专利名称：一种风力发电运行状态监测与控制模型机的制作方法
技术领域：
本发明属于对典型大中型风力发电机的系统级建模和控制技术领域，主要涉及模拟不同工况下风力发电的运行特性，涉及到多域物理建模和系统级控制策略领域。
背景技术：
世界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大，从定桨距控制到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海上，风力发电正以前所未有的速度发展。作为风力资源较为丰富的国家之一，我国也加快了风电技术领域的自主开发与研究，截止2011年底，我国新增风电装机容量接近1800万千瓦，总装机容量达到6500万千瓦，已经是世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家，“十二五”规划中提到，到2015年时，全国风电并网装机达到I亿千瓦，风电新增装机7000万千瓦，建设6个陆上和2个海上及沿海风电基地。“十二五”期间，我国要从风电大国向风电强国转变。风力发电产业的快速发展直接带动风力发电技术人员需求的增长，但当前的人才供应状况不容乐观。国内高校设立风力发电专业或专业方向较少，通常风力发电企业只能从相关专业遴选所需的技术人员。同时技术人员缺乏对风力发电场系统构成与运行知识的了解，更缺乏运行操作经验。借助仿真实验平台，可以在较短的时间内培训出合格的运行操作人员。在风力发电仿真平台的开发过程中，需要针对风力发电机组的各个环节，如风力机、发电机等，进行物理特性的研究和仿真模型的建立，从而对整个机组运行特性就有了一个全面而细致的了解。风速风向的随机性和波动性给控制系统开发带来了很大的困难和风险。将不成熟的控制规律和控制系统运用于风力发电场的运行控制，可能带来灾难性的事故。仿真实验平台可以对控制规律进行全面的检验，减少了运行风险和控制系统的开发周期。此外，技术人员可以在仿真实验平台上开展反事故演习和不同运行方式仿真实验，熟练掌握各种异常运行工况下的应对处理措施，进而提高实际风力发电场的运行水平，减少设备受损几率，提高风力发电场运行的安全性和经济性。目前国内将仿真运用于风力发电系统尚处于起步阶段，公开的成果尚不多见。其中上海寰晟新能源科技有限公司开发的《BLADE风力发电机组仿真设计及应用软件》为成果之一，但是只是风力发电机组设计演示，不能对风力发电机组运行状态和控制进行实验和演示。总之，国内目前还没有针对风力发电运行状态和控制进行实验和演示产品。针对现有的技术的不足和需要，开发风力发电机组全过程仿真实验平台，具有深远而特殊的意义。
发明内容
发明目的针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种封闭式、一键操作且占地小的橡胶浙青室内制备装置。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案一种风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于包括气动转化模块、传动系统模块、发电系统模块、液压变桨距模块和偏航系统模块，其中
所述气动转化模块,建立叶轮捕获风能并将风能转换成轮毂上的机械转矩这一过程的数学模型；所述传动系统模块，为一级行星两级圆柱齿轮传动，将叶轮低转速转换成高转速输出；所述发电系统模块，将传动模块的高转速机械能输出转换成电能，并监测输出电能；所述液压变桨距模块，根据风速对风轮的桨距角进行控制，从而使得当风速低于额定风速时，以最大风能捕获输出；而当风速大于额定风速时，进行恒功率输出；所述偏航系统模块，使风轮跟踪变化的风向，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制偏航电机将风轮调整到与风向一致的方位。有益效果与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)系统而全面的建立了风力发电过程的模型和运行控制方法，可以演示在任何运行工况下的状态参数和演变过程，可以实时演示风速、风向、叶片力矩、桨距角、转速、转矩、发电机电流、发电机出口电压、有功、无功以及直流母线电压等物理量的变化状况；(2)可以为风力发电研究以及人才培养等提供一个系统而全面的操作平台，在该平台上，研究人员可以研究风力发电过程动态特性，为动态特性的改进提供基础；在人才培养方面，可以使操作人员对整个机组的运行特性有一 个全面而细致的了解。
图I为本发明的风力发电系统控制系统图；图2为桨叶空气动力负荷原理图；图3为桨叶C:、Cd与i关系图；图4为变桨距控制框图；图5为变桨距控制器示意图；图6为液压变桨距机构简化前的数学物理模型；图7为液压变桨距机构简化后的数学物理模型；图8为变桨距电液比例控制系统的结构原理图；图9为变桨距电液比例控制系统方框图；图10为偏航控制的结构图；图11为齿轮传动系统I旲型；图12为传动系统刚性轴系I旲型；图13为转速功率曲线；图14为工况切换逻辑流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明利用MATLAB软件并针对典型I. 5兆瓦风力发电机的系统级状态监测和控制，建立风力发电全过程模型，融合全过程模型和全过程控制方法，显示风力发电全过程的状态参数和演变过程，如图I所示是风力发电系统控制系统的系统图。I.气动转化模块的数学模型(基于叶素理论)
风力机通过叶轮捕获风能，并将风能转换为轮毂上的机械转矩，这个过程是一个复杂的气动力问题。图2为桨叶空气动力负荷原理图。其中各物理量的含义如下，V :风速；w :相对于叶素的风速；dL :叶素升力；dD :叶素阻力；dFt:叶素运动方向升力；dFa:叶素轴向阻力；dF:叶素所受合力「《wtr:切向风速分量:攻角(合成气流方向与翼型几何弦线的夹角)淨:入流角(合成气流速度与旋转平面之间的夹角):桨距角(回转平面与桨叶截面弦长的夹角)。根据叶素理论，风机叶片受力如下
权利要求
1.一种风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于包括气动转化模块、传动系统模块、发电系统模块、液压变桨距模块和偏航系统模块，其中 所述气动转化模块，建立叶片捕获风能以及叶轮通过轮毂将转矩输入到传动系统这一过程的数学模型； 所述传动系统模块，为一级行星两级圆柱齿轮传动，将低转速转换成高转速输送给发电机； 所述发电系统模块，将机械能转换成电能，并监测输出电能； 所述液压变桨距模块，根据风力发电机组的控制目标额定风速以下，利用转速控制器实现最大风能捕犹控制；额定风速以上，进彳丁恒功率控制，使系统在闻风速下保持恒功率输出； 所述偏航系统模块，使风轮跟踪变化稳定的风向，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制偏航电机将风轮调整到与风向一致的方位。
2.根据权利要求I所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述气动转化模块是建立风能转换成机械转矩的数学模型，在气流的作用下，风力机叶片所受轴向升力Fa和轴向阻力Ft对应关系如下
3.根据权利要求2所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述液压变桨距模块，是通过改变气动转化模块中风轮的桨距角，从而控制输出，该液压变桨距执行模块包括液压泵、电液比例换向阀、液压缸和位置传感器，所述电液比例换向阀设有进油口、出油口及两个负载口，且两个负载口分别与进油口和出油口连通，且能交叉换向；所述液压泵由电动机驱动；所述的液压缸凭借比例换向阀输出压力，间接实现对活塞杆位移的控制；所述的位置传感器对液压缸活塞杆位移进行监测。
4.根据权利要求3所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述液压变桨距模块的控制策略为电液比例位置控制系统，通过控制比例方向阀输出压力，间接实现对液压缸活塞杆位移的控制，如下式
5.根据权利要求I所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述传动模块为一级行星两级圆柱齿轮传动，低速轴为行星传动，使功率分流，同时利用内啮合，后两级圆柱齿轮进行分配增速比；该传动模块构建的数学模型为刚性传动模型，如下
6.根据权利要求I所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述偏航系统模块包括控制器、功率放大器、执行机构和偏航计数器，其中执行机构由电机驱动，该模块的数学模型为一个二阶系统，其传递函数为
7.根据权利要求I所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于所述发电系统模块为双馈发电机，其动态模型基于矢量控制系统，转子侧变换器是通过DFIG定子磁链定向进行控制，网侧变换器是通过电网电压定向控制的，矢量控制结构方程如下
8.根据权利要求I所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于采用MATLAB软件对各模块进行融合，建立风力发电全过程模型，并显示风力发电全过程的状态参数和演变过程。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电运行状态与控制模型机，它是基于MATLAB软件主要针对1.5兆瓦风力发电机系统而全面的建立了风力发电全过程状态监控与仿真分析模型，可以实时演示任何工况下的状态参数和演变过程，为风力发电研究及人才培养提供了一个系统而全面的操作平台。
文档编号F03D9/00GK102705169SQ20121021357
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者刘德有, 张德虎, 杨晓春, 田蔷蔷, 稽仁荣, 胡鹤轩, 许昌, 郑源, 霍志红 申请人:河海大学