風(fēng)機(jī)模擬研究現(xiàn)狀與存在問題

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風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬的關(guān)鍵是石家莊市風(fēng)機(jī)動(dòng)特性的模擬，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了不同類型的石家莊風(fēng)機(jī)模擬方案。概括起來(lái)，石家莊市風(fēng)機(jī)模擬器主要由轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)伺服系統(tǒng)和石家莊市風(fēng)機(jī)輸出參考轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊兩部分組成，盡管石家莊市風(fēng)機(jī)模擬方案繁多，但可以按如下兩種劃分方法進(jìn)行劃分：(1)根據(jù)模擬石家莊風(fēng)機(jī)所用原動(dòng)機(jī)的不同，可以劃分為直流電機(jī)和交流電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。其中在以交流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，常用的交流電機(jī)有籠型異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)因其控制較為容易得到了廣泛的應(yīng)用，但是與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)也有其不足之處，其最大的不足之處在于：體積大、生產(chǎn)維護(hù)成本較高。鑒于直流電機(jī)的這些不足，交流電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)中，尤其是在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)根據(jù)模擬系統(tǒng)所具有的特性不同，又可劃分為靜態(tài)特性模擬系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)特性模擬系統(tǒng)。石家莊市風(fēng)機(jī)的靜態(tài)模擬系統(tǒng)僅對(duì)石家莊市風(fēng)機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性和功率特性進(jìn)行模擬，不考慮石家莊市風(fēng)機(jī)廠到發(fā)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的彈性、阻尼、石家莊市風(fēng)機(jī)的慣性、塔影效應(yīng)和風(fēng)剪等動(dòng)態(tài)特性，這使得模擬系統(tǒng)中原電動(dòng)機(jī)的控制得到了較大的簡(jiǎn)化，但這也使得模擬系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況相差較大，不利于如最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、抑制電能閃變(Flicker)等控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究。為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究的需要，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的研究近年來(lái)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注。
對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的模擬目前主要有兩種方式：其一是通過附加硬件進(jìn)行模擬；其二是通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬。采用附加硬件進(jìn)行模擬的如采用附加飛輪的辦法模擬石家莊市風(fēng)機(jī)較大的慣性作用，采用實(shí)際增加齒輪箱的辦法來(lái)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳輸軸的彈性作用等。這些采用附加硬件模擬的方案雖然也能夠起動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性模擬的功能，簡(jiǎn)化原動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，但其最大的不足就在于所建立的一套硬件模擬系統(tǒng)僅能模擬一種或者幾種型號(hào)的石家莊市風(fēng)機(jī)，缺乏靈活性，并且對(duì)大功率石家莊市風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬時(shí)存在有一定的難度。采用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的方法，主要是根據(jù)石家莊市風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩或者功率時(shí)，加入了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系數(shù)、彈性等動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)指令信號(hào)及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)時(shí)修正，進(jìn)而使其模擬石家莊市風(fēng)機(jī)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)于塔影效應(yīng)和風(fēng)剪效應(yīng)的模擬，通常是通過對(duì)模擬風(fēng)速進(jìn)行修正或?qū)υ瓌?dòng)機(jī)指令轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)。如前所述雖然石家莊市風(fēng)機(jī)模擬方案眾多，且各種模擬方案均較為詳細(xì)的介紹了石家莊市風(fēng)機(jī)模擬的基本原理及其模擬方案，然而各種系統(tǒng)模擬方案缺乏對(duì)塔影效應(yīng)、風(fēng)剪效應(yīng)及其石家莊市風(fēng)機(jī)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素的基本分析和模擬，模擬方案不夠準(zhǔn)確，且20缺乏模擬方案的具體實(shí)施過程。
如文獻(xiàn)基于葉素理論，對(duì)石家莊市風(fēng)機(jī)的風(fēng)剪及塔影效用做了詳細(xì)的理論研究，但缺乏具體的模擬實(shí)現(xiàn)過程；文獻(xiàn)[19】對(duì)石家莊市風(fēng)機(jī)廠大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有所提及，但缺乏系統(tǒng)性分析及其仿真；文獻(xiàn)[20]N用調(diào)速飛輪進(jìn)行石家莊市風(fēng)機(jī)大慣性環(huán)節(jié)的模擬，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想，但是對(duì)于不同的石家莊市風(fēng)機(jī)要更換不同的飛輪，大大增加了實(shí)驗(yàn)成本及其實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。這些被忽略的因素所導(dǎo)致的并網(wǎng)電壓的波動(dòng)及其諧波污染，對(duì)于網(wǎng)側(cè)變流器的控制具有至關(guān)重要的作用；也使得石家莊市風(fēng)機(jī)模擬器與實(shí)際石家莊市風(fēng)機(jī)的特性差異較大，不適合替代實(shí)際石家莊市風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。概括起來(lái)，現(xiàn)有的石家莊市風(fēng)機(jī)模擬方案主要存在以下兩個(gè)方面的不足：(1)忽略了實(shí)際石家莊市風(fēng)機(jī)廠與模擬用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異；(2)石家莊市風(fēng)機(jī)輸出參考轉(zhuǎn)矩的計(jì)算均采用簡(jiǎn)單的平均轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式，即利用石家莊市風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)方程直接計(jì)算得出，忽略了由于風(fēng)剪、塔影效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量。故多為石家莊市風(fēng)機(jī)的靜態(tài)特性模擬，而綜合考慮多種因素的石家莊市風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性模擬實(shí)為鮮見。