風機模擬研究現狀與存在問題

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風力發電系統模擬的關鍵是石家莊市風機動特性的模擬，國內外許多學者提出了不同類型的石家莊風機模擬方案。概括起來，石家莊市風機模擬器主要由轉矩隨動伺服系統和石家莊市風機輸出參考轉矩計算模塊兩部分組成，盡管石家莊市風機模擬方案繁多，但可以按如下兩種劃分方法進行劃分：(1)根據模擬石家莊風機所用原動機的不同，可以劃分為直流電機和交流電機模擬試驗系統。其中在以交流電機作為原動機的模擬試驗系統中，常用的交流電機有籠型異步電機、永磁同步電機等。與交流電機相比，直流電機因其控制較為容易得到了廣泛的應用，但是與交流電機相比，直流電機也有其不足之處，其最大的不足之處在于：體積大、生產維護成本較高。鑒于直流電機的這些不足，交流電機在風力發電機模擬系統中，尤其是在大功率風力發電機模擬系統中得到了廣泛的應用。(2)根據模擬系統所具有的特性不同，又可劃分為靜態特性模擬系統和動態特性模擬系統。石家莊市風機的靜態模擬系統僅對石家莊市風機的靜態轉矩特性和功率特性進行模擬，不考慮石家莊市風機廠到發電機機械傳動機構之間的彈性、阻尼、石家莊市風機的慣性、塔影效應和風剪等動態特性，這使得模擬系統中原電動機的控制得到了較大的簡化，但這也使得模擬系統與風力發電機的真實運行情況相差較大，不利于如最大功率點跟蹤(MPPT)、抑制電能閃變(Flicker)等控制系統動態特性研究。為滿足風力發電機動態特性研究的需要，風力發電機的動態模擬系統的研究近年來備受學術界關注。
對風力發電機動態特性的模擬目前主要有兩種方式：其一是通過附加硬件進行模擬；其二是通過計算機軟件進行模擬。采用附加硬件進行模擬的如采用附加飛輪的辦法模擬石家莊市風機較大的慣性作用，采用實際增加齒輪箱的辦法來模擬風力發電機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對風力發電機動態特性模擬的功能，簡化原動機控制系統的軟件設計，但其最大的不足就在于所建立的一套硬件模擬系統僅能模擬一種或者幾種型號的石家莊市風機，缺乏靈活性，并且對大功率石家莊市風機進行模擬時存在有一定的難度。采用軟件進行動態模擬的方法，主要是根據石家莊市風機空氣動力學特性產生原動機的轉矩或者功率時，加入了轉動慣量、摩擦系數、彈性等動態環節，從而實現原動機指令信號及其動態響應的實時修正，進而使其模擬石家莊市風機的實際動態響應特性。對于塔影效應和風剪效應的模擬，通常是通過對模擬風速進行修正或對原動機指令轉矩進行實時補償的方法來實現。如前所述雖然石家莊市風機模擬方案眾多，且各種模擬方案均較為詳細的介紹了石家莊市風機模擬的基本原理及其模擬方案，然而各種系統模擬方案缺乏對塔影效應、風剪效應及其石家莊市風機大轉動慣量等因素的基本分析和模擬，模擬方案不夠準確，且20缺乏模擬方案的具體實施過程。
如文獻基于葉素理論，對石家莊市風機的風剪及塔影效用做了詳細的理論研究，但缺乏具體的模擬實現過程；文獻[19】對石家莊市風機廠大轉動慣量有所提及，但缺乏系統性分析及其仿真；文獻[20]N用調速飛輪進行石家莊市風機大慣性環節的模擬，雖然實驗結果理想，但是對于不同的石家莊市風機要更換不同的飛輪，大大增加了實驗成本及其實驗的復雜性。這些被忽略的因素所導致的并網電壓的波動及其諧波污染，對于網側變流器的控制具有至關重要的作用；也使得石家莊市風機模擬器與實際石家莊市風機的特性差異較大，不適合替代實際石家莊市風機進行風力發電模擬系統實驗研究。概括起來，現有的石家莊市風機模擬方案主要存在以下兩個方面的不足：(1)忽略了實際石家莊市風機廠與模擬用電動機轉動慣量的差異；(2)石家莊市風機輸出參考轉矩的計算均采用簡單的平均轉矩計算方式，即利用石家莊市風機的氣動方程直接計算得出，忽略了由于風剪、塔影效應引起的轉矩脈動量。故多為石家莊市風機的靜態特性模擬，而綜合考慮多種因素的石家莊市風機動態特性模擬實為鮮見。