王宁，段振云，赵文辉，邢作霞

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；2.沈阳工业大学 新能源工程学院，沈阳 110023）

大型风电机组仿真实验台研究*

王宁1，段振云1，赵文辉1，邢作霞2

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；2.沈阳工业大学 新能源工程学院，沈阳 110023）

大型风电机组的运行与维护是风能与动力工程及相关专业学生必须进行的实践环节。针对风电场环境恶劣，且风险性大的问题，在实验室构建大型风电机组仿真实验台就变得很有必要。论文以兆瓦级双馈式风电机组为仿真对象，缩比设计大型风电机组仿真实验台，使其满足启停、偏航、变桨、并网、安全链等仿真功能。通过机械装配过程仿真、运动仿真及电气仿真，使学生熟悉风电机组的机械结构和电气结构，并且更加深刻地理解风电机组的工作过程，解决了以往实习和实验不方便的问题。

大型风电机组；仿真实验台；运动仿真；电气仿真

0 引言

在化石能源日益枯竭并造成环境严重恶化的今天，风能作为一种可再生能源备受关注，风电成为世界研究的热点，风能与动力工程专业的学生也成为紧缺人才[1-2]。风电场是培养学生进行风电机组的运营与维护的重要实习场所，但由于其多位于沙漠、草原、海边等边远地区，自然条件恶劣，交通、食宿条件差，且学生登塔需要登高证，危险性大，这些因素都给现场实习与实验带来许多困难。因此，在实验室构建大型风电机组的仿真平台就变得很有必要。在仿真平台上开设相关实验，对于学生掌握大型风电机组的结构组成、工作特性等具有重要意义。

以往的实验台只能完成一种发电系统的相关实验，并未对风电机组的整体模型进行模拟实验，没有全面的实验仿真模拟系统用于实验教学。由于双馈式风电机组是目前大型风电机组的主流机型[3]，本文将沈阳工业大学设计的某型号双馈式大型风电机组作为仿真对象设计大型风电机组仿真实验台。

1 大型风电机组仿真实验台概述

大型风电机组仿真实验台是根据风力发电的原理[4-6]，结合教学需要而研发的风电教学设备，目的是使学生深刻理解风电原理。它用于仿真MW级风电机组的结构和工作过程，使学生对风电机组的整体结构和工作原理有一定的认识。模拟变速恒频风电机组的运行模式，包括变桨距系统、传动系统、液压系统、制动系统及偏航系统等，具有以实验为目的的模拟机组待机、同步、并网、发电、脱网等分步运行控制的功能。

大型风电机组仿真实验台满足如下实验功能：

（1）进行机组启动、运行、正常停机、紧急停机时桨距角的变化状态实验；

（2）对机组的启动、空载运行、停机、超速、能量转换等过程进行形象演示；

（3）仿真发电机组偏航时的所有过程，包括机组自动偏航对风、手动偏航、自动解缆、手动解缆等；

（4）进行机组安全链保护实验。

仿真实验台是一套开放式的实验系统，具有演示要求的各项功能，内部有嵌入的功能模块，使用人员可以进行二次程序开发。

2 仿真实验台的装配及运动仿真

2.1 仿真实验台的三维建模

大型风电机组仿真实验台结构包括：轮毂、叶片、独立电动变桨系统、主轴及支撑、模拟增速齿轮箱、模拟风力原动机、高速轴联轴器、双馈异步发电机、主动偏航系统、液压站及刹车系统、机舱演示控制柜、塔筒、底座支撑结构、疏雷布线、传感器等。

与真实风电机组比较，大型风电机组仿真实验台主要有以下特点：

（1）仿真实验台的主传动链采用模拟增速齿轮箱，内含拖动电机，通过联轴器直接驱动发电机，同时通过减速机和齿轮减速，驱动风轮旋转，如图1所示；

（2）仿真实验台的变桨系统根据模拟风况，三个伺服电机分别通过减速器、减速齿轮驱动变桨轴承，改变桨距角；将风速风向仪作为执行元件，由步进电机驱动，模拟风速风向等风况；

（3）根据大型风电机组的结构组成，按照一定的缩比关系，采用UG软件完成仿真实验台各零件的三维实体模型，再根据装配关系组装成组件部件，最后装配成风电机组仿真实验台总成。

2.2 仿真实验台的装配

大型风电机组的装配过程是本专业学生实习的重要内容，而仿真实验台又不允许进行多次拆装。基于此，本仿真实验台设计了虚拟实验，依据真实风电机组各零部件的装配关系和装配顺序，进行了基于UG的装配过程仿真。运用模块化的思想，通过装配模块将零部件组装成产品，在装配中建立零部件之间的链接关系。通过约束条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的空间关系。零件的几何体被装配引用后，无论如何编辑零件，整个装配部件都保持着关联性，即当零件被修改后，引用它的装配部件会自动更新。在装配过程中，可以采用自底向上（Bottom-Up Assembly）、自顶向下（Top－Down Assembly）或者混合装配的装配法[7]。在装配体生成后，UG还可以隐藏及显示任意结构，使学生更容易看到风电机组的内部结构。由于风电机组零部件很多，零件模型建好后要进行分类，然后进行部件装配，最后进行总装。大型风电机组仿真实验台三维实体模型如图2所示。

2.3 仿真实验台装配过程和运动仿真

通过动画演示，可以将大型风电机组的装配过程及运动情况生动地展现在学生面前，降低学生的学习困难，便于学生更好地理解风电机组的装配工艺及工作过程，激发了学生对专业知识的学习兴趣，提高教学效果。

在大型风电机组三维建模的基础上，根据其真实装配过程，实现基于UG的大型风电机组装配过程仿真。

图1 仿真实验台主传动系统三维实体模型

图2 仿真实验台三维实体模型

图3 仿真实验台电气演示界面

采用UG软件中的运动仿真模块，进行风电机组仿真实验台变桨、偏航、刹车等动作的仿真，生成动画，以模拟风电机组的工作过程。

3 仿真实验台电气仿真

主控系统主要体现在是对整个系统的逻辑性控制。其中，主控柜由拖动电机变频器、偏航电机驱动器、UPS电源、230供电、安全链、供电电源等，它是整个系统电源提供处。模拟风速时，由上位机发送适当的命令给变频器，驱动电动机带动发电机发电。整个系统的安全链控制要通过主控柜完成上电工作。当紧急停电时，主控柜的UPS能给提供暂时电源。

并网柜由背靠背变频器调制并网过程，通过电压测量板和电流计算板测量转子网侧、定子网侧和定子侧的能量提供给变频器，通过网侧变频器调制直流母线电压，符合并网条件时，发出并网命令，实时并网。模型电机上的双馈发电机处于亚同步状态时，定子输出能量送入电网，当双馈电机处于同步状态时定子和转子同时向电网供电。

操作台的主要功能是启动和实验模式的选择，手动演示风电机组发电的过程。其中，HMI界面主要是显示IPC的内部运行逻辑，各实验项目的人机交互界面；安全链状态显示区显示安全链各环节动作情况；各参数数码仪表显示功能，包括机组运行流程显示区。

为了让学生对风电机组仿真实验台的电气结构有一定的认知，制作电气部件拆装演示动画，便于学生理解风电机组仿真实验台的电气结构。大型风电机组仿真实验台电气演示界面如图3所示。

4 结论

大型风电机组仿真实验台可以对风电机组的结构、装配过程、各种运动以及故障进行模拟，同时通过拖动电机与偏航的控制完全模拟自然风，使仿真效果更加接近实际的风电机组[8]。通过动画演示，学生可以直观地了解风电机组的结构及装配过程，并且深刻地理解风电机组偏航、变桨、主传动和刹车的过程，解决了学生对风电机组工作原理理解困难的问题，激发了学生对专业知识的学习兴趣，可以用于风力发电相关专业的实验教学。

[1]关伟.国内外风力发电概况及发展方向[J].吉林电力, 2008, 36(1): 49—50.

[2]Janet L S.Rewewables 2012 Global Status Report[R]. Paris:REN21Secretariat,2012:6—13.

[3]芮晓明,柳亦兵,马志明.风力发电机组设计[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4] Erich Hau. Wind Turbines[M]. Berlin: Springer-Verlag, 2006.

[5] Peter Jamieson. Innovation in Wind Turbine Design[M]. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2011.

[6]姚兴佳,宋俊.风电发电机组原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[7]张幼军,王世杰. NX CAD/CAM 基础教程[M].北京:清华大学出版社, 2011.

[8]俞黎萍.风电机组动态仿真平台设计方法研究[J].风能,2013(5):92-98.

Study on Simulation Experimental Platform of Large-scale Wind Turbine

Wang Ning1, Duan Zhenyun1, Zhao Wenhui1, Xing Zuoxia2
(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. School of New Energy Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China)

The students major in wind energy and power engineering and related majors must make practice on operation and maintenance of the large-scale wind turbine. For the harsh conditions and high risk of wind, building simulation experimental platform of largescale wind turbine in the lab becomes necessary. This paper made megawatt doubly-fed wind turbine as simulation object, design a simulation experimental platform of large-scale wind turbine, which satisfying the simulation functions as start-stop, yawing, variable pitch，grid-connected，safety chain and so on. Through the simulation of mechanical assembly, motion simulation and electrical simulation, making the students be familiar with mechanical structure and electrical structure of wind turbine, and profoundly understand of working process of the wind turbine, it has solved the problem of practice and experiment inconvenient previously.

large-scale wind turbine; simulation experimental platform; motion simulation; electrical simulation

TM614

A

1674-9219(2013)09-0080-03

辽宁省高等教育本科教改研究项目。

2013-06-05。

王宁（1991－），女，本科，主要研究方向为机械设计与制造。

段振云（1971－），男，教授，博士生导师，主要研究方向为机械设计与制造，风电机组设计。