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)，因此開發(fā)一種高效精準(zhǔn)的仿真技術(shù)來研究新能源發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。本文旨在設(shè)計和開發(fā)一種基于仿真技術(shù)的新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)，通過對氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)場、風(fēng)力發(fā)電機組、輸電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行模擬，以深入理解新能源發(fā)電系統(tǒng)的運行特點，并為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計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

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^氣象站或氣象數(shù)據(jù)源來獲取這些數(shù)據(jù)。在設(shè)計一個風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)時，準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)是非常重要的，因為風(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。通過獲取并使用實時的氣象數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)可以更好地模擬實際的氣象情況，從而得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

1.2 風(fēng)場模擬模塊

此模塊旨在基于氣象數(shù)據(jù)來模擬風(fēng)場的分布，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，如計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)來進行模擬。CFD 可以通過求解Navier-Stokes 方程和相關(guān)邊界條件來模擬風(fēng)場的行為。另外還可以使用基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方法，如概率密度函數(shù)（PDF）等來估計不同位置上風(fēng)速和風(fēng)向的概率分布。風(fēng)場模擬模塊的目標(biāo)是生成仿真系統(tǒng)所需的風(fēng)場數(shù)據(jù)，以供后續(xù)的風(fēng)力發(fā)電機組模塊使用：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)電機組模塊

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

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。

1.5 控制系統(tǒng)模塊

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常需要自動控制和監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)對風(fēng)機的啟?？刂啤⒐β收{(diào)節(jié)、過載保護等功能。控制系統(tǒng)模塊旨在模擬這些自動控制和監(jiān)測功能。如，可以設(shè)計風(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)機的轉(zhuǎn)速，使其始終工作在最佳狀態(tài)。

2 仿真實驗的設(shè)計

2.1 收集氣象數(shù)據(jù)

可通過使用高精度的氣象儀器和先進的數(shù)據(jù)源來收集氣象數(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)速測量裝置，在本試驗中選用型號為WXT520的Vaisala 風(fēng)速傳感器。這種傳感器可測量風(fēng)速范圍從0到75m/s，并具有優(yōu)異的測量精度和快速響應(yīng)時間。同時使用風(fēng)向傳感器，本實驗采用Campbell Scientific 公司的型號為034B 的風(fēng)向傳感器。該傳感器采用角度編碼器原理，可測量風(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，以便實時記錄風(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)中心建立實時通訊，確保及時傳輸氣象數(shù)據(jù)。這種通訊方式在大規(guī)模風(fēng)電場中尤為常見，可以通過網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)百個氣象站點，實時獲取散布在風(fēng)電場各處的氣象數(shù)據(jù)[1]。

2.2 運行風(fēng)場模擬模塊

CFD 基于流體力學(xué)原理和偏微分方程求解方法，可以探索流體動力學(xué)行為并模擬風(fēng)場：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 來進行風(fēng)場模擬。具體來說，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，以便在模擬過程中準(zhǔn)確捕捉風(fēng)場的細(xì)節(jié)。

接下來需要設(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)進行設(shè)定，以盡可能準(zhǔn)確地模擬實際風(fēng)場情況。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)，如空氣密度和動力黏度等。然后運行風(fēng)場模擬模塊，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)。針對基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方法，模擬軟件將基于概率分布函數(shù)進行隨機抽樣，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，運行風(fēng)場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、優(yōu)化和性能評估提供重要的基礎(chǔ)信息[2]。

2.3 運行風(fēng)力發(fā)電機組模塊

對于特定型號的風(fēng)力發(fā)電機組，可以基于其機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)機的軸功率特性、轉(zhuǎn)子的動力學(xué)行為等。常見的數(shù)學(xué)模型包括風(fēng)力發(fā)電機組的機械運動方程、電氣方程和控制方程等。其中最主要的為機械運動方程：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描述整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率與其轉(zhuǎn)速和扭矩之間存在一定的關(guān)系。通過實驗和數(shù)據(jù)分析，可以得到風(fēng)機的軸功率特性和轉(zhuǎn)速－扭矩曲線?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)用于模擬風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率和機械特性。例如，可以使用傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組模型，如馬爾科夫模型或裝置模型來估計系統(tǒng)的輸出功率。這些模型可以基于實際測量得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和校準(zhǔn)。

同時，風(fēng)力發(fā)電機組需要具備啟停控制和過載保護等功能，以確保其安全運行并最大限度地利用風(fēng)能。為此需要設(shè)計相應(yīng)的控制算法[3]。對于啟?？刂疲梢愿鶕?jù)實時監(jiān)測到的風(fēng)速和設(shè)定的閾值設(shè)計一個判定邏輯：當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)定閾值時，啟動風(fēng)力發(fā)電機組；當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)定閾值時，停止風(fēng)力發(fā)電機組的運行。

2.4 運行仿真系統(tǒng)

獲取實時風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。這可以通過安裝在風(fēng)力發(fā)電機組上的風(fēng)速測量儀器來實現(xiàn)。之后，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的特性和風(fēng)速數(shù)據(jù)，計算出相應(yīng)的風(fēng)機輸出功率和機械特性。其中，風(fēng)機輸出功率表示風(fēng)力發(fā)電機組從風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力，機械特性包括轉(zhuǎn)速、扭矩和葉片角度等參數(shù)。通過與風(fēng)機的功率特性曲線相匹配，可以確定在給定風(fēng)速下的實際輸出功率。這可以利用數(shù)學(xué)模型和算法來實現(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的方法，其基于已知的風(fēng)機功率特性曲線，使用插值和逼近技術(shù)來計算實際輸出功率。此外還可以利用模擬風(fēng)力發(fā)電機組的機械特性，計算出轉(zhuǎn)速、扭矩和葉片角度等參數(shù)，這些參數(shù)對于控制和保護風(fēng)力發(fā)電機組的正常運行較為重要[4]。

在將風(fēng)力發(fā)電機組產(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。通過仿真計算可以了解電網(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。在仿真過程中還可以考慮輸電系統(tǒng)的潮流計算、短路計算和穩(wěn)定性分析等。這些計算可以幫助評估風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間的互動效果，并優(yōu)化輸電系統(tǒng)的設(shè)計和運行參數(shù)，以提高能源傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

2.5 進行性能測試

在進行性能測試前，需要設(shè)計相應(yīng)的性能指標(biāo)來評估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。本仿真實驗主要涉及風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率輸出，該指標(biāo)表示風(fēng)力發(fā)電機組從風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力?？梢酝ㄟ^實時記錄風(fēng)機的輸出功率來評估其性能。

例如，對于一臺型號為X 的風(fēng)力發(fā)電機組，可以設(shè)定其額定功率為YkW，并根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)來計算其實際輸出功率。在準(zhǔn)備好性能指標(biāo)后，可以運行風(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)電機組的輸出功率、輸電線路的電流和電壓等參數(shù)。通過對風(fēng)力發(fā)電機組在不同風(fēng)速條件下的輸出功率進行記錄，可以獲得一個功率特性曲線。該曲線通常是一個關(guān)于風(fēng)速的函數(shù)，描述了在不同風(fēng)速下風(fēng)機的輸出功率[5]。同時還可以記錄輸電線路上的電流和電壓參數(shù)，并計算出相應(yīng)的電網(wǎng)損耗。這可以幫助評估風(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，可以對這些數(shù)據(jù)進行分析，并且評估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能。

3 仿真實驗的開展與結(jié)果實現(xiàn)

按照以上規(guī)程開展仿真實驗，仿真參數(shù)如下：額定風(fēng)速13m/s、葉尖速比6、自然風(fēng)保持時間20s、基本風(fēng)速7m/s、瞬時風(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，在瞬時風(fēng)速仿真實驗中，通過最佳葉尖速比法仿真風(fēng)力機的最大功率捕獲過程。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得知，在瞬時風(fēng)速情況下，風(fēng)力機的輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，存在一個最佳轉(zhuǎn)速（6rad/s），當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速時輸出功率開始下降。此外，功率系數(shù)與葉尖速比的曲線也呈現(xiàn)相似的趨勢，存在一個最佳葉尖速比（6），使功率系數(shù)達到最大值（0.44）。因此，通過保持風(fēng)力機在最佳轉(zhuǎn)速下運行，可以確保風(fēng)力機穩(wěn)定輸出最大功率，驗證了最佳葉尖速比法的正確性和有效性。

在自然風(fēng)速仿真實驗中，同樣采用最佳葉尖速比法進行風(fēng)力機的仿真。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在自然風(fēng)速情況下，風(fēng)力機的最大輸出功率會隨著風(fēng)速的變化而變化。特別是在風(fēng)速急劇變化的時段，最大輸出功率也會出現(xiàn)波動；而在風(fēng)速較為穩(wěn)定的時段，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)力機仿真數(shù)學(xué)模型吻合，即風(fēng)力機的最大輸出功率與風(fēng)速成正比[6]。

因此，通過保持風(fēng)力機在最佳葉尖速比下運行，可實現(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行仿真的實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性和有效性。通過控制風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速和葉尖速比，可實現(xiàn)在不同風(fēng)速情況下的最大功率捕獲。這些實驗結(jié)果對于優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和運行具有指導(dǎo)意義，為實際應(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)計的仿真技術(shù)，能夠?qū)π履茉窗l(fā)電系統(tǒng)的運行特點有更全面認(rèn)識，為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和提高能源利用效率提供了理論依據(jù)。未來可以進一步完善仿真技術(shù)，探索其他新能源發(fā)電形式的仿真模塊并應(yīng)用于實際工程中，以推動新能源發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展。