风力发电系统建模与仿真毕业论文(编辑修改稿)

风力发电系统建模与仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

—— 空气密度（ 3/mkg ）； R—— 风机叶轮半径（ m ）； —— 叶尖速比，定义为eqturvR ，其中 tur 为风力机叶轮转速（ srad/ ），eqv 为等效风速（ sm/ ）；  —— 桨距角（ deg ）； PC —— 风能利用系数，是叶尖速比  和叶片桨距角  的函数；对于给定的风力机系统， PC 的表达式是一定的。 一种变桨距风力机的风能转化效率系数：    ,   eC P 10 3   （ 210） 风力机获得转矩为： turww PT  （ 211） 风力机 传动装置 发电机 桨距角控制 风速 wv aeT mT g  E 定义  ,TC 为转矩系数，      , PT CC  （ 212） 注： 由eqturvR 推出 eqopttur vR  （ 213） ① 对于给定的叶片桨距角  ，不同的叶尖速比所对应的 PC 值相差较大； ② 对于给定的  ，有且 仅有一个固定的 opt 能使 PC 达到最大值； ③ 在风速不断变化的情况下 ,要保持 opt 、 tur 必须随着风速按照 Ropt 的比例变化，才能保证风力机捕获的风能最大、效率最高。 这是采用变速风电机组代替固定转速风电机组的初衷之一。 图 27 风机 PC  特性曲线 对于变桨距型风力发电机组， PC 特性可近似表示为：  fRCfP eRCC 2   （ 214） 式中， fC 为叶片设计常数，一般取 1~3。 风力机的稳定工作区 空间曲面虽然能包含风力机运行的所有状态点，但是对于分析不太方便，所以在实际应用中多是取几个离散的  值，画出平面图的方法，如下图所示，取 6组  值，绘制如下： 图 28 风力机稳定工作区曲线图 在  vT , 曲线中，以转矩 T 的最大值为顶点连成的一条线 AB，将曲线簇分成了两部分，其中右侧为稳定运行区域，左侧部分为不稳定工作区域。 ]6[ 对比 vP , 和  vT , 曲线，我们发现当 T 达到最大时， P 并没有达到最大，具体而言，就是最大功率点对应的转速值要大于最大转矩点的转速值。 如图 26 所示，曲线CD 是由最大转矩点的连线而成的，曲线 EF 则是由最大功率点的连线而成。 这样一来，在  vP , 曲线簇中， CD 曲线和 EF 曲线之间的部分也是稳定区域。 基于叶素理论的风力机建模 基于叶素理论的风轮建模是将叶片分为若干个微元，称为叶素，通过对叶素的受力分析求得微元转矩，再将所有微元转矩相加得到风力发电机风轮的输出转矩 ]75,5[ ，在风轮半径 r 处取一长度为 dr 的叶素，其弦长为 l ，节距角为 。 图 29 叶素微元受力分析图 如上图所示，来流方向的风速为 v ，在半径为 r 处的风轮机速度为 ru t （ t 为风轮机角速度），气流相对于叶片的相对速度为 w ，则有： uvw  （ 215） 叶素 dr 在相对速度为 w 的气流作用下，受到一个方向斜向上的气动力 dF的作用。 将 dF 沿与相对速度 w 垂直及水平方向可分解为升力 dL 和阻力 dD ，当dr 很小时，可以近似的将叶素面积看成弦长与叶素长度的乘积，可得如下计算公式： drlwCdDdrlwCdLdl222121 （ 216） 气动力 dF 按垂直和平行于旋转平面方向分解为法向力 adF 和切向力 udF ，风轮转矩 dT 由切向力 udF 产生，则有转矩微元：  IdDIdLrdFrdT u c o ss in  （ 217） 令 ld CC / ，得总转矩计算公式：    Rr ldrIICr lwndTnT0c o t1s i n21 2  （ 218） 式中， 0r —— 轮毂半径； n—— 风轮包含的桨叶个数； I —— 倾斜角 (桨距角  与攻角 i 之和 )。 上式为基于叶素理论的风轮模型函数，可以写为如下形式：  ,uvfT  ，即风轮输出转矩为风速 v ，风轮转速 u ，桨距角  的函数。 基于 PSCAD 风力机模型与仿真 基于 PSCAD 的风力机模型如下： 图 210 风力机简化模型 基于上面的原理及理论公式，仿真结果如下： 图 211 风轮机机械转矩输出及参数设置 图 212 风轮机机械转矩 模拟仿真结果。