风机模拟研究现状与存在问题

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风力发电系统模拟的关键是石家庄市风机动特性的模拟，国内外许多学者提出了不同类型的石家庄风机模拟方案。概括起来，石家庄市风机模拟器主要由转矩随动伺服系统和石家庄市风机输出参考转矩计算模块两部分组成，尽管石家庄市风机模拟方案繁多，但可以按如下两种划分方法进行划分：(1)根据模拟石家庄风机所用原动机的不同，可以划分为直流电机和交流电机模拟试验系统。其中在以交流电机作为原动机的模拟试验系统中，常用的交流电机有笼型异步电机、永磁同步电机等。与交流电机相比，直流电机因其控制较为容易得到了广泛的应用，但是与交流电机相比，直流电机也有其不足之处，其最大的不足之处在于：体积大、生产维护成本较高。鉴于直流电机的这些不足，交流电机在风力发电机模拟系统中，尤其是在大功率风力发电机模拟系统中得到了广泛的应用。(2)根据模拟系统所具有的特性不同，又可划分为静态特性模拟系统和动态特性模拟系统。石家庄市风机的静态模拟系统仅对石家庄市风机的静态转矩特性和功率特性进行模拟，不考虑石家庄市风机厂到发电机机械传动机构之间的弹性、阻尼、石家庄市风机的惯性、塔影效应和风剪等动态特性，这使得模拟系统中原电动机的控制得到了较大的简化，但这也使得模拟系统与风力发电机的真实运行情况相差较大，不利于如最大功率点跟踪(MPPT)、抑制电能闪变(Flicker)等控制系统动态特性研究。为满足风力发电机动态特性研究的需要，风力发电机的动态模拟系统的研究近年来备受学术界关注。
对风力发电机动态特性的模拟目前主要有两种方式：其一是通过附加硬件进行模拟；其二是通过计算机软件进行模拟。采用附加硬件进行模拟的如采用附加飞轮的办法模拟石家庄市风机较大的惯性作用，采用实际增加齿轮箱的办法来模拟风力发电机传输轴的弹性作用等。这些采用附加硬件模拟的方案虽然也能够起动对风力发电机动态特性模拟的功能，简化原动机控制系统的软件设计，但其最大的不足就在于所建立的一套硬件模拟系统仅能模拟一种或者几种型号的石家庄市风机，缺乏灵活性，并且对大功率石家庄市风机进行模拟时存在有一定的难度。采用软件进行动态模拟的方法，主要是根据石家庄市风机空气动力学特性产生原动机的转矩或者功率时，加入了转动惯量、摩擦系数、弹性等动态环节，从而实现原动机指令信号及其动态响应的实时修正，进而使其模拟石家庄市风机的实际动态响应特性。对于塔影效应和风剪效应的模拟，通常是通过对模拟风速进行修正或对原动机指令转矩进行实时补偿的方法来实现。如前所述虽然石家庄市风机模拟方案众多，且各种模拟方案均较为详细的介绍了石家庄市风机模拟的基本原理及其模拟方案，然而各种系统模拟方案缺乏对塔影效应、风剪效应及其石家庄市风机大转动惯量等因素的基本分析和模拟，模拟方案不够准确，且20缺乏模拟方案的具体实施过程。
如文献基于叶素理论，对石家庄市风机的风剪及塔影效用做了详细的理论研究，但缺乏具体的模拟实现过程；文献[19】对石家庄市风机厂大转动惯量有所提及，但缺乏系统性分析及其仿真；文献[20]N用调速飞轮进行石家庄市风机大惯性环节的模拟，虽然实验结果理想，但是对于不同的石家庄市风机要更换不同的飞轮，大大增加了实验成本及其实验的复杂性。这些被忽略的因素所导致的并网电压的波动及其谐波污染，对于网侧变流器的控制具有至关重要的作用；也使得石家庄市风机模拟器与实际石家庄市风机的特性差异较大，不适合替代实际石家庄市风机进行风力发电模拟系统实验研究。概括起来，现有的石家庄市风机模拟方案主要存在以下两个方面的不足：(1)忽略了实际石家庄市风机厂与模拟用电动机转动惯量的差异；(2)石家庄市风机输出参考转矩的计算均采用简单的平均转矩计算方式，即利用石家庄市风机的气动方程直接计算得出，忽略了由于风剪、塔影效应引起的转矩脉动量。故多为石家庄市风机的静态特性模拟，而综合考虑多种因素的石家庄市风机动态特性模拟实为鲜见。