新能源发电提供高效精准仿真技术研究

河南九域腾龙信息工程有限公司 卫一民 葛忠善 李 鹏 彭振飞 宋光耀

由于风能的不稳定性和间歇性，提高风力发电的效率和可靠性仍然面临一定的挑战，因此开发一种高效精准的仿真技术来研究新能源发电系统具有重要意义。本文旨在设计和开发一种基于仿真技术的新能源发电仿真系统，通过对气象数据、风场、风力发电机组、输电系统和控制系统进行模拟，以深入理解新能源发电系统的运行特点，并为优化系统设计和提高能源利用效率提供理论依据。

1 新能源发电仿真系统模块的设计

1.1 气象数据模块

该模块的主要作用是获取风速、风向等气象数据，以提供给仿真系统作为输入。可以通过气象站或气象数据源来获取这些数据。在设计一个风力发电仿真系统时，准确的气象数据是非常重要的，因为风速、风向对于风力发电系统的性能和效果有着直接的影响。通过获取并使用实时的气象数据，仿真系统可以更好地模拟实际的气象情况，从而得到更准确的仿真结果。

1.2 风场模拟模块

此模块旨在基于气象数据来模拟风场的分布，生成不同位置上的风速和风向。可以使用数值模拟方法，如计算流体力学（CFD）技术来进行模拟。CFD 可以通过求解Navier-Stokes 方程和相关边界条件来模拟风场的行为。另外还可以使用基于统计数据的方法，如概率密度函数（PDF）等来估计不同位置上风速和风向的概率分布。风场模拟模块的目标是生成仿真系统所需的风场数据，以供后续的风力发电机组模块使用：f（x）=dF（x）/dx，其中：dF（x）表示累积分布函数F（x）对变量x的微分，dx表示变量x的微小增量。

1.3 风力发电机组模块

这个模块的任务是模拟风力发电机组的工作原理和性能，可以采用数学模型来描述风力发电机组的特性。如，可以使用风机的轴功率特性和转速-扭矩曲线来模拟风力发电机组的输出功率和机械特性。根据风速和风向输入，仿真系统可以计算出相应的风机输出功率。

1.4 输电系统模块

在风力发电系统中输电网络起着关键的作用，将风力发电机组产生的电能输送到负载端。输电系统模块旨在模拟风力发电系统中的输电网络，包括变压器、电缆、变流器等。可以考虑不同输电距离下的电网损耗和效率。本模块可以计算电网中的电压、电流、功率等参数，并分析电网的损耗和效率。这样可以帮助评估风力发电系统的输电性能，指导系统的优化设计。

1.5 控制系统模块

风力发电系统通常需要自动控制和监测系统来实现对风机的启停控制、功率调节、过载保护等功能。控制系统模块旨在模拟这些自动控制和监测功能。如，可以设计风力发电系统的控制算法，根据风速和风向输入调整风机的转速，使其始终工作在最佳状态。

2 仿真实验的设计

2.1 收集气象数据

可通过使用高精度的气象仪器和先进的数据源来收集气象数据，其中风速传感器采用基于旋转翼技术的风速测量装置，在本试验中选用型号为WXT520的Vaisala 风速传感器。这种传感器可测量风速范围从0到75m/s，并具有优异的测量精度和快速响应时间。同时使用风向传感器，本实验采用Campbell Scientific 公司的型号为034B 的风向传感器。该传感器采用角度编码器原理，可测量风的方向范围从0～360°。

这些传感器通常安装在气象站中，与CR1000数据采集器连接，以便实时记录风速和风向数据。之后使用GSM、CDMA 或NB-IoT 等通信技术，气象站可以与数据中心建立实时通讯，确保及时传输气象数据。这种通讯方式在大规模风电场中尤为常见，可以通过网络连接数百个气象站点，实时获取散布在风电场各处的气象数据[1]。

2.2 运行风场模拟模块

CFD 基于流体力学原理和偏微分方程求解方法，可以探索流体动力学行为并模拟风场：F（x，t，u，∂u/∂x，∂u/∂t，∂²u/∂x²，∂²u/∂t²，…）=0。而在风能发电仿真系统中，可以使用CFD 软件，如ANSYS Fluent 或OpenFOAM 来进行风场模拟。具体来说，首先需要根据收集到的气象数据构建三维的数值网格模型，这个模型将包含待模拟区域的空间几何信息，如地形、建筑物等。采用适当的网格划分方法生成精细且合适的网格，以便在模拟过程中准确捕捉风场的细节。

接下来需要设定模拟参数，如风速、风向、大气边界层参数等。这些参数可以基于收集到的气象数据进行设定，以尽可能准确地模拟实际风场情况。如，可将收集到的风速数据作为入口条件，将风向数据作为边界条件。此外还需要设定流体的物理性质，如空气密度和动力黏度等。然后运行风场模拟模块，生成不同位置上的风速和风向数据。在模拟过程中，模拟软件将根据设定的初始条件和边界条件，在网格模型中求解流体力学方程组。对于CFD技术，它将求解连续性方程和Navier-Stokes 方程，以获得区域内不同位置的风速和风向数据。针对基于统计数据的方法，模拟软件将基于概率分布函数进行随机抽样，生成相应位置的风速和风向数据，并考虑不确定性因素。

最终，运行风场模拟模块后将获得不同位置上的风速和风向数据，这些数据将为风能发电系统的设计、优化和性能评估提供重要的基础信息[2]。

2.3 运行风力发电机组模块

对于特定型号的风力发电机组，可以基于其机械和电气特性建立相应的数学模型。这需要考虑到风机的轴功率特性、转子的动力学行为等。常见的数学模型包括风力发电机组的机械运动方程、电气方程和控制方程等。其中最主要的为机械运动方程：v（t）=ds（t）/dt，a（t）=dv（t）/dt=d²s（t）/dt²，其中：s（t）表示物体的位移，v（t）表示物体的速度，a（t）表示物体的加速度。

例如，可以使用矩阵控制理论来描述整个系统的动态响应。除此之外，风力发电机组的输出功率与其转速和扭矩之间存在一定的关系。通过实验和数据分析，可以得到风机的轴功率特性和转速－扭矩曲线。可以将这些数据用于模拟风力发电机组的输出功率和机械特性。例如，可以使用传统的风力发电机组模型，如马尔科夫模型或装置模型来估计系统的输出功率。这些模型可以基于实际测量得到的风速数据进行优化和校准。

同时，风力发电机组需要具备启停控制和过载保护等功能，以确保其安全运行并最大限度地利用风能。为此需要设计相应的控制算法[3]。对于启停控制，可以根据实时监测到的风速和设定的阈值设计一个判定逻辑：当风速超过设定阈值时，启动风力发电机组；当风速低于设定阈值时，停止风力发电机组的运行。

2.4 运行仿真系统

获取实时风速和风向数据。这可以通过安装在风力发电机组上的风速测量仪器来实现。之后，根据风力发电机组的特性和风速数据，计算出相应的风机输出功率和机械特性。其中，风机输出功率表示风力发电机组从风能转化为电能的能力，机械特性包括转速、扭矩和叶片角度等参数。通过与风机的功率特性曲线相匹配，可以确定在给定风速下的实际输出功率。这可以利用数学模型和算法来实现，例如使用功率曲线法或负载曲线法。其中，功率曲线法是一种常见的方法，其基于已知的风机功率特性曲线，使用插值和逼近技术来计算实际输出功率。此外还可以利用模拟风力发电机组的机械特性，计算出转速、扭矩和叶片角度等参数，这些参数对于控制和保护风力发电机组的正常运行较为重要[4]。

在将风力发电机组产生的电能输送到负载端之前，需要考虑输电系统的模拟和计算。输电系统包括变压器、输电线路、电缆等组成部分。为此，首先需要在仿真系统中建立输电网络模型，这包括确定输电线路的拓扑结构、参数和连接关系。通过仿真计算可以了解电网的负荷情况、电压稳定性、功率平衡和故障恢复等方面的性能。在仿真过程中还可以考虑输电系统的潮流计算、短路计算和稳定性分析等。这些计算可以帮助评估风力发电机组与电网之间的互动效果，并优化输电系统的设计和运行参数，以提高能源传输的效率和可靠性。

2.5 进行性能测试

在进行性能测试前，需要设计相应的性能指标来评估风力发电系统的性能。本仿真实验主要涉及风力发电机组的最大功率输出，该指标表示风力发电机组从风能转化为电能的能力。可以通过实时记录风机的输出功率来评估其性能。

例如，对于一台型号为X 的风力发电机组，可以设定其额定功率为YkW，并根据实际测试数据来计算其实际输出功率。在准备好性能指标后，可以运行风力发电系统的仿真系统，并记录相关的仿真结果。这包括风速、风向、风力发电机组的输出功率、输电线路的电流和电压等参数。通过对风力发电机组在不同风速条件下的输出功率进行记录，可以获得一个功率特性曲线。该曲线通常是一个关于风速的函数，描述了在不同风速下风机的输出功率[5]。同时还可以记录输电线路上的电流和电压参数，并计算出相应的电网损耗。这可以帮助评估风力发电系统的输电效率和稳定性。在获得仿真结果后，可以对这些数据进行分析，并且评估风力发电系统的性能。

3 仿真实验的开展与结果实现

按照以上规程开展仿真实验，仿真参数如下：额定风速13m/s、叶尖速比6、自然风保持时间20s、基本风速7m/s、瞬时风速5m/s、空气密度1.27kg/m3、叶片半径5m、叶桨距角0。

就结果而言，在瞬时风速仿真实验中，通过最佳叶尖速比法仿真风力机的最大功率捕获过程。根据仿真数据得知，在瞬时风速情况下，风力机的输出功率随着转速的增加先增大后减小，存在一个最佳转速（6rad/s），当转速大于最佳转速时输出功率开始下降。此外，功率系数与叶尖速比的曲线也呈现相似的趋势，存在一个最佳叶尖速比（6），使功率系数达到最大值（0.44）。因此，通过保持风力机在最佳转速下运行，可以确保风力机稳定输出最大功率，验证了最佳叶尖速比法的正确性和有效性。

在自然风速仿真实验中，同样采用最佳叶尖速比法进行风力机的仿真。根据仿真结果发现，在自然风速情况下，风力机的最大输出功率会随着风速的变化而变化。特别是在风速急剧变化的时段，最大输出功率也会出现波动；而在风速较为稳定的时段，最大输出功率基本保持不变。这与提出的基于组合风速和最佳叶尖速比法的风力机仿真数学模型吻合，即风力机的最大输出功率与风速成正比[6]。

因此，通过保持风力机在最佳叶尖速比下运行，可实现在自然风速下的最大功率捕获。采用最佳叶尖速比法进行仿真的实验结果验证了该方法的正确性和有效性。通过控制风力机的转速和叶尖速比，可实现在不同风速情况下的最大功率捕获。这些实验结果对于优化风力发电系统的设计和运行具有指导意义，为实际应用中的风力发电提供了理论支持。

综上所述，本文设计的仿真技术，能够对新能源发电系统的运行特点有更全面认识，为优化系统设计和提高能源利用效率提供了理论依据。未来可以进一步完善仿真技术，探索其他新能源发电形式的仿真模块并应用于实际工程中，以推动新能源发电领域的发展。