短路計算和穩定性分析等。這些計算可以幫助評估風力發電機組與電網之間的互動效果，并優化輸電系統的設計和運行參數，以提高能源傳輸的效率和可靠性。

2.5 進行性能測試

在進行性能測試前，需要設計相應的性能指標來評估風力發電系統的性能。本仿真實驗主要涉及風力發電機組的最大功率輸出，該指標表示風力發電機組從風能轉化為電能的能力?？梢酝ㄟ^實時記錄風機的輸出功率來評估其性能。

例如，對于一臺型號為X 的風力發電機組，可以設定其額定功率為YkW，并根據實際測試數據來計算其實際輸出功率。在準備好性能指標后，可以運行風力發電系統的仿真系統，并記錄相關的仿真結果。這包括風速、風向、風力發電機組的輸出功率、輸電線路的電流和電壓等參數。通過對風力發電機組在不同風速條件下的輸出功率進行記錄，可以獲得一個功率特性曲線。該曲線通常是一個關于風速的函數，描述了在不同風速下風機的輸出功率[5]。同時還可以記錄輸電線路上的電流和電壓參數，并計算出相應的電網損耗。這可以幫助評估風力發電系統的輸電效率和穩定性。在獲得仿真結果后，可以對這些數據進行分析，并且評估風力發電系統的性能。

3 仿真實驗的開展與結果實現

按照以上規程開展仿真實驗，仿真參數如下：額定風速13m/s、葉尖速比6、自然風保持時間20s、基本風速7m/s、瞬時風速5m/s、空氣密度1.27kg/m3、葉片半徑5m、葉槳距角0。

就結果而言，在瞬時風速仿真實驗中，通過最佳葉尖速比法仿真風力機的最大功率捕獲過程。根據仿真數據得知，在瞬時風速情況下，風力機的輸出功率隨著轉速的增加先增大后減小，存在一個最佳轉速（6rad/s），當轉速大于最佳轉速時輸出功率開始下降。此外，功率系數與葉尖速比的曲線也呈現相似的趨勢，存在一個最佳葉尖速比（6），使功率系數達到最大值（0.44）。因此，通過保持風力機在最佳轉速下運行，可以確保風力機穩定輸出最大功率，驗證了最佳葉尖速比法的正確性和有效性。

在自然風速仿真實驗中，同樣采用最佳葉尖速比法進行風力機的仿真。根據仿真結果發現，在自然風速情況下，風力機的最大輸出功率會隨著風速的變化而變化。特別是在風速急劇變化的時段，最大輸出功率也會出現波動；而在風速較為穩定的時段，最大輸出功率基本保持不變。這與提出的基于組合風速和最佳葉尖速比法的風力機仿真數學模型吻合，即風力機的最大輸出功率與風速成正比[6]。

因此，通過保持風力機在最佳葉尖速比下運行，可實現在自然風速下的最大功率捕獲。采用最佳葉尖速比法進行仿真的實驗結果驗證了該方法的正確性和有效性。通過控制風力機的轉速和葉尖速比，可實現在不同風速情況下的最大功率捕獲。這些實驗結果對于優化風力發電系統的設計和運行具有指導意義，為實際應用中的風力發電提供了理論支持。

綜上所述，本文設計的仿真技術，能夠對新能源發電系統的運行特點有更全面認識，為優化系統設計和提高能源利用效率提供了理論依據。未來可以進一步完善仿真技術，探索其他新能源發電形式的仿真模塊并應用于實際工程中，以推動新能源發電領域的發展。