3.建设方案

3.1 建设目标

风力发电机组仿真平台建设目标如下：

（1）构建以风电机组总体设计平台为核心的风力发电机组设计仿真系统，该系统贯穿风电机组参数选择、总体设计、详细设计整个过程，包括风力发电机组性能分析、载荷计算、结构强度分析模块。

（2）建立风力发电机组控制系统半物理仿真系统，在该系统中控制器及相关的机械结构为实物，而风力发电机组其他部件以及风场环境采用数学仿真代替。

（3）建立适用于我国气候和地形环境的风资源评估仿真系统。

（4）建立风力发电机组运行仿真系统。该系统包括风能特性仿真、风力发电机组仿真、风电场仿真、风电场接入电力系统仿真的功能。

基于上述仿真系统，结合具体风电场项目，实施风力发电系统仿真，发展我国风电行业仿真技术。

3.2 建设内容

3.2.1 风力发电机组设计仿真系统

（1）逻辑结构

风力发电机组设计仿真系统以风力发电机组总体设计软件平台为核心，该软件平台以完成方案的总体设计为目标，因此各项功能均围绕设计对象展开。系统内部逻辑结构如图所示，具体含义如下：

① 设计对象、设计状态与设计分析构成一个三元关联关系，设计分析针对设计对象每一个由设计状态所确定的设计点进行处理运算；

② 设计分析所依赖的手段既包括各种商业软件，也包括总体设计部门自主开发或引进的各种设计方法；

③ 在设计对象各种设计状态的设计分析的基础上，结合若干条件即可进行设计方案的优化，通过开发的专用接口可连接已有的外部优化框架软件方便的进行各系统设计优化；

④ 智能化设计支持可以在需要的时候为设计人员提供备选的建议以供参考，辅助进行风力发动机组总体方案设计工作以及决策。 

图43 软件平台系统逻辑结构

（2）系统框架

软件平台的系统框架如图所示。软件平台以底层数据库和资料库子系统为数据基础，通过开放式设计平台框架将总体方案设计、性能分析、综合优化以及专家辅助支持等功能有机集成，形成统一的面向风力发电机组总体方案的平台。

图44 软件平台系统框架

1 数据库子系统

数据库作为方案总体设计的基本信息支持构成了平台的底层基础，包括风模型库、翼型库、风电机组参数库、风电机组零部件库、材料特性库、风电机组方案实例库以及由标准、规范和手册资料所构成的知识库，数据库为风力发电机组方案设计提供所需的各种主要数据信息，并存储设计方案实例。方案实例库和知识库也是专家辅助支持系统的重要数据支撑。

作为数据支持的子系统，在设计过程中提供设计和分析所需要的各种数据模型和标准数据等。每个数据库都由后台服务器上存储的数据库系统、相应的客户端程序和数据接口三部分组成。数据库系统根据具体数据型式采用专用数据文件与商用数据库相结合的方式；客户端程序集成在平台框架中，提供图形化界面对数据库中的记录进行新建、编辑、删除、设定图片、指定几何模型等操作；数据接口则是针对平台中的相关功能模块进行有针对性的开发。

2 开放式设计平台框架

用于总体设计中的分析工具类软件数量多，难易程度各异，且很多时候由于各种因素，用户无法将其所独有的分析工具带出起工作场所进行集成，因此，平台必须要具备面向分析的开放性以适应不断增加的分析工具以及针对设计者现有资源配置情况进行的平台定制。另一方面，针对各专业的软件工具层出不穷，平台构建之初就必须考虑对这些新软件的兼容问题，固定的软件接口是不可行的。基于功能开放性、集成化的要求，系统的架构与数据管理必须留出好的接口并提供有效的集成手段予以支持，采用灵活开放的集成工具才能从根本上实现新工具的即插即用功能。

开放式集成模块和数据任务流管理模块构成了开放式设计平台的基本框架。开放性功能是当前软件发展的趋势，提供与设计相关的建模、分析、仿真和优化等专业软件的接口，使得软件中可以尽可能利用现有软件的功能来丰富完善自身系统功能。开放式集成模块提供方便的文件解析及参数变量绑定等接口编辑功能，方便用户自行进行相关功能软件的集成工作。数据及任务流管理模块控制了从总体方案参数选择、建模、分析计算到分系统设计等整个总体设计过程中的数据管理和相关设计流程、任务管理。

3 总体方案设计子系统

总体方案设计子系统负责概念设计阶段的方案、总体参数选择和整个设计阶段的设计建模及结果图表显示等。其中定参数模块用于确定方案总体参数和各子系统参数，参数确定过程中提供知识库的辅助支持，并将总体参数与费用分析模块建立关联，通过成本费用的实时更新辅助总体参数决策。子系统设计任务制定模块则作为总体设计的输出部分，在总体方案的模型和分析计算数据的基础上，为用户提供撰写子系统设计任务的工具。方案设计建模模块则负责具体系统建模工作，包括外部环境建模、叶片建模、传动系统建模、发电机建模、控制系统建模、基座和塔架建模等，同时计算分析的结果图表等也由该模块负责实现。

4 性能分析子系统

性能分析子系统提供叶片气动力计算、载荷计算、性能计算、强度分析、稳定性分析和成本分析等模块，通过软件平台的开放式集成模块既可以集成用户自己的分析计算程序，也可以通过接口集成各种商业化软件进行相关分析计算。由总体方案设计子系统提供几何模型数据，而计算结果也通过图表显示模块来演示。

5 综合优化子系统

综合优化子系统通过集成现有的多学科优化框架软件获取成熟的优化策略和优化方法，而对总体方案和各子系统方案的优化设计则由优化设置模块来实现。多学科设计优化是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法。在提供变量、约束、性能间交互作用和耦合信息的基础上实现同时满足各学科和系统约束的设计，具有对各种设计方案迅速进行折衷分析的能力。多学科优化利用计算机网络技术集成各个学科的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程，充分利用学科子系统之间相互作用产生的协同效应，获得系统的整体最优解。

综合优化系统提供了多种多学科优化方法，为各个设计阶段不同的优化目标提供系统级的整体优化工具，先进优化算法/策略及软件方法的支持使设计人员可以利用设计平台对设计方案进行高效、高精度的优化。

综合优化系统通过良好的人机交流界面由用户指定优化目标（多学科或者单学科）、优化变量及设计约束（包括系统级变量与约束、学科级变量与约束等），采取用户选用的优化策略，启动优化进程。与平台框架进行数据信息交互，并通过平台框架调用优化过程需要用到的各种分析模块以获取优化所需的设计变量信息及状态变量信息。

6 专家辅助支持系统

专家辅助支持系统包括智能化检查模块和知识检索及辅助支持模块。智能化检查模块通过对所选择方案的总体参数与已有的设计标准进行对比评价，来检查总体设计参数的合理性。而知识检索及辅助支持模块以知识库为基础，配合智能化检查模块利用已有的各种专业化知识和经验数据对总体设计进行辅助支持。

（3）工作流程

系统的主要工作流程如图所示。

图45 系统的主要工作流程

3.2.2 风力发电机组控制系统半物理仿真平台

风电机组控制系统是目前我国风电设备制造业中最为薄弱的环节，也是目前唯一没有实现批量国产化的部件，基本依赖进口，主要来源于丹麦MITA和奥地利WINDTEC等公司。在未来的几年内，这种趋势还难以改变。将仿真技术广泛应用于风力发电机组控制系统的设计、试验测试、运行分析等各个方面，将有助于加快我国风力发电集注的发展步伐，缩小与发达国家之间的技术差距。

风电机组控制半物理仿真系统由风力发电机组模拟系统和包括软/硬件或软/硬件的处理器系统组成，其中处理器系统负责处理传感器输入信号，并发出输出信号控制执行机构模拟系统的动作。

（1）风力发电机组模拟系统为控制对象风力发电机组的仿真模型，可模拟包括液压驱动或电动变桨距执行机构、发电机转矩控制器、发电机接触器、刹车装置和偏航电机等动作。该部分仿真技术主要有对风机的稳态特性分析和动态特性分析。通过稳态特性分析可确定风机的稳态运行曲线。通过动态特性分析可确定风机在额定和切出风速下各关键部件的耦合频率，如塔架一阶、二阶频率和叶轮穿越频率等。风机的稳态和动态特性分析对确立控制器设计起重要影响的动态参数起关键性作用，如变桨执行机构时间常数、控制器时间步长、电气时间常数和发电机转速输入延迟等参数。

（2）处理器系统由计算机或微型控制器和可靠性高的硬件安全链组成，以实现风机运行过程中的各种控制功能；同时必须满足当严重故障发生时，能保障风力机组处于安全的状态下。处理器系统中的控制策略主要包括监督控制和运行控制策略两部分。

第一、监督控制策略包括风力机正常启动和因超速、过频率，以及变桨和偏航系统故障等引起的停机逻辑。譬如，若电网连接失败，发电机和功率变换子系统直接报告给控制器，将激活电网掉电停机程序。

第二、运行控制策略主要包括变速控制和变桨距控制两部分。在低风速下，通过调节发电机转矩，使风机尽量取得最佳的风能利用系数；在高风速下，采用变桨控制调节风轮转速，保持额定功率输出。除考虑在大风时功率调节和低风速时最优控制的控制目的外，在设计风机控制系统时，还必须考虑控制系统动作对机组载荷的影响，至少要保证不会因控制器的动作而导致过载。因此，在设计时，应明确把减小某些载荷考虑在内。如塔架的振动幅度对塔架的基本载荷产生主要影响，所以在运行控制中，必须避免发电机转速运行在塔架共振频率附近。

在风机监督控制半物理仿真系统中，通过改变仿真风力发电机组的风能参数或工作状态，可测试在各种不同运行方式下控制系统的动作特性和工作效果，以及其对载荷的影响，寻找控制系统设计中存在的问题，改进设计后修正仿真模型，并进一步进行验证，直到控制系统满足设计和运行要求。

3.2.3 风资源评估仿真系统

在风资源评估方面，目前国内主要应用上述的国外计算仿真软件。这些风资源评估软件基本都是根据地形条件、地表粗糙度和测风塔的数据，进行风资源的图谱等分析，进而进行发电量的估算。

在实际风电场开发的时候，对于风电场设计，一方面要考虑发电量最大，另一方面，还要考虑到湍流对风电机组的疲劳载荷的影响，这在复杂地形中表现的特别突出，因此，最优化风电场设计应该考虑是在尽可能降低湍流的影响下，提高风电机组的发电量。但是，计算载荷需要用到专业的软件，通常的商用风资源评估软件也无法提供载荷计算需要用的一些输入数据。

在这种前提条件之下，结合国外已经有的风资源评估软件，有必要开发专门针对复杂地形，服务于载荷计算的风资源仿真软件。

该仿真软件主要包括风况和载荷数据库以及风资源评估系统。

（1）风况和载荷数据库

当前风机的主要设计标准为IEC61400-1，标准中通过风机所适应的外部风况对风机加以分类，并总结出风况模型用于在风机设计时计算风机载荷。这些风况可分为正常风况和极限风况，风机载荷也相应的被区分为极限载荷及疲劳载荷。1996年风况数据库在欧洲建立，其中囊括了几十个国家长达20多年的测风数据，同时包括了一些和测风同步测量的风机载荷数据，这些数据成为了研究风机强度等级和风况极限变化规律的一个可靠的依据。通过积累长期的历史数据并不断地加以扩充和完善，该数据库能够越来越清晰的反映出各地的风况条件和特性。同时，IEC61400-1标准中使用的极限风况模型也在不断完善和修改，使之更符合实际，更广泛地具代表性。中国地域广阔，地形、气候复杂多变，这造成了我国风况的特殊性和复杂性。但是，国际风况数据库并没有囊括任何来自于中国的测风数据，很多气象中的测风数据也没有被很好的整合起来用于对风机载荷影响的进行分析，指导风力发电机组的设计。

因此，通过整理和搜集国内的风况和测试数据库，在此基础上，研究IEC61400-1的各个风况模型是否适合国内的各个领域，探索东南沿海的台风风况模型，为将来设计适合中国国情的风电机组提供数据支持。

最后，做出全国范围内1kmX1km分辨率的全国风资源分布图，为未来风电场的设计规划做参考。

（2）风资源评估系统

风资源评估系统包括风资源评估模块，风电场设计优化模块和风电场短期功率预模块等。

风资源评估模块将集成目前国外已有一些风资源计算仿真软件，另外，也给一些新的计算方法和模型如大涡模拟方法等提供兼容的接口。模块通过相关标准对风资源数据进行筛选，然后对平均风速、湍流强度、风功率密度、全年风速日变化量和月变化量、风速频率分布、风向玫瑰图等基本的量进行统计分析。然后结合地形条件、地表粗糙度和测风塔的数据，进行区域的风资源分析。

风电场优化模块也将集成目前国外已有的一些风电场设计优化软件，利用风资源分析数据和机组参数进行风电场设计优化。由于机组设计时一般都是考虑标准等级设计，安装在特定场址时应该针对特定场址进行载荷计算，因此，该模块将提供分析最大载荷的机组以及进行特定载荷计算的输入数据。

风电场短期功率预模块主要是利用短期天气预报的计算，对某一地区的风电场进行短期功率预测。短期天气预报系统是该模块的核心内容。

3.2.4 风力发电机组运行仿真系统

风力发电机组运行仿真系统主要用于大规模风电并入电网后风电场与电力系统相互影响的仿真。以保证电力系统安全稳定运行。

通常电力系统可以采用数值仿真与物理模拟相结合的方法来研究，一般各种电力系统的仿真程序都可以用来进行风电并网的研究，主要的关键技术是如何在这些程序中建立好风电机组与风电场的数学模型，通过仿真研究风电接入对电网静态电压稳定性的影响，研究风电接后电网发生大扰动故障情况下的电压暂态稳定性、同步发电机组的暂态稳定性及系统频率稳定性变化；研究风电场参与与电网稳定控制技术；研究电力系统接入大规模风电后的动态稳定性，容量可信度及区域电网接纳的能力。

在风力发电机组运行仿真系统中要对风电接入电力系统的运行控制进行模拟，包括风电发电量预测、控制与调度以及风电与其他能源的协制等。

3.3 建设投资

风力发电机组仿真平台建设总投资预计2600万元人民币，其中：

l 风力发电机组设计仿真平台1500万元

l 风力发电机组控制系统半物理仿真平台500万元

l 风资源评估仿真平台200万元

l 风力发电机组运行仿真平台400万元

3.4 建设周期

风力发电机组仿真平台建设周期预计四年，其中：

l 风力发电机组总体设计仿真平台四年

l 风力发电机组控制系统半物理仿真平台两年

l 风资源评估仿真平台两年

l 风力发电机组运行仿真平台三年

3.5 可行性分析

我国从二十世纪八十年代就开始对风力发电机组仿真技术进行研究，虽然这些工作侧重在局部的数值仿真或物理仿真方法的研究方面，尚未引成完整的可以商业化应用的软件系统，但是打下了一定的基础。另外，近年来，随着风电产业的发展，在研发风力发电机组的同时，也引进国外很多商业软件开展了仿真计算，积累了一定的经验。特别是国内一些软件公司在航空、汽车等领域中结合商用软件系统开发了一些专业的仿真系统，可以进行借鉴。

目前，国内已具备建设风力发电机组仿真平台的基本条件。由于建设风力发电机组仿真平台是一个复杂的系统工程，如何组织好力量，整合各方面的资源，做到优势互补，协同工作是需要重点解决的方面。

3.6 效益分析

仿真平台的建设将为我国真正掌握风力发电机组设计的核心技术起到积极的促进作用，同时通过组合、优化产品设计中的各个要素，形成企业设计研发的能力平台，全面提高国内企业风力发电机组设计的效率和质量，促进我国自主知识产权的风力发电机组设计，为我国自主研发先进风电机组提供技术条件，具有重大的技术效益。

仿真平台的建立能够促进我国风电行业仿真技术的发展，仿真过程贯穿风力发电机组设计开发、加工制造、风电场微观选址和风电场运行整个过程，为风力发电机的安全、高效、经济的运行和合理、充分利用我国风能资源提供技术保障，为我国风电产业的持续发展提供技术支撑。