唐志誠，葉會(huì)華

(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與安全工程學(xué)院，天津300384)

基于風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)供電試驗(yàn)的風(fēng)力機(jī)模擬研究

唐志誠，葉會(huì)華

(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與安全工程學(xué)院，天津300384)

以抽油機(jī)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電試驗(yàn)系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性，運(yùn)用相似理論得到了模型試驗(yàn)中與風(fēng)力機(jī)相似應(yīng)滿足的條件．計(jì)算了與某實(shí)際風(fēng)力機(jī)在對(duì)應(yīng)工況下相似的模型風(fēng)力機(jī)的相關(guān)參數(shù)．在此基礎(chǔ)上，建立一個(gè)由變頻器拖動(dòng)電機(jī)組成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行，保證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂袑?shí)際意義．

離網(wǎng)風(fēng)電；風(fēng)力機(jī)；相似理論；模擬研究

抽油機(jī)是油田生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備，單機(jī)功率大、效率低，人們希望改善其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能目的，但效果并不十分理想．發(fā)展可再生能源替代供電是企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要途徑之一．采用一臺(tái)離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與附近幾臺(tái)抽油機(jī)組成獨(dú)立供電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電不足時(shí)由網(wǎng)電補(bǔ)充供電，形成離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的抽油機(jī)供電系統(tǒng)，可充分利用油田區(qū)域的風(fēng)能，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[1]．本文以相似理論為基礎(chǔ)，以風(fēng)力機(jī)軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速相似為控制條件，研究確定了互補(bǔ)供電系統(tǒng)試驗(yàn)中模型風(fēng)力機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算機(jī)矢量控制方式模擬了試驗(yàn)中的模型風(fēng)力機(jī)．

1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的抽油機(jī)供電試驗(yàn)系統(tǒng)圖．系統(tǒng)包括模擬風(fēng)力機(jī)及發(fā)電機(jī)、模擬抽油機(jī)加載設(shè)備以及儲(chǔ)能和信號(hào)檢測與控制單元等．模擬風(fēng)力機(jī)應(yīng)具備的功能為：在實(shí)驗(yàn)室條件下，與一定區(qū)域氣候條件的實(shí)際風(fēng)力機(jī)軸轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)相似．

2 風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)是將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置．描述風(fēng)力機(jī)的參數(shù)有很多，在風(fēng)力機(jī)研究中，常用R表示風(fēng)輪半徑，β表示槳距角，λ表示葉尖速比，ω表示風(fēng)輪角速度，v表示風(fēng)速，ρ表示空氣密度．其中，R和β為基本幾何參數(shù)，ω為運(yùn)動(dòng)參數(shù)，v為環(huán)境參數(shù)．

一般情況下，大氣流速不高(＜25,m/s)可以認(rèn)為大氣密度不變．若不考慮葉片材質(zhì)(表面粗糙度)和葉片受力后變形的影響，風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)特性可用風(fēng)輪軸產(chǎn)生的功率P和葉尖速比λ來描述，即

式(1)中：Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，定槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比有關(guān)．若記α為入流因數(shù)[2]，則Cp可表示為

3 試驗(yàn)風(fēng)力機(jī)模型的相似及參數(shù)確定

實(shí)際風(fēng)力機(jī)軸功率大、塔架高，無法進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)研究，且氣候條件也不同．要進(jìn)行分析就必須采用模型試驗(yàn)，確定模型風(fēng)力機(jī)的相似條件和參數(shù)．

風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪和輸出軸組成，能量轉(zhuǎn)換是發(fā)生在氣流與風(fēng)輪葉片的繞流過程中．原型風(fēng)力機(jī)和模型風(fēng)力機(jī)相似是指：二者在對(duì)應(yīng)工況下，氣流與葉片相互作用過程中流體和風(fēng)輪的動(dòng)力、熱力及能量轉(zhuǎn)換情況相似，即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和物理過程的動(dòng)力相似．根據(jù)相似逆定理，對(duì)于同一類物理現(xiàn)象，如果單值量相似，且由單值量組成的相似準(zhǔn)則在數(shù)值上相等，則現(xiàn)象相似[3]．因此，首先應(yīng)使模型風(fēng)力機(jī)與原型風(fēng)力機(jī)在幾何結(jié)構(gòu)上完全相似．其次，模型風(fēng)力機(jī)與原型風(fēng)力機(jī)在相似的空氣流場中運(yùn)行，起始條件相同，且假設(shè)空氣為不可壓縮流體，滿足Re>200000[4]．

通過風(fēng)力機(jī)的參數(shù)分析，假定存在一模型風(fēng)力機(jī)，并以l和lm分別表示原型風(fēng)力機(jī)和模型風(fēng)力機(jī)的任意對(duì)應(yīng)的長度量，α和αm分別表示原型風(fēng)力機(jī)和模型風(fēng)力機(jī)的任意對(duì)應(yīng)角度量，k表示長度量的幾何相似比例常數(shù)，ρc表示材料密度．根據(jù)以上條件，原型風(fēng)力機(jī)和模型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)相似的準(zhǔn)則為

滿足以上條件時(shí)二者具有相同的氣動(dòng)特性和特征參數(shù)[5]．此時(shí)與原型風(fēng)力機(jī)工況(v,ω)相對(duì)應(yīng)的模型風(fēng)力機(jī)工況(vm,ωm)的風(fēng)速應(yīng)為

根據(jù)式(1)可得模型風(fēng)力機(jī)的軸功率為

當(dāng)滿足式(4)的條件時(shí)，原型風(fēng)力機(jī)與模型風(fēng)力機(jī)在對(duì)應(yīng)點(diǎn)的功率關(guān)系為

原型風(fēng)力機(jī)與模型風(fēng)力機(jī)在對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

現(xiàn)以某型號(hào)的50,kW水平軸直驅(qū)風(fēng)力機(jī)作為試驗(yàn)研究中的實(shí)際原型風(fēng)力機(jī)，由以上分析進(jìn)行相似參數(shù)計(jì)算．已知該風(fēng)力機(jī)為定槳距風(fēng)力機(jī)，葉片數(shù)為3個(gè)，在額定工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，參數(shù)如表1所示．

表1 某50,kW風(fēng)力機(jī)部分參數(shù)

在制作模型風(fēng)力機(jī)時(shí)要滿足以上的相似條件．假設(shè)獲得一模型風(fēng)力機(jī)，它與原型風(fēng)力機(jī)同系列，幾何結(jié)構(gòu)完全相似，而且模型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪半徑為2.5,m．根據(jù)已知條件和式(5)可得幾何比例常數(shù)為

在式(5)中對(duì)模型風(fēng)力機(jī)施加風(fēng)速vm=10.62m/s，如果它的轉(zhuǎn)速滿足

則模型風(fēng)力機(jī)與原型風(fēng)力機(jī)相似，且雷諾數(shù)Re>200000，符合相似準(zhǔn)則的條件．根據(jù)式(7)和式(8)也可得到在該工況時(shí)模型風(fēng)力機(jī)的軸功率約為5,kW，軸轉(zhuǎn)矩約為103,Nm．

4 試驗(yàn)風(fēng)力機(jī)的模擬

通過以上分析知，制作模型風(fēng)力機(jī)在相應(yīng)的風(fēng)速環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力特性模擬．但由于試驗(yàn)條件的限制，主要是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)風(fēng)速環(huán)境難度大，所以需要尋找其他動(dòng)力機(jī)械裝置替代模型風(fēng)力機(jī)．

由風(fēng)力機(jī)的基本原理可知，風(fēng)力機(jī)是能量轉(zhuǎn)換的裝置．在能量轉(zhuǎn)換過程中，風(fēng)力機(jī)輸出軸上集中了機(jī)械能，通過轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)．因此，在建立風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)控制變量要著眼于輸出軸轉(zhuǎn)矩上，模擬裝置輸出軸的轉(zhuǎn)矩變化與原型風(fēng)力機(jī)變化規(guī)律一致則達(dá)到模擬要求．本文采用計(jì)算機(jī)模擬相似風(fēng)場信號(hào)輸出，由變頻器控制電動(dòng)機(jī)，獲取對(duì)應(yīng)風(fēng)場下的模型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)．

在電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方法中，矢量控制技術(shù)最成熟．矢量控制的基本思想就是通過相應(yīng)的坐標(biāo)變換，將定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量解耦，然后對(duì)轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行控制[6]，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩模擬．因此，本文采用矢量控制的方法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制．

在d?q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，以np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，Lr為轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，Lm為定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩．根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機(jī)矢量控制模型，若設(shè)定異步電機(jī)的勵(lì)磁電流為定值，即可通過控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iT*來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制．由異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方程得[7]

根據(jù)風(fēng)力機(jī)模型的相似分析和控制條件，以風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩控制為基礎(chǔ)建立一個(gè)主要由計(jì)算機(jī)、變頻器、模擬電機(jī)、發(fā)電機(jī)和檢測器組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示．

圖2 風(fēng)力機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

因?yàn)樵谙嗨品治鲋信c原型風(fēng)力機(jī)相似的模型風(fēng)力機(jī)由電動(dòng)機(jī)替代，所以電機(jī)控制的目的為模擬假定存在的模型風(fēng)力機(jī)．根據(jù)實(shí)例中模型風(fēng)力機(jī)的相似參數(shù)，取k=3，R=2.5m ，ρ=1.29kg?m?3，則模擬風(fēng)力

m機(jī)的控制轉(zhuǎn)矩Tm1的計(jì)算式為

將式(5)代入上式，可以得到在對(duì)應(yīng)工況(vm,ωm)的條件下，模擬電機(jī)轉(zhuǎn)速為ωm1時(shí)的控制轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

在某風(fēng)速下，首先由式(2)計(jì)算出該工況下原型風(fēng)力機(jī)的葉尖速比，再將λ代入到原型風(fēng)力機(jī)的CT(λ)關(guān)系式得到轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT的值．然后通過式(13)計(jì)算此時(shí)模型風(fēng)力機(jī)在對(duì)應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)矩值Tm1，代入到式(11)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制．根據(jù)以上分析得到試驗(yàn)系統(tǒng)的控制流程，如圖3所示．

在控制流程圖中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)計(jì)算機(jī)通過相關(guān)軟件利用上述風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算式、原型風(fēng)力機(jī)的初始工況以及風(fēng)速數(shù)據(jù)庫建立控制模型．作為模擬風(fēng)力機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器將當(dāng)前檢測到的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)．計(jì)算機(jī)根據(jù)反饋的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值從對(duì)應(yīng)的初始工況點(diǎn)調(diào)用轉(zhuǎn)矩計(jì)算式和風(fēng)速數(shù)據(jù)庫，計(jì)算出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的參考值并發(fā)送控制信號(hào)至變頻器．變頻器通過矢量方法控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)．最后，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電通過整流、逆變環(huán)節(jié)后供給抽油機(jī)載荷模擬器．

圖3 風(fēng)力機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)控制流程

5 結(jié) 論

(1)初步建立了抽油機(jī)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，完成了系統(tǒng)從理論分析到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷霓D(zhuǎn)換．

(2)試驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)模型的建立應(yīng)以相似理論為前提，確定模型建立的原則和方法，保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂袑?shí)際意義．

(3)運(yùn)用模型風(fēng)力機(jī)計(jì)算參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制原理可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)軸動(dòng)力特性的室內(nèi)模擬，而且能通過發(fā)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行．

［1］ 彭 進(jìn). 抽油機(jī)離網(wǎng)風(fēng)力供電可行性研究[J]. 大眾科技，2009，3：97-99.

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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

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(10ZCGYGX02000)

唐志誠（1987—），男，天津人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．