基于LabVIEW的风轮模拟实验平台的研究
发布时间：2021-02-14 00:58
能源是人类赖以生存的基础。目前科学技术的进步使得人类对于能源需求也在逐步提高,然而化石资源的总量却在不断的减少。环境的恶化及能源日益枯竭的问题影响人类发展,这是全球各国政府担忧的重要问题。风能资源由于其绿色清洁,可再生,成本低等特点,是全球能源结构转型的主要能源。但是风电场一般建造在偏远的地方或者海上,而且风资源不稳定,到实地风场进行实验难以实现,这些因素限制了风电技术的提升。因此设计出能够准确表现实际风轮机运行特性的风轮模拟系统,就能为风力发电技术的探索进步提供基础与前提。本文介绍风轮模拟的研究背景及发展现状,对比各种建模与模拟方式的优缺点,提出风轮模拟系统的整体策略,由软件模型发出指令值利用变频器驱动异步电机。使得电机的转速、转矩等特性表现出风轮的实际特性。本设计采用了四分量组合风速模型,很好的表现出风速随机波动的特点。并在LabVIEW中建立了风速以及风机的模型,仿真证实该模型可以较为准确的模拟出实际风速,表现实际风轮机特性,能够满足后续风轮模拟的研究。通过分析风轮机工作过程,制定了合理有效的转速、转矩的控制策略,结合异步电机的直接转矩控制,在计算机中对转速、转矩控制方案进行仿真...
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
008年-2018年世界新增与累计风电装机容量
内蒙古科技大学硕士学位论文-3-1.2.2国内风电发展现状根据国际社会中对于风能开发量的统一评估标准，结合我国环境与当前政策因素，统计得出，在我国七十米海拔层高度，年平均风功率密度达到300W/m2的地区有2.6TW可待开发利用的风能，七十米海拔层高度达到200W/m2以上地区的待开发量是3.6TW。可想而知，占地球表面积71.8%的海洋面上可提供更为丰富的风资源。在我国距离海岸线50千米内，水深低于50米的近海区域，风电可装机总量能够达到500GW[8]。我国领土上空蕴藏的风资源非常丰富，陆地与海上统共10亿瓦风能可供国人开发利用，业界统计如果这些风能可以完全得到开发，将能满足我国目前的用电需求。图1.2是我国2008年到2018年风电新增与累计装机容图。2019年初，全球风能协会(WWEA)的初步统计报告中显示，中国成为首个跻身风电装机200GW的国家，总装机达到了221GW。2018年，中国的新增装机容量以25.9GW大幅领先，远远高于第二名美国的7.6GW。2019年上半年，我国新增风电装机容量9.09MW，包括海上风电0.4MW。相比于我国政府在《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》中提出的目标，2019年，全国全年平均风电利用率为96%，同比提升了3个百分点[9]。图1.22008年-2018年中国风电新增与累计装机容量1.3风轮模拟研究意义风力发电技术的探索和完善不仅需要实践的检验,还必须通过前期的测试验证,而这些测试在实际风电现场进行才更据说服力。研究大规模风电系统,要选择合适的
内蒙古科技大学硕士学位论文-5-图1.3风轮模拟模拟思路示意图风轮机是风力发电机中接收到风能的重要部分。研发风轮模拟实验平台是为了能在实验室环境中，准确的模拟实际风电场中自然的风况条件，得到与在实际风场之中相类似的系统输出特性。图1.3中为风轮模拟思路。大体分为以下几个研究部分：（1）风速建模。风十分多变，的变化性很强，能够建立趋于真实风况的风速模型能为实现风轮模拟做好前期铺垫。一般是将风速划分为4种类型来描述：基本风、阵风、渐变风、随机风。此种风速建模方式虽然主观性强，但是简单灵活、计算迅速、修改方便，能够很好地表现风速的突变性，所以仍然被大部分风轮模拟研究者采用。伴随风力机模拟技术的不断发展，对风速的研究也提出了更高的要求，风剪与塔影效应对风力机运行造成的影响也须考虑。（2）风轮建模。在美国范德霍芬统计出风速频谱后，风速被分为缓慢变化与快速变化两种分量。窦真兰等人将风轮叶片划分成若干个微小的叶素进行分析推导，得到了风轮在不同的风速、转速和桨距角时的转矩，另外还对其模型运行时的特性进行了分析[11]。运用叶素理论分析的方法计算复杂，而且一般生产制造商对于风机参数不予以公开，因此较少使用。（3）风轮模拟的电机。在采用硬件实物搭建风轮模拟实验平台时，可以使用直流电动机或者异步电动机。直流电动机控制方式简单，具有优良的动态性能，但在搭建兆瓦级大功率风电模拟系统时就显得难以满足要求[12~16]。如今，交流调速方式不断更新提升,所以在搭建风轮模拟实验平台时，越来越多的学者选用异步电机。较于直流电机来说，异步电机坚固耐用、运行可靠、造价低廉而且基本不受环境制约。具有同等功率两种电机，异步电机的重量是直流电机的1/2，造价是直流电机的1/3[17]。(4)控
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展太阳能和风能发电技术 加速推进我国能源转型[J]. 李耀华,孔力. 中国科学院院刊. 2019(04)
[2]一种改进的虚拟永磁风力发电系统模拟平台[J]. 汪笃军,刘天羽. 电机与控制应用. 2017(11)
[3]基于LabVIEW DSC/Matlab的风力机风轮特性实验平台设计与实现[J]. 李迺璐,杨华,朱卫军,蒋伟,张继勇. 实验技术与管理. 2017(10)
[4]风力发电现状与发展趋势[J]. 刘波,贺志佳,金昊. 东北电力大学学报. 2016(02)
[5]基于Labview的变频器通讯技术[J]. 李文俊,张爱林. 计算机系统应用. 2015(06)
[6]国外大型风力机技术的新进展[J]. 李晔. 应用数学和力学. 2013(10)
[7]中国风电发展综述:历史、现状、趋势及政策[J]. 谭忠富,鞠立伟. 华北电力大学学报(社会科学版). 2013(02)
[8]虚拟风场和风力机模拟系统的实验研究[J]. 窦真兰,王晗,张秋琼,凌志斌,蔡旭. 中国电机工程学报. 2011(20)
[9]基于永磁同步电机的风力机动静态特性模拟[J]. 陈杰,陈家伟,陈冉,陈志辉,龚春英,严仰光. 中国电机工程学报. 2011(15)
[10]优化能源结构对实现中国碳强度目标的贡献潜力评估[J]. 王锋,冯根福. 中国工业经济. 2011(04)
博士论文
[1]基于永磁无刷直流电动机的风力机模拟系统研究[D]. 郭鸿浩.南京航空航天大学 2014
硕士论文
[1]全球能源治理网络研究[D]. 胡傲.中国矿业大学 2019
[2]永磁同步风力发电机功率平滑控制研究及主控系统设计[D]. 周元立.西安理工大学 2018
[3]风力机特性模拟技术的研究[D]. 谢金平.温州大学 2018
[4]风电机组风轮系统建模及仿真研究[D]. 王洒.华北电力大学(北京) 2017
[5]基于直流电动机的风力发电模拟试验平台研究[D]. 杨娟霞.燕山大学 2014
[6]异步电动机直接转矩开环控制研究[D]. 郭庆.西安科技大学 2013
[7]风速模拟与风力机风轮模拟的研究[D]. 薛小倩.内蒙古科技大学 2012
[8]风力发电机组风轮模拟系统的研究[D]. 韩素贤.内蒙古科技大学 2010
[9]基于异步电机的风轮机运行特性模拟[D]. 李刚.东北电力大学 2010
本文编号：3032860
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
008年-2018年世界新增与累计风电装机容量
内蒙古科技大学硕士学位论文-3-1.2.2国内风电发展现状根据国际社会中对于风能开发量的统一评估标准，结合我国环境与当前政策因素，统计得出，在我国七十米海拔层高度，年平均风功率密度达到300W/m2的地区有2.6TW可待开发利用的风能，七十米海拔层高度达到200W/m2以上地区的待开发量是3.6TW。可想而知，占地球表面积71.8%的海洋面上可提供更为丰富的风资源。在我国距离海岸线50千米内，水深低于50米的近海区域，风电可装机总量能够达到500GW[8]。我国领土上空蕴藏的风资源非常丰富，陆地与海上统共10亿瓦风能可供国人开发利用，业界统计如果这些风能可以完全得到开发，将能满足我国目前的用电需求。图1.2是我国2008年到2018年风电新增与累计装机容图。2019年初，全球风能协会(WWEA)的初步统计报告中显示，中国成为首个跻身风电装机200GW的国家，总装机达到了221GW。2018年，中国的新增装机容量以25.9GW大幅领先，远远高于第二名美国的7.6GW。2019年上半年，我国新增风电装机容量9.09MW，包括海上风电0.4MW。相比于我国政府在《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》中提出的目标，2019年，全国全年平均风电利用率为96%，同比提升了3个百分点[9]。图1.22008年-2018年中国风电新增与累计装机容量1.3风轮模拟研究意义风力发电技术的探索和完善不仅需要实践的检验,还必须通过前期的测试验证,而这些测试在实际风电现场进行才更据说服力。研究大规模风电系统,要选择合适的
内蒙古科技大学硕士学位论文-5-图1.3风轮模拟模拟思路示意图风轮机是风力发电机中接收到风能的重要部分。研发风轮模拟实验平台是为了能在实验室环境中，准确的模拟实际风电场中自然的风况条件，得到与在实际风场之中相类似的系统输出特性。图1.3中为风轮模拟思路。大体分为以下几个研究部分：（1）风速建模。风十分多变，的变化性很强，能够建立趋于真实风况的风速模型能为实现风轮模拟做好前期铺垫。一般是将风速划分为4种类型来描述：基本风、阵风、渐变风、随机风。此种风速建模方式虽然主观性强，但是简单灵活、计算迅速、修改方便，能够很好地表现风速的突变性，所以仍然被大部分风轮模拟研究者采用。伴随风力机模拟技术的不断发展，对风速的研究也提出了更高的要求，风剪与塔影效应对风力机运行造成的影响也须考虑。（2）风轮建模。在美国范德霍芬统计出风速频谱后，风速被分为缓慢变化与快速变化两种分量。窦真兰等人将风轮叶片划分成若干个微小的叶素进行分析推导，得到了风轮在不同的风速、转速和桨距角时的转矩，另外还对其模型运行时的特性进行了分析[11]。运用叶素理论分析的方法计算复杂，而且一般生产制造商对于风机参数不予以公开，因此较少使用。（3）风轮模拟的电机。在采用硬件实物搭建风轮模拟实验平台时，可以使用直流电动机或者异步电动机。直流电动机控制方式简单，具有优良的动态性能，但在搭建兆瓦级大功率风电模拟系统时就显得难以满足要求[12~16]。如今，交流调速方式不断更新提升,所以在搭建风轮模拟实验平台时，越来越多的学者选用异步电机。较于直流电机来说，异步电机坚固耐用、运行可靠、造价低廉而且基本不受环境制约。具有同等功率两种电机，异步电机的重量是直流电机的1/2，造价是直流电机的1/3[17]。(4)控
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展太阳能和风能发电技术 加速推进我国能源转型[J]. 李耀华,孔力. 中国科学院院刊. 2019(04)
[2]一种改进的虚拟永磁风力发电系统模拟平台[J]. 汪笃军,刘天羽. 电机与控制应用. 2017(11)
[3]基于LabVIEW DSC/Matlab的风力机风轮特性实验平台设计与实现[J]. 李迺璐,杨华,朱卫军,蒋伟,张继勇. 实验技术与管理. 2017(10)
[4]风力发电现状与发展趋势[J]. 刘波,贺志佳,金昊. 东北电力大学学报. 2016(02)
[5]基于Labview的变频器通讯技术[J]. 李文俊,张爱林. 计算机系统应用. 2015(06)
[6]国外大型风力机技术的新进展[J]. 李晔. 应用数学和力学. 2013(10)
[7]中国风电发展综述:历史、现状、趋势及政策[J]. 谭忠富,鞠立伟. 华北电力大学学报(社会科学版). 2013(02)
[8]虚拟风场和风力机模拟系统的实验研究[J]. 窦真兰,王晗,张秋琼,凌志斌,蔡旭. 中国电机工程学报. 2011(20)
[9]基于永磁同步电机的风力机动静态特性模拟[J]. 陈杰,陈家伟,陈冉,陈志辉,龚春英,严仰光. 中国电机工程学报. 2011(15)
[10]优化能源结构对实现中国碳强度目标的贡献潜力评估[J]. 王锋,冯根福. 中国工业经济. 2011(04)
博士论文
[1]基于永磁无刷直流电动机的风力机模拟系统研究[D]. 郭鸿浩.南京航空航天大学 2014
硕士论文
[1]全球能源治理网络研究[D]. 胡傲.中国矿业大学 2019
[2]永磁同步风力发电机功率平滑控制研究及主控系统设计[D]. 周元立.西安理工大学 2018
[3]风力机特性模拟技术的研究[D]. 谢金平.温州大学 2018
[4]风电机组风轮系统建模及仿真研究[D]. 王洒.华北电力大学(北京) 2017
[5]基于直流电动机的风力发电模拟试验平台研究[D]. 杨娟霞.燕山大学 2014
[6]异步电动机直接转矩开环控制研究[D]. 郭庆.西安科技大学 2013
[7]风速模拟与风力机风轮模拟的研究[D]. 薛小倩.内蒙古科技大学 2012
[8]风力发电机组风轮模拟系统的研究[D]. 韩素贤.内蒙古科技大学 2010
[9]基于异步电机的风轮机运行特性模拟[D]. 李刚.东北电力大学 2010
本文编号：3032860
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