风力发电虚拟仿真实践教学平台建设初探

摘要：针对风力发电教学实验设备难以满足教学需求等情况，提出构建风力发电虚拟仿真实践教学平台。论文详细地阐述了平台建设的必要性、平台的构成及应用前景等。该平台在构建过程既要遵循虚拟仿真教学的特征，又要贯穿学生为主体、教师为主导的现代教育理念。

关键词：虚拟仿真；风力发电；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0076-02

一、引言

风能作为一种绿色环保的可再生能源受到了世界各国的高度重视，我国风电并网容量已达1.29亿千瓦，占全部发电机组装机容量的8.6%。预计到2020年，风电将达到2亿千瓦以上。因此，对风力发电的研发、设计、生产和管理等方面的人才需求也随之增加。但是风力发电涉及机械、电力、电子、液压、控制、计算机、数值天气预报等多学科的综合性高技术系统工程，因此成熟的风力发电实验教学仪器还很缺乏。目前已有的风力发电实验仪器，如上海同育教学仪器设备制造有限公司的TYKJ-SF双馈风力发电机模拟试验台、上海顶邦教育设备有限公司的DB-FN02型大型双馈风力发电实验系统等在空载运转、并网实验、风速、转距、发电功率、脱网保护等方面提供了模拟实验。这些装置可以帮助学生初步理解风力发电原理和技术，学习风力发电机的机械结构和系统组成。因此，亟待建设风力发电虚拟仿真实践教学平台，模拟各种风的形成与特性、风力发电机组的结构、风电场的建设、风电机组的控制、典型故障、各种工况条件下的风力发电机组运行状态，让学生能在安全的环境下身临其境地观察了解风力发电机组、机舱内部结构、各零部件及控制器的三维全貌；通过调整设备参数，观察风力发电机组及各零部件的运行状态的变化情况；让学生理解和掌握风力发电机组设计、运行、安全维护、风电场建设与管理、风力发电机组输出功率预测等方面的知识，快速提高学生实践技能和职业岗位能力。

二、风力发电虚拟仿真实践教学平台构成

目前风力发电研究的仿真软件主要有Matlab、GH Bladed、HAWC、DIgSILENT、PSCAD、ANSYS、Saber等。风力发电虚拟仿真平台可以采用3D虚拟现实技术、Matlab和Bladed进行开发。风力发电虚拟仿真实践教学平台主要由13个仿真模块组成，如图1所示。

1.风能资源评估仿真模块。风能资源评估模块应包含风的形成、风的特性、风的测量、风能估计等四个子模块。其中风的形成包括全球性风（大气环流、季风）、地方性风（海陆风、山谷风、焚风）、极端风（热带气旋、寒潮大风、龙卷风）等的形成。风的特性包括风速模型、风玫瑰图绘制、地形地貌对风的影响等。其中风速模型包括平均风、阵风、极端风、渐变风、随机风等模型、风剪切模型、塔影效应模型。风的测量包括风向测量仪、风速测量仪器。风能估计包括最小二乘法估计、平均风速和标准差法、平均风速和最大风速法。

2.风能转换原理仿真模块。主要是指风力机气动载荷分析与计算，主要包括变桨载荷计算、方位角气动载荷计算、稳态运行载荷计算等，让学生了解升力、阻力、变矩系数与攻角的关系，桨叶相对风速与风速的关系、桨叶入流角与风速关系、桨叶攻角与风速关系、桨距角与风速关系、变桨载荷与风速关系等，变桨载荷、方位角气动载荷计算、稳态运行载荷计算等。

3.风力发电机组结构及功能仿真模块。主要包括风轮、机舱、塔架、基础、控制、辅助系统等五个模块。风轮模块包括叶片、轮毂等。机舱模块主要包括齿轮箱、主轴、发电部件等。辅助系统包括变桨机构、变速机构、避雷部件、偏航部件、刹车制动等。通过建立的各零部件的静动态特性模型，实现对关键零部件、整机性能的测试。

4.风力发电机组的控制系统仿真模块。主要包括风力机控制、发电机控制、并网控制等。风力机控制主要包括定桨距、变桨距、功率控制、偏航系统、制动保护等。发电机控制主要包括异步风力发电机控制、双馈式发电机控制、直驱式发电机控制。

5.风力发电机组常见故障与维护仿真模块。主要包括液压部件、偏航部件、发电部件、主轴旋转部件、变桨部件、叶轮部件等的典型故障、各部件发热的典型故障、振动的典型故障等，能够让学生了解风电机组的各零部件常见故障及其维护。

6.风力发电机组运行特性仿真模块。风力发电机组主要有三种功率调节方式：定桨距失速、变桨距和主动失速。针对典型的恒速恒频发电机组、变速恒频发电机组、让学生了解三种功率调节方式下风速功率曲线特点，转速功率曲线特点，理解变桨距功率调节方式的优点。

7.全工况风电场仿真模块。风力发电机组通常在不同工作状态（运行状态、待机状态、停机状态、紧急停机状态）之间进行切换。该仿真平台具有全工况风电场仿真模块，让学生理解风电场运行情况及其相应采取的控制策略。

8.风电场监控与数据采集系统仿真模块。该仿真模块让学生了解风电场中央监控系统构成、监控和采集的性能参数及其变化趋势。

9.储能装置仿真模块。包括蓄电池、抽水储能、飞轮储能、超导储能、热能储能等储能原理动态演示。

10.风电场建设仿真模块。该模块包括风电场选址、风力发电机组运输、安装、验收等。风电场选址模块包括宏观选址、微观选址、可行性评估等。可以利用虚拟现实技术实现风电机组拆装过程的动态演示。

11.风力发电并网对电网的影响仿真模块。该模块能够演示风力并网发电时，对电网的电能质量是否造成影响，包括对电网的电压、短路电流、网损等的影响。

12.风电场设计运行维护规程仿真模块。主要包括国内外风力发电机组设计与认证、风电场设计与运行、风资源评估等相关技术标准。该模块有助于学生理解这些标准，并能按照标准进行风能资源评估、风能资源测量、风电场建设可行性报告的书写等实践。

13.其他模块。该模块主要包括流行的小型家庭用的风力发电机、新型风力发电机、风光互补风力发电系统等。

三、风力发电虚拟仿真实践教学平台的应用前景

风力发电虚拟仿真实践教学平台可以提供验证型、创新型、综合型实验、企业实习实践、上岗培训等功能。平台在构建过程既要遵循虚拟仿真教学的特征，又要贯穿学生为主体、教师为主导的现代教育理念。平台可以适用风能与动力工程专业、能源科学与工程专业、新能源材料与器件专业、电力系统及其自动化专业等本科生，为学生尽快掌握风力发电的工作原理、故障检测与设备维护、系统性能测试、新技术案例等提供实践平台。同时，该虚拟仿真实践教学平台也适用于科研人员。因此，风力发电虚拟仿真实践教学平台具有示范性和推广价值。

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