大型风电机组仿真及试验系统的研究

大型风电机组仿真及试验系统的研究

1风力发电系统的仿真与试验研究作为一种新型免费能源，现代能源行业已成为电网供电的重要组成部分，其技术相对成熟，具有良好的经济优势和巨大的市场吸引力。风能发电技术越来越受世界各国的高度重视。2003年,全球风力发电装机容量达32GW,我国风力发电过去10年以年均55%的高速增长,按国家制定的“十一五”规划,2010年整机装机容量将达到1000万kW,国产化率将达到75%~85%。目前,我国风能发展中技术创新还很薄弱,缺乏有自主知识产权的核心技术,在很大程度上还要从国外引进技术,而即使通过技术引进和国际合作缩小差距,提高竞争能力,但如果没有自主创新能力,就没有能力消化吸收引进技术。国外企业对核心技术也设置了壁垒,必须靠自主创新来掌握核心技术和风机运行可靠性方面的研究,这就更需要提高风电机组的整机和系统的检测技术、方法等研究,充分证实核心技术的有效性和可行性,从而加快核心系统和不同机组的整机和主要零部件开发设计、实验、检测,加快风电技术核心技术设备的国产化进程。风力发电系统的稳定性分析和新装置研制几乎都离不开仿真研究。20世纪80年代初,国外学者开始将仿真方法用于风电机组的性能研究,其后,仿真技术在风力发电系统的应用范围逐渐拓展。目前,从风电关键设备和控制系统的设计、制造、性能测试与研究,到风电机组或风电场运行分析等各个方面均有仿真技术的应用。仿真技术的应用在很大程度上替代了传统的利用实际设备开展的设计检验等手段。同时,由于在实验室环境中研究风力发电技术,缺乏必要的自然环境和风力机装置而受到限制,因此风力发电的仿真与试验系统的建立有其重要的意义。本文在讨论了风电机组仿真与试验系统的技术现状的基础上,总述了建立大型风电机组仿真与试验系统的指标和功能,设计了大型风电机组仿真与试验系统的技术框架,并在此基础上建立了机组各种工况机械和电气动态特性,完成了各类主流风电机组风力机关键部件静动态特性模型集、典型故障集和符合国情的典型风况特性集,描述了标准化相关的试验和评估体系,最终实现了仿真、试验、测试及评估全工况仿真试验平台,为风力发电的设计与研究提供了强有力的支持。2风电机组核心技术尚未成熟目前,风电技术的发展方向以单机容量的大型化为主,发达的风电国家以发展海上风电为主要目标,大容量单机机型有利于提高系统运行的性价比。机型方面,国内以600kW和750kW机型为主,采用定桨距、失速型叶片,双速异步发电机;进口机型中除上述的定桨双速型风机外,还有部分Vestas的变桨变速型风机,采用可变滑差控制的绕线式异步电机,技术有一定的先进性,但故障率较高。兆瓦级风机机型以变桨、变速机型为主,传动和电机部分以采用双馈技术和永磁直驱技术的两种机型为主,这两种机型都需要大功率的变流器来完成调速及电能转换工作。其中,变桨机构又可分为电动变桨和液压变桨两种驱动方式。其他非主流机型还有主动失速型、半直驱型、电励磁直驱型、多电机型、液力耦合器驱动型等多种机型。目前,国产化的兆瓦级风机以引进全套技术图纸和生产许可证的生产方式为主,部分新机型采用委托国外设计公司设计,国内部件厂家生产零部件,国内总装厂安装调试的生产方式。当前,我国大型风电机组的总体设计技术还没有掌握,大多数国内风电企业自主创新能力很弱,不具备设计能力和完整的风能产业体系。缺乏具有自主知识产权的风电技术,某关键零部件(轴承、电控系统)主要依赖进口。国内风电技术基础薄弱,核心技术缺乏。由于中国风电设备制造起步较晚,虽然采取了测绘仿制、合资生产或购买许可证国内组装等技术途径,但未能掌握风电机组总体设计的核心技术。同时,开发中的测试、试验标准与规范极不健全。虽然中国对风电机组的测试技术作过一些研究,但不够系统。技术标准、产品认证工作滞后,而且没有风电设备的国家试验风场。目前,中国风电产业技术还没有达到国外主流机型的技术水平,正在开发的机型已经是国外相对成熟的技术。而风力发电机组技术发展非常迅速,更大功率、更先进技术和新的设计理念不断涌现,部分技术国内刚刚掌握就已经落后于国际主流技术。单机大容量、变桨矩、变速恒频、直驱式是国际风电技术的主要趋势,也是中国风电产业技术发展的必然趋势。今后,中国大力发展大型风电机组的重点是掌握大型风力发电机组核心关键技术,包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等。整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。由于无法在地面满足风机运行的工况条件,也就无法模拟出风机的运行状态,更无法使控制器进入正常发电的运行状态,对整机控制工艺的设计对比和验证也就缺乏了必要的技术手段。因此,当前国内的技术状况存在以下3方面的问题:①设计过程中无法进行整机控制工艺的设计对比和验证;②生产过程中无法进行出厂的整机工艺地面调试和部件的动态性能测试;③服务过程中无法对现场的故障进行远程的准确复现。风电的关键技术难点在于风机安装在几十米的高空,风电场现场环境恶劣且风况不可控,任何一个部件、设计想要进行现场试验验证都非常困难。实验条件的短缺限制了我国风电技术的发展。丹麦、德国、英国等国的大型的风电公司、高校和政府研究机构共同组织风电仿真实验室,在风电的设计、仿真试验方面具有较高的水平。如丹麦RISO国家风电实验室现归属于丹麦科技大学,拥有全面的风机仿真实验系统,可对风机叶片设计进行两自由度振动疲劳试验,可进行空气动力学、气动声学、流体力学、结构力学仿真实验,可针对齿轮箱进行故障仿真实验和控制系统仿真实验等,还具备实验室测试、区域检测和数值模拟的能力,并带有一个著名的测试中心。其他的如美国Sandia国家实验室、荷兰的ECN风能研究中心等都有对风机整机或部件进行检测及仿真实验的能力。目前,国内在风电仿真实验技术方面已经有了一定的发展,国内已经有许多理工科院校和部分研究单位的实验室建立了基于双馈或永磁直驱机型的风电仿真实验系统,但这种实验系统的主要功能在于研究生教学、建模、论文和风力机的理论分析验证,没有针对性,缺乏与实际研究目标对象的结合对比,对风电设计等实用技术的发展支持作用较小。国内的几家大型风机制造企业也开始建立自己的风机拖动实验仿真系统,但系统的功能多侧重于风机设备及关键零部件的出厂调试和检验。由于风电技术是一个涉及到很多学科的综合性技术,解决国产化设计中的各方面问题,应参考国外的成功经验,把风电公司、高校和研究部门的力量整合,共同建造一个从理论建模、算法分析、设计验证、到关键部件静动态特性测试及仿真,整机地面仿真测试和故障模拟诊断等整机模拟工艺的虚机实电的全仿真以及整机模拟工艺的实机实电的高水平的风电仿真实验系统。3仿真试验平台大型风电机组仿真及试验系统在风机各设备的全工况动态模型及空气动力学的动态模型基础上,结合实时硬件仿真平台,完善和扩展对大型风电机组的全工况动态性能建模、测试及评估技术研究,开发出相应的集成仿真实验平台静动态特性模型集、典型故障集,和适应我国MW级以上的主流机型的典型风况特性集;以及能够满足双馈电机、异步电机、永磁电机等主流机型测试要求的全工况仿真试验平台,并可对电机、齿轮箱、变流器等关键部件以及整机性能进行测试。可进行各种风况模拟,同时能够对试验中风机的各项电气参数、电能质量等进行精确测量,满足对我国主流风电机组进行全工况试验和验证评估的需求,建立适合产业使用的开放型多功能、多用途的试验测试分析系统,达到虚机虚电、虚机实电、实机实电3个等级的动态模拟实验能力。仿真试验平台的硬件能够达到工业产品化和产业化要求。大型风电机组仿真及试验系统主要技术指标如表1所示。此外,全工况仿真试验平台应具备以下性能:模拟风速范围应满足2~30m/s;转矩测量精度高于1%;可测量49次以下谐波;电气特性含电流、电压、功率因数测试精度高于5‰;温度测量精度±0.5℃。4主流硬件系统集本系统包括静动态特性模型集、典型故障集,典型风况特性集,覆盖我国MW级以上的主流机型;全工况仿真试验平台可以满足双馈电机、异步电机、永磁电机的测试要求,并且可对电机、齿轮箱、变流器等关键部件以及整机性能进行测试。4.1大型风电机组风力机关键部件动态特性模型大型风电机组仿真及试验系统以空气动力学原理为依据,结合各部件的机械和物理特性,对关键部件的运动状态,所涉及的各种大型风电机组风力机关键部件静动态特性模型集和相关的试验、评估技术进行研究,建立以下8个模型子集。(1)动态仿真的动态仿真包含系统的建压模型、保压模型和失压模型的动态仿真,包含液压电机的启动、运行和停滞的动态模型仿真、包含液压传感器的动态仿真。液压电机的模型、管道模型、阀模型、储压罐模型。(2)航制动机构仿真模型包括液压偏航系统的阻尼仿真模型、速度仿真模型、偏航制动机构仿真模型、偏航计数器特性仿真模型等。电动偏航执行机构的模型、动态响应仿真模型、速度仿真模型、偏航制动机构仿真模型、偏航计数器特性仿真模型等。(3)动态仿真系统基于不同发电机的特性为基础,根据全功率和双馈逆变器工作原理及特性的进行全数字化动态仿真。对于双馈机型的变流器,实现了基于矢量控制的转矩、转速控制策略。对于永磁同步机型的全功率变流器分两种变流器形式分别进行了数字化仿真。(4)该模型集用于旋转轴的静态性能齿箱和电机主轴的机械运动规律和功率变化规律的模型。(5)叶片结构的静态动态性能的模型符合空气动力学原理的叶轮运动规律和功率变化规律的模型。(6)例段仿真模拟液压变桨执行机构控制模型具有二段模型仿真,开关段仿真和比例段仿真。电动变桨执行机构控制模型具有独立的各个桨距角控制算法及模型,根据目前流行的电动变桨系统和控制系统采用现场总线的连接模式,因此模型具有现场总线端口型式的数据仿真模型。(7)设备运行状态下温度动态包含系统运行及停止工作过程中各个被监测点的温度随各自设备的运行状态产生的温度变化,以及在此过程中各温度点被加热或冷却系统的强制性工作中和工作后的被测点的温度动态变化趋势。(8)该系统的振动静态特征模型包括系统的随机振动模型、以振幅优先模型、以时间优先模型。可采用模型分析疲劳寿命。4.2典型故障记录大型风电机组仿真及试验系统结合各种机型,分析众多故障,生成以下8个典型故障集以及相关仿真技术。(1)典型故障记录的生成和加工技术已经结束包含系统在建压、保压和失压状态下的故障仿真,液压电机的启动、运行和停滞的故障仿真、液压传感器的故障仿真。(2)典型故障数据集的生成和模拟技术的发明包含了偏航制动机构故障仿真、偏航计数器故障仿真,扭缆故障仿真。(3)发电设备典型故障集的生成和模拟技术的隆包含电机运行状态下的故障仿真和逆变器的故障仿真。(4)旋转轴的典型故障集的生成和加工技术的草图包含齿箱和电机主轴的机械故障的仿真。(5)典型故障变宽设备的生成和加工技术液压变桨执行机构液压比例缸、安全缸故障仿真。电动变桨执行机构伺服驱动器的故障仿真。(6)典型故障诗集的生成和模拟技术的生成叶轮和轮毂附件的故障仿真。(7)每个组件的典型故障记录的生成和模仿技术都被开发出来各个主要部件温度测试点故障状态的过程仿真。(8)典型系统振动故障集的生成和模拟技术的发明各个系统振动测试点故障状态的过程仿真。4.3典型的风环境特征集大型风电机组仿真及试验系统根据目前国内对风电技术的掌握情况,形成以下3种符合国情的典型风况特性集及仿真技术的仿真方式。(1)虚拟机和虚拟能源的整个过程是真实的即所有部件全部在仿真软件平台的统一调度下运行。(2)虚拟能源模型即控制器独立运行,其余部件在仿真软件平台的统一调度下运行。(3)真实的机器和真实的能源场景是真实的即控制器独立运行,各部件按照实际运行,由仿真软件平台按照空气动力学原理和工况要求统一协调所有部件。4.4仿真试验平台大型风电机组仿真及试验系统综合机组各种工况机械和电气动态特性进行建模、仿真、试验、测试及技术评估,设计制作了以下3种仿真连接方式的全工况仿真试验平台。(1)简单的连接方式所有部件的参数全部在仿真软件平台上有明确的数字量描述。(2)连接物理本质的方法所有部件的参数全部在仿真系统平台上有明确的物理量I/O定义。(3)连接到端口的方法所有部件的参数全部与控制系统有明确的接线端子定义。5仿真测试平台风力发电技术的发展离不开仿真和实验的发展,而仿真和试验系统开发在国内鲜见文献报道。大型风电机组仿真及试验系统很好地