基于风-网互补供电试验的风力机模拟研究

唐志诚，叶会华

(天津城市建设学院 能源与安全工程学院，天津300384)

基于风-网互补供电试验的风力机模拟研究

唐志诚，叶会华

(天津城市建设学院 能源与安全工程学院，天津300384)

以抽油机离网风电-网电互补供电试验系统中的风力机为研究对象，根据风力机的运行特性，运用相似理论得到了模型试验中与风力机相似应满足的条件．计算了与某实际风力机在对应工况下相似的模型风力机的相关参数．在此基础上，建立一个由变频器拖动电机组成的试验模型来模拟风力机的运行，保证了试验模型具有实际意义．

离网风电；风力机；相似理论；模拟研究

抽油机是油田生产中的主要耗能设备，单机功率大、效率低，人们希望改善其结构及控制系统达到节能目的，但效果并不十分理想．发展可再生能源替代供电是企业生产节能降耗的重要途径之一．采用一台离网风力发电机与附近几台抽油机组成独立供电系统，当风电不足时由网电补充供电，形成离网风电-网电互补的抽油机供电系统，可充分利用油田区域的风能，达到节能降耗的目的[1]．本文以相似理论为基础，以风力机轴转矩及转速相似为控制条件，研究确定了互补供电系统试验中模型风力机的相关参数，并以驱动电机的计算机矢量控制方式模拟了试验中的模型风力机．

1 模拟试验系统

图1 试验系统

图1所示为离网风电-网电互补的抽油机供电试验系统图．系统包括模拟风力机及发电机、模拟抽油机加载设备以及储能和信号检测与控制单元等．模拟风力机应具备的功能为：在实验室条件下，与一定区域气候条件的实际风力机轴转矩对应相似．

2 风力机的基本参数

风力发电系统中的风力机是将空气动能转化为机械能的装置．描述风力机的参数有很多，在风力机研究中，常用R表示风轮半径，β表示桨距角，λ表示叶尖速比，ω表示风轮角速度，v表示风速，ρ表示空气密度．其中，R和β为基本几何参数，ω为运动参数，v为环境参数．

一般情况下，大气流速不高(＜25,m/s)可以认为大气密度不变．若不考虑叶片材质(表面粗糙度)和叶片受力后变形的影响，风力机能量转换和运动特性可用风轮轴产生的功率P和叶尖速比λ来描述，即

式(1)中：Cp为风能利用系数，定桨距风力机的风能利用系数与叶尖速比有关．若记α为入流因数[2]，则Cp可表示为

3 试验风力机模型的相似及参数确定

实际风力机轴功率大、塔架高，无法进行实体试验研究，且气候条件也不同．要进行分析就必须采用模型试验，确定模型风力机的相似条件和参数．

风力机主要由风轮和输出轴组成，能量转换是发生在气流与风轮叶片的绕流过程中．原型风力机和模型风力机相似是指：二者在对应工况下，气流与叶片相互作用过程中流体和风轮的动力、热力及能量转换情况相似，即满足几何相似、运动相似和物理过程的动力相似．根据相似逆定理，对于同一类物理现象，如果单值量相似，且由单值量组成的相似准则在数值上相等，则现象相似[3]．因此，首先应使模型风力机与原型风力机在几何结构上完全相似．其次，模型风力机与原型风力机在相似的空气流场中运行，起始条件相同，且假设空气为不可压缩流体，满足Re>200000[4]．

通过风力机的参数分析，假定存在一模型风力机，并以l和lm分别表示原型风力机和模型风力机的任意对应的长度量，α和αm分别表示原型风力机和模型风力机的任意对应角度量，k表示长度量的几何相似比例常数，ρc表示材料密度．根据以上条件，原型风力机和模型风力机气动相似的准则为

满足以上条件时二者具有相同的气动特性和特征参数[5]．此时与原型风力机工况(v,ω)相对应的模型风力机工况(vm,ωm)的风速应为

根据式(1)可得模型风力机的轴功率为

当满足式(4)的条件时，原型风力机与模型风力机在对应点的功率关系为

原型风力机与模型风力机在对应点的轴转矩关系为

现以某型号的50,kW水平轴直驱风力机作为试验研究中的实际原型风力机，由以上分析进行相似参数计算．已知该风力机为定桨距风力机，叶片数为3个，在额定工况点稳定运行，参数如表1所示．

表1 某50,kW风力机部分参数

在制作模型风力机时要满足以上的相似条件．假设获得一模型风力机，它与原型风力机同系列，几何结构完全相似，而且模型风力机的风轮半径为2.5,m．根据已知条件和式(5)可得几何比例常数为

在式(5)中对模型风力机施加风速vm=10.62m/s，如果它的转速满足

则模型风力机与原型风力机相似，且雷诺数Re>200000，符合相似准则的条件．根据式(7)和式(8)也可得到在该工况时模型风力机的轴功率约为5,kW，轴转矩约为103,Nm．

4 试验风力机的模拟

通过以上分析知，制作模型风力机在相应的风速环境中可以实现风力机的动力特性模拟．但由于试验条件的限制，主要是实现相应风速环境难度大，所以需要寻找其他动力机械装置替代模型风力机．

由风力机的基本原理可知，风力机是能量转换的装置．在能量转换过程中，风力机输出轴上集中了机械能，通过转矩传递到发电机．因此，在建立风力机试验模型时控制变量要着眼于输出轴转矩上，模拟装置输出轴的转矩变化与原型风力机变化规律一致则达到模拟要求．本文采用计算机模拟相似风场信号输出，由变频器控制电动机，获取对应风场下的模型风力机转矩、转速参数．

在电机的转矩控制方法中，矢量控制技术最成熟．矢量控制的基本思想就是通过相应的坐标变换，将定子电流的励磁分量与转矩分量解耦，然后对转矩分量进行控制[6]，从而实现风力机的转矩模拟．因此，本文采用矢量控制的方法对异步电机进行转矩控制．

在d−q旋转坐标系下，以np为电机的极对数，Lr为转子等效两相绕组的自感，Lm为定子与转子同轴等效绕组间的互感，ψr为转子磁链，Te为电机的电磁转矩．根据转子磁场定向的异步电机矢量控制模型，若设定异步电机的励磁电流为定值，即可通过控制定子电流的转矩分量iT*来实现电动机的转矩控制．由异步电机电磁转矩计算方程得[7]

根据风力机模型的相似分析和控制条件，以风力机转矩控制为基础建立一个主要由计算机、变频器、模拟电机、发电机和检测器组成的试验系统，如图2所示．

图2 风力机模拟试验系统

因为在相似分析中与原型风力机相似的模型风力机由电动机替代，所以电机控制的目的为模拟假定存在的模型风力机．根据实例中模型风力机的相似参数，取k=3，R=2.5m ，ρ=1.29kg⋅m−3，则模拟风力

m机的控制转矩Tm1的计算式为

将式(5)代入上式，可以得到在对应工况(vm,ωm)的条件下，模拟电机转速为ωm1时的控制转矩计算式为

在某风速下，首先由式(2)计算出该工况下原型风力机的叶尖速比，再将λ代入到原型风力机的CT(λ)关系式得到转矩系数CT的值．然后通过式(13)计算此时模型风力机在对应工况下的转矩值Tm1，代入到式(11)对电机进行控制．根据以上分析得到试验系统的控制流程，如图3所示．

在控制流程图中，系统运行时计算机通过相关软件利用上述风力机的转矩计算式、原型风力机的初始工况以及风速数据库建立控制模型．作为模拟风力机的电动机启动运行后，电机输出轴上的转矩、转速传感器将当前检测到的转矩与转速信号发送给计算机．计算机根据反馈的转矩、转速值从对应的初始工况点调用转矩计算式和风速数据库，计算出电机输出转矩的参考值并发送控制信号至变频器．变频器通过矢量方法控制异步电机的转矩，电机将转矩传递给发电机．最后，发电机发出的电通过整流、逆变环节后供给抽油机载荷模拟器．

图3 风力机模拟试验系统控制流程

5 结 论

(1)初步建立了抽油机离网风电-网电互补供电试验系统的结构，完成了系统从理论分析到试验模型的转换．

(2)试验用风力机模型的建立应以相似理论为前提，确定模型建立的原则和方法，保证试验模型具有实际意义．

(3)运用模型风力机计算参数和电机转矩控制原理可实现风力机轴动力特性的室内模拟，而且能通过发电机带动负载运行．

［1］ 彭 进. 抽油机离网风力供电可行性研究[J]. 大众科技，2009，3：97-99.

［2］ BURTON T. 风能技术[M]. 武 鑫，谷海涛，李海东，译. 北京：科学出版社，2007.

［3］ 徐 挺. 相似理论与模型试验[M]. 北京：中国农业机械出版社，1982.

［4］ 廖明夫，GASCH R，TWELE J. 风力发电技术[M]. 西安：西北工业大学出版社，2009.

［5］ 陈荣盛，张礼达，任腊春. 基于相似理论的风力机力特性分析[J]. 水力发电，2008，6：92-94.

［6］ 王前双，胡育文，黄文新. 风力机模拟技术综述[J]. 电机与控制应用，2010，37(3)：1-6.

［7］ 姜 鑫. 风力机特性分析和模拟装置开发[D]. 浙江：浙江大学，2011.

Wind Turbine Simulation Research based on the Test of Off-grid Wind Power-Grid Power Complementary Power Supply System

TANG Zhi-cheng，YE Hui-hua
(School of Energy and Safety Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China)

Wind turbines used in the off-grid wind power-grid power complementary power supply system for pumping unit were selected as the research object. According to the operating characteristics of wind turbines, the pre-conditions of wind turbines similarity in the model test were obtained by using similarity theory. The parameters of the model wind turbine were calculated under the condition which was corresponding to a real wind turbine. On this basis, a test model composed of inverter-driven motor for the simulation of wind turbine was established to guarantee that the test model was feasible and effective.

off-grid wind power；wind turbine；similarity theory；simulation research

book=1,ebook=1

TM614

A

1006-6853(2013)01-0051-04

2012-10-17；

2012-10-30

天津市科技支撑计划项目(10ZCGYGX02000)

唐志诚（1987—），男，天津人，天津城市建设学院硕士生．