王寧，段振云，趙文輝，邢作霞

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

大型風(fēng)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(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 新能源工程學(xué)院，沈陽 110023）

大型風(fēng)電機組的運行與維護是風(fēng)能與動力工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須進行的實踐環(huán)節(jié)。針對風(fēng)電場環(huán)境惡劣，且風(fēng)險性大的問題，在實驗室構(gòu)建大型風(fēng)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(fēng)電機組為仿真對象，縮比設(shè)計大型風(fēng)電機組仿真實驗臺，使其滿足啟停、偏航、變槳、并網(wǎng)、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(xué)生熟悉風(fēng)電機組的機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，并且更加深刻地理解風(fēng)電機組的工作過程，解決了以往實習(xí)和實驗不方便的問題。

大型風(fēng)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(huán)境嚴重惡化的今天，風(fēng)能作為一種可再生能源備受關(guān)注，風(fēng)電成為世界研究的熱點，風(fēng)能與動力工程專業(yè)的學(xué)生也成為緊缺人才[1-2]。風(fēng)電場是培養(yǎng)學(xué)生進行風(fēng)電機組的運營與維護的重要實習(xí)場所，但由于其多位于沙漠、草原、海邊等邊遠地區(qū)，自然條件惡劣，交通、食宿條件差，且學(xué)生登塔需要登高證，危險性大，這些因素都給現(xiàn)場實習(xí)與實驗帶來許多困難。因此，在實驗室構(gòu)建大型風(fēng)電機組的仿真平臺就變得很有必要。在仿真平臺上開設(shè)相關(guān)實驗，對于學(xué)生掌握大型風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)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(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)實驗，并未對風(fēng)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(tǒng)用于實驗教學(xué)。由于雙饋式風(fēng)電機組是目前大型風(fēng)電機組的主流機型[3]，本文將沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計的某型號雙饋式大型風(fēng)電機組作為仿真對象設(shè)計大型風(fēng)電機組仿真實驗臺。

1 大型風(fēng)電機組仿真實驗臺概述

大型風(fēng)電機組仿真實驗臺是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的原理[4-6]，結(jié)合教學(xué)需要而研發(fā)的風(fēng)電教學(xué)設(shè)備，目的是使學(xué)生深刻理解風(fēng)電原理。它用于仿真MW級風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)和工作過程，使學(xué)生對風(fēng)電機組的整體結(jié)構(gòu)和工作原理有一定的認識。模擬變速恒頻風(fēng)電機組的運行模式，包括變槳距系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)等，具有以實驗為目的的模擬機組待機、同步、并網(wǎng)、發(fā)電、脫網(wǎng)等分步運行控制的功能。

大型風(fēng)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(tài)實驗；

（2）對機組的啟動、空載運行、停機、超速、能量轉(zhuǎn)換等過程進行形象演示；

（3）仿真發(fā)電機組偏航時的所有過程，包括機組自動偏航對風(fēng)、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(tǒng)，具有演示要求的各項功能，內(nèi)部有嵌入的功能模塊，使用人員可以進行二次程序開發(fā)。

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

與真實風(fēng)電機組比較，大型風(fēng)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(nèi)含拖動電機，通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動發(fā)電機，同時通過減速機和齒輪減速，驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，如圖1所示；

（2）仿真實驗臺的變槳系統(tǒng)根據(jù)模擬風(fēng)況，三個伺服電機分別通過減速器、減速齒輪驅(qū)動變槳軸承，改變槳距角；將風(fēng)速風(fēng)向儀作為執(zhí)行元件，由步進電機驅(qū)動，模擬風(fēng)速風(fēng)向等風(fēng)況；

（3）根據(jù)大型風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)組成，按照一定的縮比關(guān)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(jù)裝配關(guān)系組裝成組件部件，最后裝配成風(fēng)電機組仿真實驗臺總成。

2.2 仿真實驗臺的裝配

大型風(fēng)電機組的裝配過程是本專業(yè)學(xué)生實習(xí)的重要內(nèi)容，而仿真實驗臺又不允許進行多次拆裝。基于此，本仿真實驗臺設(shè)計了虛擬實驗，依據(jù)真實風(fēng)電機組各零部件的裝配關(guān)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(chǎn)品，在裝配中建立零部件之間的鏈接關(guān)系。通過約束條件在零部件之間建立約束關(guān)系來確定零部件在產(chǎn)品中的空間關(guān)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(guān)聯(lián)性，即當(dāng)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(jié)構(gòu)，使學(xué)生更容易看到風(fēng)電機組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組的裝配過程及運動情況生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，便于學(xué)生更好地理解風(fēng)電機組的裝配工藝及工作過程，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

在大型風(fēng)電機組三維建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)其真實裝配過程，實現(xiàn)基于UG的大型風(fēng)電機組裝配過程仿真。

圖1 仿真實驗臺主傳動系統(tǒng)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(fēng)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(fēng)電機組的工作過程。

3 仿真實驗臺電氣仿真

主控系統(tǒng)主要體現(xiàn)在是對整個系統(tǒng)的邏輯性控制。其中，主控柜由拖動電機變頻器、偏航電機驅(qū)動器、UPS電源、230供電、安全鏈、供電電源等，它是整個系統(tǒng)電源提供處。模擬風(fēng)速時，由上位機發(fā)送適當(dāng)?shù)拿罱o變頻器，驅(qū)動電動機帶動發(fā)電機發(fā)電。整個系統(tǒng)的安全鏈控制要通過主控柜完成上電工作。當(dāng)緊急停電時，主控柜的UPS能給提供暫時電源。

并網(wǎng)柜由背靠背變頻器調(diào)制并網(wǎng)過程，通過電壓測量板和電流計算板測量轉(zhuǎn)子網(wǎng)側(cè)、定子網(wǎng)側(cè)和定子側(cè)的能量提供給變頻器，通過網(wǎng)側(cè)變頻器調(diào)制直流母線電壓，符合并網(wǎng)條件時，發(fā)出并網(wǎng)命令，實時并網(wǎng)。模型電機上的雙饋發(fā)電機處于亞同步狀態(tài)時，定子輸出能量送入電網(wǎng)，當(dāng)雙饋電機處于同步狀態(tài)時定子和轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)供電。

操作臺的主要功能是啟動和實驗?zāi)Ｊ降倪x擇，手動演示風(fēng)電機組發(fā)電的過程。其中，HMI界面主要是顯示IPC的內(nèi)部運行邏輯，各實驗項目的人機交互界面；安全鏈狀態(tài)顯示區(qū)顯示安全鏈各環(huán)節(jié)動作情況；各參數(shù)數(shù)碼儀表顯示功能，包括機組運行流程顯示區(qū)。

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

4 結(jié)論

大型風(fēng)電機組仿真實驗臺可以對風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)、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(fēng)，使仿真效果更加接近實際的風(fēng)電機組[8]。通過動畫演示，學(xué)生可以直觀地了解風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)及裝配過程，并且深刻地理解風(fēng)電機組偏航、變槳、主傳動和剎車的過程，解決了學(xué)生對風(fēng)電機組工作原理理解困難的問題，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，可以用于風(fēng)力發(fā)電相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)。

[1]關(guān)偉.國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況及發(fā)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(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)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(fēng)電發(fā)電機組原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2011.

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

[8]俞黎萍.風(fēng)電機組動態(tài)仿真平臺設(shè)計方法研究[J].風(fēng)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(shè)計與制造。

段振云（1971－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為機械設(shè)計與制造，風(fēng)電機組設(shè)計。