風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)初探

倫淑嫻 李春杰

摘要：針對風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實驗設(shè)備難以滿足教學(xué)需求等情況，提出構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺。論文詳細地闡述了平臺建設(shè)的必要性、平臺的構(gòu)成及應(yīng)用前景等。該平臺在構(gòu)建過程既要遵循虛擬仿真教學(xué)的特征，又要貫穿學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的現(xiàn)代教育理念。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；風(fēng)力發(fā)電；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）45-0076-02

一、引言

風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保的可再生能源受到了世界各國的高度重視，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量已達1.29億千瓦，占全部發(fā)電機組裝機容量的8.6%。預(yù)計到2020年，風(fēng)電將達到2億千瓦以上。因此，對風(fēng)力發(fā)電的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和管理等方面的人才需求也隨之增加。但是風(fēng)力發(fā)電涉及機械、電力、電子、液壓、控制、計算機、數(shù)值天氣預(yù)報等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程，因此成熟的風(fēng)力發(fā)電實驗教學(xué)儀器還很缺乏。目前已有的風(fēng)力發(fā)電實驗儀器，如上海同育教學(xué)儀器設(shè)備制造有限公司的TYKJ-SF雙饋風(fēng)力發(fā)電機模擬試驗臺、上海頂邦教育設(shè)備有限公司的DB-FN02型大型雙饋風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)等在空載運轉(zhuǎn)、并網(wǎng)實驗、風(fēng)速、轉(zhuǎn)距、發(fā)電功率、脫網(wǎng)保護等方面提供了模擬實驗。這些裝置可以幫助學(xué)生初步理解風(fēng)力發(fā)電原理和技術(shù)，學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電機的機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成。因此，亟待建設(shè)風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，模擬各種風(fēng)的形成與特性、風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場的建設(shè)、風(fēng)電機組的控制、典型故障、各種工況條件下的風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)，讓學(xué)生能在安全的環(huán)境下身臨其境地觀察了解風(fēng)力發(fā)電機組、機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、各零部件及控制器的三維全貌；通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)，觀察風(fēng)力發(fā)電機組及各零部件的運行狀態(tài)的變化情況；讓學(xué)生理解和掌握風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計、運行、安全維護、風(fēng)電場建設(shè)與管理、風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率預(yù)測等方面的知識，快速提高學(xué)生實踐技能和職業(yè)崗位能力。

二、風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺構(gòu)成

目前風(fēng)力發(fā)電研究的仿真軟件主要有Matlab、GH Bladed、HAWC、DIgSILENT、PSCAD、ANSYS、Saber等。風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真平臺可以采用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)、Matlab和Bladed進行開發(fā)。風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺主要由13個仿真模塊組成，如圖1所示。

1.風(fēng)能資源評估仿真模塊。風(fēng)能資源評估模塊應(yīng)包含風(fēng)的形成、風(fēng)的特性、風(fēng)的測量、風(fēng)能估計等四個子模塊。其中風(fēng)的形成包括全球性風(fēng)（大氣環(huán)流、季風(fēng)）、地方性風(fēng)（海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、焚風(fēng)）、極端風(fēng)（熱帶氣旋、寒潮大風(fēng)、龍卷風(fēng)）等的形成。風(fēng)的特性包括風(fēng)速模型、風(fēng)玫瑰圖繪制、地形地貌對風(fēng)的影響等。其中風(fēng)速模型包括平均風(fēng)、陣風(fēng)、極端風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機風(fēng)等模型、風(fēng)剪切模型、塔影效應(yīng)模型。風(fēng)的測量包括風(fēng)向測量儀、風(fēng)速測量儀器。風(fēng)能估計包括最小二乘法估計、平均風(fēng)速和標準差法、平均風(fēng)速和最大風(fēng)速法。

2.風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理仿真模塊。主要是指風(fēng)力機氣動載荷分析與計算，主要包括變槳載荷計算、方位角氣動載荷計算、穩(wěn)態(tài)運行載荷計算等，讓學(xué)生了解升力、阻力、變矩系數(shù)與攻角的關(guān)系，槳葉相對風(fēng)速與風(fēng)速的關(guān)系、槳葉入流角與風(fēng)速關(guān)系、槳葉攻角與風(fēng)速關(guān)系、槳距角與風(fēng)速關(guān)系、變槳載荷與風(fēng)速關(guān)系等，變槳載荷、方位角氣動載荷計算、穩(wěn)態(tài)運行載荷計算等。

3.風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及功能仿真模塊。主要包括風(fēng)輪、機艙、塔架、基礎(chǔ)、控制、輔助系統(tǒng)等五個模塊。風(fēng)輪模塊包括葉片、輪轂等。機艙模塊主要包括齒輪箱、主軸、發(fā)電部件等。輔助系統(tǒng)包括變槳機構(gòu)、變速機構(gòu)、避雷部件、偏航部件、剎車制動等。通過建立的各零部件的靜動態(tài)特性模型，實現(xiàn)對關(guān)鍵零部件、整機性能的測試。

4.風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)仿真模塊。主要包括風(fēng)力機控制、發(fā)電機控制、并網(wǎng)控制等。風(fēng)力機控制主要包括定槳距、變槳距、功率控制、偏航系統(tǒng)、制動保護等。發(fā)電機控制主要包括異步風(fēng)力發(fā)電機控制、雙饋式發(fā)電機控制、直驅(qū)式發(fā)電機控制。

5.風(fēng)力發(fā)電機組常見故障與維護仿真模塊。主要包括液壓部件、偏航部件、發(fā)電部件、主軸旋轉(zhuǎn)部件、變槳部件、葉輪部件等的典型故障、各部件發(fā)熱的典型故障、振動的典型故障等，能夠讓學(xué)生了解風(fēng)電機組的各零部件常見故障及其維護。

6.風(fēng)力發(fā)電機組運行特性仿真模塊。風(fēng)力發(fā)電機組主要有三種功率調(diào)節(jié)方式：定槳距失速、變槳距和主動失速。針對典型的恒速恒頻發(fā)電機組、變速恒頻發(fā)電機組、讓學(xué)生了解三種功率調(diào)節(jié)方式下風(fēng)速功率曲線特點，轉(zhuǎn)速功率曲線特點，理解變槳距功率調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點。

7.全工況風(fēng)電場仿真模塊。風(fēng)力發(fā)電機組通常在不同工作狀態(tài)（運行狀態(tài)、待機狀態(tài)、停機狀態(tài)、緊急停機狀態(tài)）之間進行切換。該仿真平臺具有全工況風(fēng)電場仿真模塊，讓學(xué)生理解風(fēng)電場運行情況及其相應(yīng)采取的控制策略。

8.風(fēng)電場監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真模塊。該仿真模塊讓學(xué)生了解風(fēng)電場中央監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成、監(jiān)控和采集的性能參數(shù)及其變化趨勢。

9.儲能裝置仿真模塊。包括蓄電池、抽水儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、熱能儲能等儲能原理動態(tài)演示。

10.風(fēng)電場建設(shè)仿真模塊。該模塊包括風(fēng)電場選址、風(fēng)力發(fā)電機組運輸、安裝、驗收等。風(fēng)電場選址模塊包括宏觀選址、微觀選址、可行性評估等。可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)電機組拆裝過程的動態(tài)演示。

11.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響仿真模塊。該模塊能夠演示風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電時，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量是否造成影響，包括對電網(wǎng)的電壓、短路電流、網(wǎng)損等的影響。

12.風(fēng)電場設(shè)計運行維護規(guī)程仿真模塊。主要包括國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計與認證、風(fēng)電場設(shè)計與運行、風(fēng)資源評估等相關(guān)技術(shù)標準。該模塊有助于學(xué)生理解這些標準，并能按照標準進行風(fēng)能資源評估、風(fēng)能資源測量、風(fēng)電場建設(shè)可行性報告的書寫等實踐。

13.其他模塊。該模塊主要包括流行的小型家庭用的風(fēng)力發(fā)電機、新型風(fēng)力發(fā)電機、風(fēng)光互補風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。

三、風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的應(yīng)用前景

風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺可以提供驗證型、創(chuàng)新型、綜合型實驗、企業(yè)實習(xí)實踐、上崗培訓(xùn)等功能。平臺在構(gòu)建過程既要遵循虛擬仿真教學(xué)的特征，又要貫穿學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的現(xiàn)代教育理念。平臺可以適用風(fēng)能與動力工程專業(yè)、能源科學(xué)與工程專業(yè)、新能源材料與器件專業(yè)、電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)等本科生，為學(xué)生盡快掌握風(fēng)力發(fā)電的工作原理、故障檢測與設(shè)備維護、系統(tǒng)性能測試、新技術(shù)案例等提供實踐平臺。同時，該虛擬仿真實踐教學(xué)平臺也適用于科研人員。因此，風(fēng)力發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺具有示范性和推廣價值。

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