何立君， 殷明慧, 劉尚孟， 劉建坤， 周 前， 汪成根

(1. 南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210094；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著化石能源枯竭與污染日趨嚴(yán)重，風(fēng)能受到全世界的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電得到迅速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為獲取與利用風(fēng)能的工具，其龐大的體積與復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高且周期長(zhǎng)。風(fēng)機(jī)模擬器(wind turbine simulator, WTS)[1-5]是一種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)復(fù)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)械與電磁動(dòng)態(tài)的物理設(shè)備，具有費(fèi)用低，周期短與實(shí)驗(yàn)靈活的特性。

WTS中風(fēng)輪氣動(dòng)特性的模擬一般采用簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型[6]計(jì)算氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令，并基于具有電磁轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器-感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)矩指令。簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型以輪轂處風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為輸入變量，查詢Cp-λ-β表得到實(shí)時(shí)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但是，該模型僅描述了風(fēng)輪的切向轉(zhuǎn)矩，不僅無法提供風(fēng)機(jī)承載的其他力矩信息，而且忽略了大型風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)彈性形變與氣動(dòng)特性的交互影響，即氣動(dòng)-彈性耦合[7-9]。

隨著風(fēng)機(jī)尺寸不斷增大，其結(jié)構(gòu)的彈性形變愈發(fā)明顯，氣動(dòng)-彈性耦合對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響將不容忽視。因此，采用簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型的WTS難以準(zhǔn)確模擬大容量、大尺寸風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性。為了實(shí)現(xiàn)WTS對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)-彈性耦合的模擬，本文提取FAST (fatigue, aerodynamics, structures, and turbulence)[10]軟件中氣彈耦合部分源代碼，并重新封裝成FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊植入可編程邏輯控制器(PLC)中供主程序調(diào)用。

本文首先剖析了FAST的源碼結(jié)構(gòu)，剝?nèi)∑渲袣鈩?dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算部分的代碼。然后，利用C++與公式翻譯(FORTRAN)兩款編程軟件將FAST的氣動(dòng)計(jì)算代碼重新編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。接著，將氣動(dòng)計(jì)算DLL文件植入PLC中，實(shí)現(xiàn)與WTS主程序之間的實(shí)時(shí)通信。最后，對(duì)比傳統(tǒng)WTS與應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模型的WTS實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本文的FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊使WTS實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)的氣彈耦合模擬，得到的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩值更加接近實(shí)際風(fēng)機(jī)的數(shù)值。

1 風(fēng)機(jī)模擬器的介紹

1.1 風(fēng)機(jī)模擬器的構(gòu)成

WTS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成部分有：

(1) 額定功率為18.5 kW異步電機(jī)與額定功率為15 kW的永磁發(fā)電機(jī)；

(2) 1024 p/r的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器；

(3) VACON工業(yè)轉(zhuǎn)矩控制變頻器；

(4) 基于實(shí)時(shí)數(shù)字控制器的PLC；

(5) 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)；

(6) 上位機(jī)。

WTS利用高精度伺服電機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際動(dòng)態(tài)。PLC通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制變頻器以及電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。

圖1 風(fēng)機(jī)模擬器Fig.1 WTS based M-G set and converters

WTS的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。WTS主要模擬的是風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械與電氣動(dòng)態(tài)，風(fēng)輪氣動(dòng)動(dòng)態(tài)的模擬則是在PLC內(nèi)完成。在WTS運(yùn)行時(shí)，PLC中的風(fēng)輪氣動(dòng)模擬程序計(jì)算得到實(shí)時(shí)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，并下達(dá)給伺服電機(jī)。因此，風(fēng)輪氣動(dòng)特性對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響是以風(fēng)輪對(duì)傳動(dòng)鏈的切向力矩的形式來體現(xiàn)，即氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的切向分量，簡(jiǎn)稱為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖2 風(fēng)機(jī)模擬器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure diagram of WTS

模擬風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要建立氣動(dòng)模型，在WTS中應(yīng)用最廣泛的模型是簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型，其在風(fēng)輪氣動(dòng)建模過程中的大量簡(jiǎn)化導(dǎo)致風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的模擬精度較低。因此，有必要為WTS提供更接近實(shí)際風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模擬方法。

1.2 風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的模擬方法

1.2.1 簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型

簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型的理論基礎(chǔ)是貝茲理論。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ta的計(jì)算公式為[11]：

(1)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)速大??；ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù)；β為槳距角；λ為葉尖速比，其計(jì)算公式為：

(2)

已知所模擬的風(fēng)機(jī)模型參數(shù)和Cp-λ-β特性曲線，根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速即可以計(jì)算出風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。

簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型對(duì)風(fēng)輪的氣動(dòng)特性做出了較多的簡(jiǎn)化，包括忽略風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形變、將風(fēng)輪視為圓盤平面、經(jīng)過風(fēng)輪平面的風(fēng)速大小相等且與盤面垂直等。

1.2.2 基于葉素動(dòng)量理論的氣動(dòng)模型

葉素動(dòng)量理論[12]廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)仿真軟件和工程實(shí)際中。該理論獲得風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法為：首先將葉片沿展向分為無數(shù)微元，稱為葉素。接著，利用動(dòng)量定理計(jì)算出葉素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。最后，沿展向積分求得總轉(zhuǎn)矩值，即風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

基于葉素動(dòng)量理論的氣動(dòng)模型對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算更為精確且接近實(shí)際風(fēng)機(jī)。但是，無論是簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型，還是葉素動(dòng)量理論氣動(dòng)模型，都僅考慮了風(fēng)輪的氣動(dòng)動(dòng)態(tài)而忽略了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形變對(duì)氣動(dòng)特性的影響。這明顯并不符合實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性。

1.2.3 氣彈耦合模型

實(shí)際風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)多個(gè)部件會(huì)受到應(yīng)力而發(fā)生形變，這會(huì)改變風(fēng)輪的氣動(dòng)特性，進(jìn)而影響氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。為了符合實(shí)際風(fēng)機(jī)特性，模擬氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)須考慮氣彈耦合。隨著風(fēng)機(jī)容量和尺寸的增大，其形變也變得愈發(fā)明顯，對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響也越大。

2 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)-彈性耦合仿真的原理

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)-彈性耦合模型包括空氣動(dòng)力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，兩者之間具有強(qiáng)耦合關(guān)系。相比簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型和葉素動(dòng)量理論模型，風(fēng)機(jī)氣彈耦合模型的參數(shù)較多，自由度從風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一個(gè)增加到十幾個(gè)甚至數(shù)十個(gè)。模型愈加復(fù)雜，輸入與輸出量也更多。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)多個(gè)部位會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)形變，包括風(fēng)輪葉片形變、風(fēng)機(jī)桿塔偏移等，均會(huì)影響風(fēng)輪的氣動(dòng)特性。例如，風(fēng)的作用下風(fēng)輪葉片發(fā)生形變，則葉片的升阻力特性就會(huì)發(fā)生變化，這直接影響了風(fēng)輪的氣動(dòng)特性；而風(fēng)機(jī)的桿塔若向后偏移，風(fēng)輪盤面與來流風(fēng)的角度就會(huì)變化，風(fēng)速的入流角改變，從而風(fēng)輪的氣動(dòng)特性也發(fā)生變化。

如圖3所示，風(fēng)機(jī)氣彈耦合的仿真流程大致為：由空氣動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出氣動(dòng)載荷，而氣動(dòng)載荷會(huì)作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的輸入量參與計(jì)算，從而計(jì)算出各葉素在結(jié)構(gòu)變形后的新坐標(biāo)位置，同時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型與傳動(dòng)鏈模型相結(jié)合得到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，將這些數(shù)據(jù)重新反饋給空氣動(dòng)力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)計(jì)算氣動(dòng)載荷。

圖3 氣彈耦合模型仿真原理Fig.3 Simulation principle of aero-elastic coupled model

3 FAST氣動(dòng)-彈性耦合仿真代碼的提取與移植

FAST是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(national renewable energy laboratory，NREL)開發(fā)與維護(hù)的專業(yè)風(fēng)機(jī)仿真軟件。其在修正葉素動(dòng)量理論的基礎(chǔ)上，考慮了葉片形變帶來的氣彈-耦合問題，使得氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。FAST計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性獲得了德國(guó)勞埃德船級(jí)社認(rèn)證[13]，而且其源代碼對(duì)外公開，方便用戶的二次開發(fā)。

3.1 FAST程序的結(jié)構(gòu)與功能分析

FAST的源代碼均用FORTRAN編譯，其程序主要可分為五部分:波浪模型、空氣動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、傳動(dòng)鏈模型以及伺服控制系統(tǒng)模型。波浪模型程序負(fù)責(zé)計(jì)算波浪載荷，空氣動(dòng)力學(xué)模型程序負(fù)責(zé)計(jì)算氣動(dòng)載荷，而結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型程序主要負(fù)責(zé)根據(jù)作用在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷計(jì)算相應(yīng)形變位移和相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并反饋給上述兩個(gè)模型。FAST程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FAST程序總結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure diagram of FAST program

FAST軟件的仿真流程如圖5所示，首先讀取風(fēng)文件、風(fēng)機(jī)模型配置文件等。然后根據(jù)設(shè)置條件進(jìn)行迭代仿真。一個(gè)仿真周期內(nèi)，F(xiàn)AST計(jì)算程序的流程為：(1) 根據(jù)上一時(shí)刻各個(gè)自由度的位移與速度值以及外界因素(包括風(fēng)速、浪載等)，計(jì)算氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩等風(fēng)機(jī)受到的應(yīng)力；(2) 接著根據(jù)應(yīng)力計(jì)算風(fēng)機(jī)模型每個(gè)自由度的加速度；(3) 根據(jù)計(jì)算得到的加速度以及上一時(shí)刻的速度與位移值計(jì)算該時(shí)刻的速度與位移值。最后當(dāng)仿真時(shí)間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的仿真時(shí)間時(shí)，仿真結(jié)束。

圖5 FAST軟件仿真流程Fig.5 Simulation flow chart of FAST software

3.2 FAST氣動(dòng)-彈性耦合仿真代碼的提取

本文要提取的是圖4紅色虛線框中的部分程序，提取后得到的氣動(dòng)計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。該部分含有空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和波浪模型。

圖6 FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure diagram of FASTaerodynamic calculation module

將提取出的部分FAST程序代碼進(jìn)行封裝和二次開發(fā)，稱為FAST氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模塊，將其植入WTS的PLC中供主程序調(diào)用。經(jīng)提取與二次開發(fā)后的FAST氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模塊的轉(zhuǎn)速信號(hào)從自身迭代計(jì)算改為從WTS中獲取平臺(tái)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而計(jì)算得到氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為WTS提供所需模擬的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。因此，F(xiàn)AST氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模型的仿真流程從圖5變?yōu)閳D7所示。

圖7 應(yīng)用于WTS的FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊仿真流程Fig.7 The simulation flow chart of FAST aerodynamic calculation module for WTS

3.3 基于PLC的氣彈耦合代碼的運(yùn)行

上文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了FAST氣動(dòng)模型的提取、封裝，得到了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件形式的氣動(dòng)計(jì)算模塊。將FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊植入PLC中后，WTS的原理結(jié)構(gòu)改為圖8所示。

圖8 添加FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure diagram of WTS with FAST aerodynamic calculation module

Beckhoff PLC的內(nèi)置編程控制軟件是TwinCAT。TwinCAT僅支持進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交互，Beckhoff公司將這種數(shù)據(jù)交互方式稱為“R3IO”。“R3IO”是實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)兩個(gè)進(jìn)程實(shí)時(shí)通信的方式，通信時(shí)間可以忽略。

由于本文所制作的FAST氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，其不能自行運(yùn)行，無法直接通過“R3IO”與TwinCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VC++的可執(zhí)行文件作為TwinCAT主程序與FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊之間的橋梁，從而成功實(shí)現(xiàn)了PLC中主程序?qū)AST氣動(dòng)計(jì)算模塊的實(shí)時(shí)調(diào)用。TwinCAT主程序與FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊之間的通信原理如圖9所示。

圖9 FAST氣動(dòng)計(jì)算程序與TwinCAT的通信原理Fig.9 Communication principle of FASTaerodynamic calculation and TwinCAT

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文中所用WTS的參數(shù)參考NREL CART-3 600 kW實(shí)驗(yàn)機(jī)型，其氣動(dòng)與機(jī)械參數(shù)如表1所示。

表1 CART-3風(fēng)機(jī)氣動(dòng)與機(jī)械參數(shù)Tab.1 The aerodynamic and mechanical parameters of CART-3 Wind Turbine

風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制策略采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制，控制方法為工業(yè)中最廣泛應(yīng)用的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法[14-18]，其控制率為：

Tg=koptωg2

(3)

式中：Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

實(shí)驗(yàn)所采用的風(fēng)速v如圖10所示，時(shí)長(zhǎng)為20 min，平均風(fēng)速為4.3 m/s，湍流強(qiáng)度為A，積分尺度為150。

圖10 湍流風(fēng)速Fig.10 Turbulent wind speed

為了驗(yàn)證應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模擬的優(yōu)化效果，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下與采用簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型的傳統(tǒng)WTS進(jìn)行比較，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，兩者的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩值T存在明顯差異，這主要是因?yàn)楹?jiǎn)化氣動(dòng)模型中氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算僅依賴于靜態(tài)Cp-λ-β表，其計(jì)算過程中僅存在輪轂處風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量，未考慮氣彈耦合效應(yīng)，因此簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型難以準(zhǔn)確模擬風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。FAST軟件由NREL開發(fā)，其氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算考慮了氣彈耦合效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際。

圖11 兩種不同氣動(dòng)模型的WTS實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of WTS experimental results with two different aerodynamic models

此外，應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS同時(shí)可以獲得多個(gè)方向的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量(如圖12所示)，軸向與展向分量均呈現(xiàn)小幅振蕩的變化特性，且隨著氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩切向分量的升高，幅值也有所增加。而采用簡(jiǎn)化氣動(dòng)模型僅僅能夠獲取切向的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量，難以滿足載荷分析的需求。

圖12 氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩其他分量Fig.12 The other components of aerodynamic torque

除了氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩外，應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS還可以獲得風(fēng)機(jī)載荷數(shù)據(jù)，如葉根部載荷，輪轂載荷，風(fēng)機(jī)桿塔載荷等，如圖13所示。

圖13 葉片1的根部載荷Fig.13 Root loads of blade 1

葉片根部在揮舞方向主要受到空氣動(dòng)力載荷的影響，而氣動(dòng)載荷隨著湍流風(fēng)況的變化而變化，因此具有更強(qiáng)的波動(dòng)性；葉片根部在擺振方向更多地受到重力的影響，因而其波動(dòng)情況呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。風(fēng)機(jī)載荷數(shù)據(jù)的獲取有助于指導(dǎo)大型風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞分析。而采用簡(jiǎn)化模型的WTS卻無法輸出載荷信息。

5 結(jié)語

為了使風(fēng)機(jī)模擬器能夠更加準(zhǔn)確的模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性，本文對(duì)風(fēng)機(jī)專業(yè)仿真軟件FAST中的氣動(dòng)計(jì)算部分提取和封裝，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式植入PLC，以此替代傳統(tǒng)基于簡(jiǎn)化模型的氣動(dòng)計(jì)算模塊。

由于采用了更加精確的葉素動(dòng)量理論模型，且充分考慮了氣動(dòng)-彈性耦合效應(yīng)的影響，應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS能夠提供更加精確的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，而且可以提供多個(gè)方向的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量，便于分析風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷。不僅如此，應(yīng)用FAST氣動(dòng)計(jì)算模塊的WTS還可以提供更多的載荷信息，便于對(duì)葉片的分析與設(shè)計(jì)。