风力机模拟技术综述
王前双， 胡育文， 黄文新
（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏南京210016）
摘要：随着风力发电技术研究的日益深入，风力机模拟技术也在近十年得到了快速发展。风力机模拟器可以用来取代实际的风力机，为在实验室内进行风力发电技术的研究提供了有效途径。在研究风力机特性的基础上，详细介绍了目前国内、外风力机模拟的具体方案，并对各模拟方案进行了对比、分析与总结。
关键词：风力发电；风力机；风力机模拟
中图分类号：tm315文献标识码：a文章编号：1673-6540(2010)03-0001-06
0 引 言
能源、环境是人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它们不仅资源有限，而且这些能源的应用引起了严重大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已得到世界各国的关注。
实验室的前期探索对风力发电技术的发展起着重要的推动作用。但是由于条件的限制，大多数实验室并不具备风场环境或者风力机，这很不利于一些新颖理论和技术的验证。为了加强风力发电技术的研发能力，必须要进行风力机模拟技术的研究。风力发电系统是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的能量转化系统。而风力机在这个系统中就扮演着将风能转化为机械能的角色，故风力机的模拟本质上讲就是能量或者转矩的模拟。通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统符合实际的风力机特性，用其来驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。
1 风力机模拟系统的构成
实际的风力发电系统如图1所示。
如果需要增速还需在图1中加入齿轮箱。在实验室中模拟风力机，也就是将图1中实际的风力机用风力机模拟系统取代，如图2所示，
风力机模拟系统应该包括以下两个部分：
(1)实时软件模拟器。用以实现风力机数学模型的数字化模拟，一般由工控机，叮编程逻辑控制器( plc)或基于高性能微处理器(如dsp)的控制板实施。
(2)机电随动系统。用以接受来自实时软件模拟器的给定信号。并提供可测量的输出变量作为系统对实时软件模拟器的响应，通常为一套闭环控制的交、直流控制系统。
图3为实时风力机发电模拟系统结构简化框图。图中输出变量z是机电随动系统的参考信号。如果x是转矩参考值，则回馈值为电动机的输出转矩信号；如果z为功率参考值，则回馈值为电动机的输出功率信号。m、g、c分别为电动机、发电机、控制器。
2风力机的特性
风力机的种类和样式很多，但按风轮结构和其在气流中的位置，大致可以分为两大类：垂直轴式风力机和水平轴式风力机。前者由于具有效率低等不利因素的影响，在商业主流设计中应用较少。目前，最为常见的风力机为水平轴、三叶片、上凤向的结构。风力机主要由风轮（包括叶片和轮毂）、塔架、偏航系统等部件组成。
风力机是整个风力发电系统中能量转化的首要部件，作为要模拟的对象，对于其特性的准确计算是整个系统能否有效运行的关键。只有模拟出实际的风力机特性才能用其来考察、评价与测试风力发电系统的性能。
2.1风力机的静态特性
根据空气动力学的知识可知，风力机捕获的风能可表示为：
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