風力機模擬技術綜述
王前雙， 胡育文， 黃文新
（南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室，江蘇南京210016）
摘要：隨著風力發電技術研究的日益深入，風力機模擬技術也在近十年得到了快速發展。風力機模擬器可以用來取代實際的風力機，為在實驗室內進行風力發電技術的研究提供了有效途徑。在研究風力機特性的基礎上，詳細介紹了目前國內、外風力機模擬的具體方案，并對各模擬方案進行了對比、分析與總結。
關鍵詞：風力發電；風力機；風力機模擬
中圖分類號：tm315文獻標識碼：a文章編號：1673-6540(2010)03-0001-06
0 引 言
能源、環境是人類生存和發展所要解決的緊迫問題。常規能源以煤、石油、天然氣為主，它們不僅資源有限，而且這些能源的應用引起了嚴重大氣污染。因此，對可再生能源的開發利用，特別是對風能的開發利用，已得到世界各國的關注。
實驗室的前期探索對風力發電技術的發展起著重要的推動作用。但是由于條件的限制，大多數實驗室并不具備風場環境或者風力機，這很不利于一些新穎理論和技術的驗證。為了加強風力發電技術的研發能力，必須要進行風力機模擬技術的研究。風力發電系統是將風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能的能量轉化系統。而風力機在這個系統中就扮演著將風能轉化為機械能的角色，故風力機的模擬本質上講就是能量或者轉矩的模擬。通過采取合適的控制策略，使整個風力機模擬系統符合實際的風力機特性，用其來驅動風力發電機，達到模擬真實自然界中風力發電系統工作的效果。
1 風力機模擬系統的構成
實際的風力發電系統如圖1所示。
如果需要增速還需在圖1中加入齒輪箱。在實驗室中模擬風力機，也就是將圖1中實際的風力機用風力機模擬系統取代，如圖2所示，
風力機模擬系統應該包括以下兩個部分：
(1)實時軟件模擬器。用以實現風力機數學模型的數字化模擬，一般由工控機，叮編程邏輯控制器( plc)或基于高性能微處理器(如dsp)的控制板實施。
(2)機電隨動系統。用以接受來自實時軟件模擬器的給定信號。并提供可測量的輸出變量作為系統對實時軟件模擬器的響應，通常為一套閉環控制的交、直流控制系統。
圖3為實時風力機發電模擬系統結構簡化框圖。圖中輸出變量z是機電隨動系統的參考信號。如果x是轉矩參考值，則回饋值為電動機的輸出轉矩信號；如果z為功率參考值，則回饋值為電動機的輸出功率信號。m、g、c分別為電動機、發電機、控制器。
2風力機的特性
風力機的種類和樣式很多，但按風輪結構和其在氣流中的位置，大致可以分為兩大類：垂直軸式風力機和水平軸式風力機。前者由于具有效率低等不利因素的影響，在商業主流設計中應用較少。目前，最為常見的風力機為水平軸、三葉片、上鳳向的結構。風力機主要由風輪（包括葉片和輪轂）、塔架、偏航系統等部件組成。
風力機是整個風力發電系統中能量轉化的首要部件，作為要模擬的對象，對于其特性的準確計算是整個系統能否有效運行的關鍵。只有模擬出實際的風力機特性才能用其來考察、評價與測試風力發電系統的性能。
2.1風力機的靜態特性
根據空氣動力學的知識可知，風力機捕獲的風能可表示為：
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