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使用基于模型的设计来开发风力涡轮机

导读: 风力涡轮机不仅仅是一整套高效率运行的集成化系统。它们还必须能够正确识别各种环境条件并作出相应的反应,因为发生故障后,诊断和修复这些系统的成本非常高。这就使得测试阶段成为系统开发极其重要的一个方面,另外由于系统大小和成本的原因,测试不能完全使用样机来完成。

  风力涡轮机不仅仅是一整套高效率运行的集成化系统。它们还必须能够正确识别各种环境条件并作出相应的反应,因为发生故障后,诊断和修复这些系统的成本非常高。这就使得测试阶段成为系统开发极其重要的一个方面,另外由于系统大小和成本的原因,测试不能完全使用样机来完成。上述这些难题可以在开发过程中采用基于模型的设计的手段加以解决:仿真可以部分替代样机测试或使之更为有效,并且使集成化系统的性能得到优化。

  目前,在德国运行的风力涡轮机超过了20,000 台,这些风力涡轮机能够生产近 24,000 MW 的电力,约为德国当前用电量的 7%。之所以能够取得如此发展,不仅是因为风电场规模的不断扩大和大型风力涡轮机的架设使用,更是得益于实际风力涡轮机技术的不断进步。更好的转子叶片空气动力性能、更高效的发电机以及优化的监控系统,使当今的风力涡轮机拥有前所未有的高效率。

  然而,这一技术进步给工程师们带来了一些新的挑战。风力涡轮机是高度复杂的系统,其中的各个子系统需要尽可能高效地协同工作。这些子系统包括各种机械系统,如转子叶片和变速箱、液压或电力驱动装置(用于设置转子叶片型面的俯仰角),以及电力偏航驱动和电气系统(如发电机)。另外,所有这些系统都由一个复杂的监控系统监控,并且必须对不同的环境条件(尤其是不断变化的风速)作出具体的响应。

  独立式开发使得集成难上加难

  风力涡轮机的各个子系统通常由不同的团队甚至不同的公司开发。在传统的开发流程中,设计可能在独立的软件和仿真环境中完成,并且单独使用某种方法来满足各种需求。这会导致许多问题。由于这些需求尚未整合到开发流程中,因此很难将设计与这些需求和规格进行对比。工程师们无法确定在开发迭代过程中所做的更改是否仍然能够使系统满足需求。最糟糕的是,如果需求不正确或不完整,要等到在开发的最后阶段完成系统集成后才能检测到该错误,此时要修复这些错误的话,成本将非常高,或者甚至无法修复。

  在开发流程的早期如果无法集成不同的设计,也会导致设计问题。例如,如果开发发电机和开发监控系统的团队是独立的进行开发工作,那么就很难预测出开发后期各个子系统集成时将发生的情况。在不同软件工具和仿真环境中工作的工程师可能没有对仿真集成设计进行测试的权利或条件。结果是,只有在生产出硬件样机后,才能集合各个子系统进行测试。由于不同的天气条件和故障分析禁止对硬件样机进行穷举测试(出于成本、安全和可行性等方面的考虑),因此必须对部件和系统进行过度设计(也因此降低了效率),从而确保风力涡轮机不会发生故障。

  相互矛盾的目标

  具有各自目标(有时一个目标与另一个目标截然相反)的不同控制系统需要在风力涡轮机的整个系统内相互作用。这包括系统的整体控制以及控制俯仰角和偏航的系统。

  整个风力涡轮机的监控系统必须确保风力涡轮机可以尽量不停地发电,从而实现运行的经济性。。与此同时,它必须尽量避免每个部件发生任何不必要的磨损和破裂。它还必须对风力

  涡轮机中任何即将发生的电源故障作出反应,以防止风力涡轮机运行不稳定以及因此造成的

  损坏。正常情况下,只有当风速达到 2 到 4 米/秒时,发电机才会启动;风速太小,将无法产生足够的电力,并且会导致涡轮机部件产生不必要的磨损。在大风的天气,发电机也会关机,

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