河南九域騰龍信息工程有限公司 衛(wèi)一民 葛忠善 李 鵬 彭振飛 宋光耀

由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和間歇性，提高風(fēng)力發(fā)電的效率和可靠性仍然面臨一定的挑戰(zhàn)，因此開(kāi)發(fā)一種高效精準(zhǔn)的仿真技術(shù)來(lái)研究新能源發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。本文旨在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種基于仿真技術(shù)的新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、輸電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以深入理解新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，并為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高能源利用效率提供理論依據(jù)。

1 新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

1.1 氣象數(shù)據(jù)模塊

該模塊的主要作用是獲取風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，以提供給仿真系統(tǒng)作為輸入?？梢酝ㄟ^(guò)氣象站或氣象數(shù)據(jù)源來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)時(shí)，準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)是非常重要的，因?yàn)轱L(fēng)速、風(fēng)向?qū)τ陲L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能和效果有著直接的影響。通過(guò)獲取并使用實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)可以更好地模擬實(shí)際的氣象情況，從而得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

1.2 風(fēng)場(chǎng)模擬模塊

此模塊旨在基于氣象數(shù)據(jù)來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)的分布，生成不同位置上的風(fēng)速和風(fēng)向。可以使用數(shù)值模擬方法，如計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。CFD 可以通過(guò)求解Navier-Stokes 方程和相關(guān)邊界條件來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)的行為。另外還可以使用基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方法，如概率密度函數(shù)（PDF）等來(lái)估計(jì)不同位置上風(fēng)速和風(fēng)向的概率分布。風(fēng)場(chǎng)模擬模塊的目標(biāo)是生成仿真系統(tǒng)所需的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以供后續(xù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模塊使用：f（x）=dF（x）/dx，其中：dF（x）表示累積分布函數(shù)F（x）對(duì)變量x的微分，dx表示變量x的微小增量。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模塊

這個(gè)模塊的任務(wù)是模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和性能，可以采用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性。如，可以使用風(fēng)機(jī)的軸功率特性和轉(zhuǎn)速-扭矩曲線來(lái)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率和機(jī)械特性。根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向輸入，仿真系統(tǒng)可以計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)輸出功率。

1.4 輸電系統(tǒng)模塊

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中輸電網(wǎng)絡(luò)起著關(guān)鍵的作用，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能輸送到負(fù)載端。輸電系統(tǒng)模塊旨在模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)絡(luò)，包括變壓器、電纜、變流器等?？梢钥紤]不同輸電距離下的電網(wǎng)損耗和效率。本模塊可以計(jì)算電網(wǎng)中的電壓、電流、功率等參數(shù)，并分析電網(wǎng)的損耗和效率。這樣可以幫助評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸電性能，指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.5 控制系統(tǒng)模塊

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常需要自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟?？刂?、功率調(diào)節(jié)、過(guò)載保護(hù)等功能。控制系統(tǒng)模塊旨在模擬這些自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)功能。如，可以設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制算法，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向輸入調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其始終工作在最佳狀態(tài)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 收集氣象數(shù)據(jù)

可通過(guò)使用高精度的氣象儀器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)源來(lái)收集氣象數(shù)據(jù)，其中風(fēng)速傳感器采用基于旋轉(zhuǎn)翼技術(shù)的風(fēng)速測(cè)量裝置，在本試驗(yàn)中選用型號(hào)為WXT520的Vaisala 風(fēng)速傳感器。這種傳感器可測(cè)量風(fēng)速范圍從0到75m/s，并具有優(yōu)異的測(cè)量精度和快速響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)使用風(fēng)向傳感器，本實(shí)驗(yàn)采用Campbell Scientific 公司的型號(hào)為034B 的風(fēng)向傳感器。該傳感器采用角度編碼器原理，可測(cè)量風(fēng)的方向范圍從0～360°。

這些傳感器通常安裝在氣象站中，與CR1000數(shù)據(jù)采集器連接，以便實(shí)時(shí)記錄風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。之后使用GSM、CDMA 或NB-IoT 等通信技術(shù)，氣象站可以與數(shù)據(jù)中心建立實(shí)時(shí)通訊，確保及時(shí)傳輸氣象數(shù)據(jù)。這種通訊方式在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中尤為常見(jiàn)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)百個(gè)氣象站點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取散布在風(fēng)電場(chǎng)各處的氣象數(shù)據(jù)[1]。

2.2 運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)模擬模塊

CFD 基于流體力學(xué)原理和偏微分方程求解方法，可以探索流體動(dòng)力學(xué)行為并模擬風(fēng)場(chǎng)：F（x，t，u，?u/?x，?u/?t，?2u/?x2，?2u/?t2，…）=0。而在風(fēng)能發(fā)電仿真系統(tǒng)中，可以使用CFD 軟件，如ANSYS Fluent 或OpenFOAM 來(lái)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬。具體來(lái)說(shuō)，首先需要根據(jù)收集到的氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建三維的數(shù)值網(wǎng)格模型，這個(gè)模型將包含待模擬區(qū)域的空間幾何信息，如地形、建筑物等。采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分方法生成精細(xì)且合適的網(wǎng)格，以便在模擬過(guò)程中準(zhǔn)確捕捉風(fēng)場(chǎng)的細(xì)節(jié)。

接下來(lái)需要設(shè)定模擬參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、大氣邊界層參數(shù)等。這些參數(shù)可以基于收集到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，以盡可能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況。如，可將收集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)作為入口條件，將風(fēng)向數(shù)據(jù)作為邊界條件。此外還需要設(shè)定流體的物理性質(zhì)，如空氣密度和動(dòng)力黏度等。然后運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)模擬模塊，生成不同位置上的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。在模擬過(guò)程中，模擬軟件將根據(jù)設(shè)定的初始條件和邊界條件，在網(wǎng)格模型中求解流體力學(xué)方程組。對(duì)于CFD技術(shù)，它將求解連續(xù)性方程和Navier-Stokes 方程，以獲得區(qū)域內(nèi)不同位置的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。針對(duì)基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方法，模擬軟件將基于概率分布函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，生成相應(yīng)位置的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，并考慮不確定性因素。

最終，運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)模擬模塊后將獲得不同位置上的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能評(píng)估提供重要的基礎(chǔ)信息[2]。

2.3 運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模塊

對(duì)于特定型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以基于其機(jī)械和電氣特性建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這需要考慮到風(fēng)機(jī)的軸功率特性、轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)行為等。常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程、電氣方程和控制方程等。其中最主要的為機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：v（t）=ds（t）/dt，a（t）=dv（t）/dt=d2s（t）/dt2，其中：s（t）表示物體的位移，v（t）表示物體的速度，a（t）表示物體的加速度。

例如，可以使用矩陣控制理論來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與其轉(zhuǎn)速和扭矩之間存在一定的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得到風(fēng)機(jī)的軸功率特性和轉(zhuǎn)速－扭矩曲線。可以將這些數(shù)據(jù)用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率和機(jī)械特性。例如，可以使用傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，如馬爾科夫模型或裝置模型來(lái)估計(jì)系統(tǒng)的輸出功率。這些模型可以基于實(shí)際測(cè)量得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和校準(zhǔn)。

同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要具備啟停控制和過(guò)載保護(hù)等功能，以確保其安全運(yùn)行并最大限度地利用風(fēng)能。為此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法[3]。對(duì)于啟停控制，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速和設(shè)定的閾值設(shè)計(jì)一個(gè)判定邏輯：當(dāng)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)定閾值時(shí)，停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。

2.4 運(yùn)行仿真系統(tǒng)

獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。這可以通過(guò)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)。之后，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性和風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)輸出功率和機(jī)械特性。其中，風(fēng)機(jī)輸出功率表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力，機(jī)械特性包括轉(zhuǎn)速、扭矩和葉片角度等參數(shù)。通過(guò)與風(fēng)機(jī)的功率特性曲線相匹配，可以確定在給定風(fēng)速下的實(shí)際輸出功率。這可以利用數(shù)學(xué)模型和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如使用功率曲線法或負(fù)載曲線法。其中，功率曲線法是一種常見(jiàn)的方法，其基于已知的風(fēng)機(jī)功率特性曲線，使用插值和逼近技術(shù)來(lái)計(jì)算實(shí)際輸出功率。此外還可以利用模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械特性，計(jì)算出轉(zhuǎn)速、扭矩和葉片角度等參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于控制和保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行較為重要[4]。

在將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能輸送到負(fù)載端之前，需要考慮輸電系統(tǒng)的模擬和計(jì)算。輸電系統(tǒng)包括變壓器、輸電線路、電纜等組成部分。為此，首先需要在仿真系統(tǒng)中建立輸電網(wǎng)絡(luò)模型，這包括確定輸電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)和連接關(guān)系。通過(guò)仿真計(jì)算可以了解電網(wǎng)的負(fù)荷情況、電壓穩(wěn)定性、功率平衡和故障恢復(fù)等方面的性能。在仿真過(guò)程中還可以考慮輸電系統(tǒng)的潮流計(jì)算、短路計(jì)算和穩(wěn)定性分析等。這些計(jì)算可以幫助評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的互動(dòng)效果，并優(yōu)化輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，以提高能源傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

2.5 進(jìn)行性能測(cè)試

在進(jìn)行性能測(cè)試前，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的性能指標(biāo)來(lái)評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。本仿真實(shí)驗(yàn)主要涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率輸出，該指標(biāo)表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)記錄風(fēng)機(jī)的輸出功率來(lái)評(píng)估其性能。

例如，對(duì)于一臺(tái)型號(hào)為X 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以設(shè)定其額定功率為YkW，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算其實(shí)際輸出功率。在準(zhǔn)備好性能指標(biāo)后，可以運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，并記錄相關(guān)的仿真結(jié)果。這包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率、輸電線路的電流和電壓等參數(shù)。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速條件下的輸出功率進(jìn)行記錄，可以獲得一個(gè)功率特性曲線。該曲線通常是一個(gè)關(guān)于風(fēng)速的函數(shù)，描述了在不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的輸出功率[5]。同時(shí)還可以記錄輸電線路上的電流和電壓參數(shù)，并計(jì)算出相應(yīng)的電網(wǎng)損耗。這可以幫助評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸電效率和穩(wěn)定性。在獲得仿真結(jié)果后，可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展與結(jié)果實(shí)現(xiàn)

按照以上規(guī)程開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)如下：額定風(fēng)速13m/s、葉尖速比6、自然風(fēng)保持時(shí)間20s、基本風(fēng)速7m/s、瞬時(shí)風(fēng)速5m/s、空氣密度1.27kg/m3、葉片半徑5m、葉槳距角0。

就結(jié)果而言，在瞬時(shí)風(fēng)速仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)最佳葉尖速比法仿真風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲過(guò)程。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得知，在瞬時(shí)風(fēng)速情況下，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速（6rad/s），當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速時(shí)輸出功率開(kāi)始下降。此外，功率系數(shù)與葉尖速比的曲線也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，存在一個(gè)最佳葉尖速比（6），使功率系數(shù)達(dá)到最大值（0.44）。因此，通過(guò)保持風(fēng)力機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，可以確保風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定輸出最大功率，驗(yàn)證了最佳葉尖速比法的正確性和有效性。

在自然風(fēng)速仿真實(shí)驗(yàn)中，同樣采用最佳葉尖速比法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的仿真。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在自然風(fēng)速情況下，風(fēng)力機(jī)的最大輸出功率會(huì)隨著風(fēng)速的變化而變化。特別是在風(fēng)速急劇變化的時(shí)段，最大輸出功率也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；而在風(fēng)速較為穩(wěn)定的時(shí)段，最大輸出功率基本保持不變。這與提出的基于組合風(fēng)速和最佳葉尖速比法的風(fēng)力機(jī)仿真數(shù)學(xué)模型吻合，即風(fēng)力機(jī)的最大輸出功率與風(fēng)速成正比[6]。

因此，通過(guò)保持風(fēng)力機(jī)在最佳葉尖速比下運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)在自然風(fēng)速下的最大功率捕獲。采用最佳葉尖速比法進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和葉尖速比，可實(shí)現(xiàn)在不同風(fēng)速情況下的最大功率捕獲。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，為實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)力發(fā)電提供了理論支持。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)，能夠?qū)π履茉窗l(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)有更全面認(rèn)識(shí)，為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高能源利用效率提供了理論依據(jù)。未來(lái)可以進(jìn)一步完善仿真技術(shù)，探索其他新能源發(fā)電形式的仿真模塊并應(yīng)用于實(shí)際工程中，以推動(dòng)新能源發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展。