LWZ-路明,王宏華,吉順平-1611-基于模擬裝置的小型風力系統(tǒng)的實驗研究-4P-季-1審

1、基于模擬裝置的風力系統(tǒng)的實驗研究路明1，王宏華2，吉順平1（1. 三江學院，江蘇 南京210012；2. 河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 210098）摘要：風力模擬機實驗裝置由“上位機軟件+S7-300PLC+變頻器+三相異步電動機+無刷直流發(fā)電機”五部分組成。利用變頻器調(diào)速的特點，改變變頻器的輸出頻率，三相異步電動機的速度則相應改變，采用變頻器拖動異步電動機來模擬風力機的特性，使異步電動機輸出的機械特性與風力機特性相吻合。通過上位機軟件WinCC對風力模擬機進行參數(shù)設置、操作與監(jiān)控。利用該實驗裝置，可以模擬四種風型：基本風、漸變風、陣風、隨機風，驗證風力系統(tǒng)理論模型。該模擬實驗系統(tǒng)，對

2、于風機系統(tǒng)的學習研究與設計具有參考作用。關鍵詞：異步電動機；風力模擬機；WinCC中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：Experimental study on small wind power system based on simulation deviceLU Ming1，WANG Hong-hua2，JI Shun-ping1(1.Sanjiang University， 10 Longxi Road， Nanjing China， 210012; 2. Department of Automation Engineer ing， HohaiUniversity， Nan

3、jing 210098， China)Abstract: Wind simulator experiment device has 5 parts: PC software， S7-300PLC， inverter， three-phase asynchronous motor and brushless DC generator. Changing output frequency of the inverter， which is the characteristics of a inverter， the three-phase asynchronous motor speed is c

4、hanged accordingly. Use the motor to driver wind simulator ， in which the output mechanical characteristics of asynchronous motor simulates wind machine characteristics. Then the properties of wind turbine are simulated. The parameter setting， operation and monitoring of the wind turbine are complet

5、ed by the upper computer software WinCC. By using the experimental device， four wind types ， which are basic wind， gradually changing wind， wind gust and random wind， are simulated to verify the theoretical model of wind power system.The simulation experiment system has a reference value for the stu

6、dy and design of the wind system.Keywords: asynchronous motor 、wind simulator、 WinCC0 引言目前國內(nèi)外對風能作為發(fā)電能源進行了很多深入研究1，但目前用作研究的實際風力發(fā)電技術設備和儀器還面臨著許多問題。風力機是一種以自然風為動力的特殊葉輪機械，在中國一些地區(qū)運行的風力發(fā)電機組更是要承受更惡劣的環(huán)境條件，如在沿海地區(qū)經(jīng)常發(fā)生臺風、颶風等。由于風電現(xiàn)場環(huán)境惡劣、進行現(xiàn)場實驗的過程難于實現(xiàn)。另外由于風力機的條件限制，大多數(shù)實驗室不具備風場環(huán)境，這就對在實驗室內(nèi)研究風力發(fā)電技術帶來了很大困難。因此，在實驗室搭建風力發(fā)電

7、系統(tǒng)實驗模擬裝置成為當前實驗室研究風力發(fā)電技術的重要方法和主要途徑。1 風力機的基本理論Betz理論是風力機理論，假定風力機是理想的，風力機有無數(shù)個葉片并全部吸收風葉掃過的風能，空氣流通過風葉時沒有阻力、空氣流是均勻的，不可壓縮，其流向與風力機的軸向一致2。風葉吸收的能量E與空氣密度、風葉掃過的面積S、上游風速V1、下游風速V2有關，對于空氣密度與上游風速V1一定時，風葉吸收的功率即風力機吸收的功率與下游風速V2有關。解釋下圖中V、S1、S2圖1 風葉機的氣流圖（在文章合適位置標出“見圖1”）風葉吸收的能量為：E=14 S V1 + V22 V1- V2 ， 1式(2)中，對公式的每個量解釋、

8、加單位（格式示例：式（1）中S為截面積，mm2；如前文解釋過的量則無需再次解釋。）極值在dEdV2處，對式(1)求一階導數(shù)：dEdV2=f'V2=14 SV1 + V2V1- 3V2=0 ， 2式(2)中，對公式的每個量解釋、加單位（格式示例：式（1）中S為截面積，mm2；如前文解釋過的量則無需再次解釋。）求解：a) V1=-V2（不符合實際情況）；b) V2=13V1。由于f(13V1)=-4V1<0，能量有極大值，風力機的能量極大值為：Emax=827S V13，(3)式(3)中，對公式的每個量解釋、加單位（格式示例：式（1）中S為截面積，mm2；如前文解釋過的量則無需再次解

9、釋。）尖速比為風葉尖部的線速度與風速之比，可用下式表示： =2RnV=windRV， 4式(4)中，wind為風葉的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；R為風葉半徑，m；V為風速，m/s；、n(解釋、加單位)2風力機模擬實驗裝置硬件組成風力模擬機實驗裝置由“上位機軟件+S7300PLC+變頻器+異步電機+無刷直流發(fā)電機”五部分組成，如圖2，該實驗平臺的S7-300PLC與變頻器采用現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通訊，上位機WinCC與PLC之間的通信網(wǎng)絡用工業(yè)以太網(wǎng)，實驗時通過上位機軟件對PLC的操作，PLC通過現(xiàn)場總線控制變頻器，變頻器來調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，模擬風速的變化，風力機輸出機械能驅(qū)動無刷直流電動機發(fā)電。1.S

10、7-300PLC；2.M440變頻器；3.異步電機與無刷直流電機圖2風力機模擬實驗裝置3 風力機模擬實驗裝置控制軟件設計3.1 風力模擬機的程序設計風力模擬機的風速設定為：基本風、漸變風、陣風、隨機風，風速等級為3級8級，程序由STEP7軟件下載到S7-300控制器中，風力模擬機程序的結構使四種風速獨立運行，如基本風控制的程序在風力模擬機程序的FC1內(nèi)，F(xiàn)C1對應的背景數(shù)據(jù)為DB1，則四種風速對應的子程序為FCx(x:1-4)，F(xiàn)Cx對應的背景數(shù)據(jù)為DBx3。這樣風力模擬機的風速控制畫面連接S7-300PLC控制器的子程序唯一，風速運行的變量與對應的背景數(shù)據(jù)塊連接，上位機訪問的變量與內(nèi)存變量互

11、不干擾。風力模擬機的程序結構見圖3，程序根據(jù)選定風速的類型設定參數(shù)模擬自然界的四種基本風。 圖3 風力模擬機S7-300程序結構總圖風力模擬機的運行與停止按照開機步驟實施風機全自動開車，保證風力模擬機穩(wěn)步運行。模擬風力機實現(xiàn)3級8級確保風速的模擬，在每一級風速范圍內(nèi)實現(xiàn)風速自然上升與下降，風力模擬機實現(xiàn)四種基本風型的模擬4。模擬風力機可以直接表達風的速度，也可以通過PLC控制器的“程序齒輪”變換實現(xiàn)模擬風機變化的速度轉(zhuǎn)換成無刷直流發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速。監(jiān)控風機整個運行過程中的運行狀態(tài)，監(jiān)測電力參數(shù)、風力參數(shù)、機組狀態(tài)參數(shù)及各種反饋信號等。模擬風力機運行參數(shù)不符合設定值時或故障等異常運行狀態(tài)時，上位

12、機WinCC給出信號指示并且執(zhí)行停機操作，確保風機穩(wěn)定運行。3.2 風力模擬機的上位機設計WinCC是一個在Windows下使用的強大的HMI系統(tǒng)。HMI代表“Human Machine Interface（人機界面）”，即操作員和機器之間的界面。風力模擬機上位機監(jiān)控畫面如圖4，風力機上位機監(jiān)控畫面分四個部分：風力機運行與監(jiān)控、風力機故障記錄、風力機參數(shù)變化趨勢圖、風力機參數(shù)顯示值。風力機運行與監(jiān)控主要模擬自然界的四種風：基本風、漸變風、陣風、隨機風；風力機故障主要記錄模擬風速是否超速、水溫是否高出額定值、潤滑油是否低于設定值等風力機運行的模擬量參數(shù)；風力機參數(shù)變化趨勢圖記錄模擬風力機轉(zhuǎn)速的和

13、設定風速的變化曲線；風力機運行參數(shù)主要顯示風力機的定子電壓、定子電流、冷卻水溫、潤滑油液位等參數(shù)。圖4風力模擬機上位機監(jiān)控主畫面風力模擬機風速監(jiān)控畫面分六個功能區(qū)，第1功能區(qū)主要風力模擬裝置的程序啟動、停止和風力模擬機啟動運行開關；第2功能區(qū)顯示風的風速等級，風力模擬機模擬風速為3級8級風速，模擬的風速在哪一級，風速等級相對應的紅燈亮，風力發(fā)電風葉模擬顯示風速的大小，風速大旋轉(zhuǎn)快，風速小則旋轉(zhuǎn)慢；第3功能區(qū)為風的基本風設置，設置自然風直接輸入值即可；第4、5功能區(qū)為漸變風設置，運行時間為漸變風設定的總運行時間與百分比相乘，漸變風模擬設定基本風速的上升與下降，上升時間為總運行時間與設定百分數(shù)相乘

14、。下降的時間為上升時間運行完畢總的時間還剩余的時間，漸變風運行是先上升后下降的；第6功能區(qū)為隨機風的設置，隨機風的數(shù)學表達式由S7-300的編程語言來編寫，實驗效果能夠較好的表達自然界的隨機風。風力模擬機風速監(jiān)監(jiān)控畫面如圖5設置的風速類型為漸變風，運行風速為15.5 m/s，百分比為50%，風速等級為7級風。圖5 風力模擬機風速監(jiān)控畫面4 實驗結果分析風力模擬機可以模擬四種風型5-7：基本風、漸變風、陣風、隨機風，四種風速的變化曲線程序由S7-300指令編寫，設定風速類型、風速值及風速對應的參數(shù)由上位機WinCC來設定，三葉片風電機的葉尖速比取6，風輪直徑取1 m，下面就風力模擬機輸出的特性曲

15、線與自然風的風速曲線進行數(shù)據(jù)分析。a) 基本風的風速特性曲線分析。風速VSET=15.4 m/s，由公式(幾)得出電機轉(zhuǎn)速為：888 r/min，風速等級七級8，風速特性曲線如圖6a)，基本風的風速特性曲線表示風速不隨時間變化的分量，是一個常數(shù)，實驗曲線表明風力機對應的電機轉(zhuǎn)速為常數(shù)，符合實際風速情況；b) 漸變風的風速特性曲線分析。漸變風的S7-300程序是這樣規(guī)定的，風速運行設定總時間為T，根據(jù)設定總時間的百分比來確定漸變風的開通時間TON與關閉時間TOFF，漸變風的風速特性曲線圖6b)設定的參數(shù)為：VSET=14.8 m/s，由公式(幾)得出電機的轉(zhuǎn)速為：852 r/min，時間的百分比

16、為70%（TON=70%，TOFF=30%），據(jù)漸變風的理論曲線，模擬風力機模擬風速曲線基本符合漸變風的風速特點；c) 陣風的風速特性曲線分析。陣風的風速特性周期可以通過程序設定，陣風的風速特性周期200 s，T1G為陣性風開始時間，TG為陣性風持續(xù)時間，VmaxG為陣性風最大值10，圖6c)陣風的風速特性陣風開始時間T1G為10 s，陣風結束時間為180 s，根據(jù)圖6c)得出的實驗曲線較好地反映陣風的自然特性；d) 隨機風的風速特性曲線。用PLC的數(shù)學函數(shù)運算語言模擬風速信號來模擬風的隨機信號13，據(jù)隨機風的曲線如圖6d），模擬風力機模擬風速曲線基本符合隨機風的風速特點。（a）基本風速特性曲

17、線 （b）漸變風風速特性曲線 （c）陣風風速特性曲線 （d）隨機風風速特性曲線圖6 風速特性曲線風力模擬機的水溫、油溫、潤滑油的液位采用仿真對象，上述參量根據(jù)風力發(fā)電機的真實參數(shù)，用模擬電壓量來代替，定子的電壓、電流由模擬機的無刷直流發(fā)電機參數(shù)測得14。模擬量參數(shù)由FC105功能塊讀取，模擬量模塊采用SM334，兩個SM334可提供8個模擬量輸入，4個模擬量輸出。需監(jiān)視的參數(shù)在上位機WinCC中顯示如圖7，風力模擬機參數(shù)工作正常是風力模擬機實驗裝置正常運行的保證。 圖7 風力模擬機報警監(jiān)控5 結語 設計的模擬風力機實驗裝置可供風力學習者了解和掌握小功率風力發(fā)電基本原理和進行四種基本風速的模擬的

18、教學實驗，建立滿足科研部分需要的風力發(fā)電動態(tài)試驗和開發(fā)平臺（可以設置和調(diào)試參數(shù)）。該實驗平臺具有技術先進、體系開放、可視性強、直觀性好、功能多樣、及貼近工程實際的優(yōu)點。參考文獻1 王宏華.機械制造與制動化（核定）M.出版地:出版者,2010.2 相會杰,卞松江,呂曉美,等.交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的實驗J.太陽能學報,2006,26(6):772一7793 吉順平,孫承志,路 明.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡技術M.北京:機械工業(yè)出版社,2008. 4 蔣婷,楊喜軍,許少倫,等.風電模擬裝置風機模擬直流電機調(diào)速控制的研究J.電機與控制應用,2011(9):30-34.5 卞松江,潘再平,賀益康.風力機特性的直流電機模擬J.太陽能學報,2003,24(3):360-364.6 謝 震.變速恒頻雙饋風力發(fā)電模擬平臺的研究D.合肥:合肥工業(yè)大學,2005.7 王 超.定子雙繞組異步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)并網(wǎng)及風力機模擬技術的研究D.南京:南京航空航天大學,2011.8 岳一松,蔡 旭.風場與風力機模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)J.電機與控制應用,2008,35(4):17-219 Ezzeldin S.Abdin and Wilmison Xu.contol design and dynamic performance analysis of wind urbineinductio