风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

_1。 一 I」一 _1 5 i i i i i i i i i 0 1 2 f/HZ 图 33 Von Karman功率谱密度 ARMA风速模型建立在风速序列功率谱密度的基础上，充分反映了一定时间尺度内 风速变化的统计规律和相关特性，仿真结果表明，该模型得到的风速序列所具有的功率 谱密度与 Von Karman型功率谱基本一致，所得风速序列基本能够反映实际风速的特性， 能够满足电力系统动态分析的要求 [24_25]。 风力机是风力发电系统重要的能量转换部件，它是用来获取流动空气所具有的动 能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转换为机械能。 风力机不仅决定了整 个风力发电系统的有效输出功率，而且直接影响到机组的安全、稳定、可靠运行，是风 力发电系统中核心部件之一。 根据风力机的空气动力学知识，风力机的输入功率为 P丨 =~pSv^ p7rR\^ (313) 式中 p为空气密度， S为风力机叶片扫掠面积， 7?为叶片的半径， V为风速。 风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源。 由于流经风力机后的风速不可能为 零，因此风所拥有的能量不可能完全被利用，这就产生了风能利用系数 Cp， Cp定义为： Cp = ^ (314) P, 其中，为风力机的吸收功率，为风力机的输入功率。 13 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 硕士论文 下面分析讨论下风能利用系数 : 最大极限值。 假定风力机是理想的，气流通过风 轮时没有阻力，即它没有轮毂，有无限多的叶片，没有摩擦阻力等。 其次，假定气流经 过整个风力机扫掠面时是稳态流动，并且气流通过风轮前后都是沿着风力机轴线方向 的。 如图 34所示，设风机叶片处截面积为风力机上游的风速为 V,，风力机下游的 风速为 V2。 由于风轮的机械能量从空气的动能中获取，因此 V2必然低于 V,， V2 ^ y V/ y Sv V2 V 1 V/ — ‘ V2 图 34风轮气流简图 风力机叶片处单位时间内通过的风的质量 w = (315) 根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，叶片吸收的动能等于 风损失的动能，于是得到风力机的获得的动能： E/=；（ 316) 将式 (315)代入式 (316)，得到风力机的获得的动能： =|aS(V,+V2)(V,2V22) (317) 由风能计算公式，风力机的吸收的动能 (318) 那么汁算风能利用系数 Cp: Cp = ^ = ]il+^i^y(?3) (319) E, 2 V| V 丨 V, 山此 T见 (： 为么的三次函数，将式 (319)微分： 14 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 硕士论文 进而可利用平均风速与瑞流分量的叠加计算风速序列 v(/) = v+ v,(A:r) (312) 此种风速的数值模拟主要包括以下几个步骤： (1)根据风电场中实测风速数据提炼风速的统计特性，需确定采样周期，平均风 速，瑞流强度，风速序列的标准差和瑞流积分尺度； (2)计算实际风速的功率谱； (3)求解 ARMA模型参数； (4)实现 ARMA差分方程，即可得到短期风速序列。 20 — —1 T — T 1 1 18 16 ： ： i j 6 If P 山 :[If .： | ft 4 i 」 I ?? , I ‘ 2 I .丄 —— ^ 」 0 100 200 300 400 500 600 time s 图 31基于 ARM A模型的风速序列 图 31给出了 ARMA模型 600s时间段内仿真的结果，对应的参数为：平均风速 10m/ S，瑞流强度 ，瑞流尺度 300m，采样周期。 I .。 40 ? 30 1 .....— 20 \ I V 10 ‘ I 20 0 1 2 f/HZ 阁 32 ARMA模别产生的风逨序列的功率谱密度 12 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 硕士论文 2500 . ■ ‘ — r 1 1 1 T “ ““““~ v=10m/s i 2020 ； / X —— ：： / \ „ n / v=8m/s N 1500 / i*39。 —/ — E ： y i I H ,/ I 誦 „ v=6m/s i 丨 / I 5。 4! v=4m/s \ 1 . 1 0 咖丨丨丨 _I_ 丨邮 1 1 ‘ ‘ . 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 w rad/s 图 38风力机转矩输出特性曲线 风力机转矩输出特性如图 38所示，与功率特性曲线相似，风力机力矩输出随转速 变化曲线形状也为向下开口的抛物线，并在同一风速仅有一个转速点使得风力机输出最 大转矩。 但相同风速下，功率曲线和转矩曲线达到最大值的转速不同，功率曲线达到功 率最大值时的转速比转矩曲线达到转矩最大值时的转速要大。 也就是说尽管功率曲线和 转矩曲线有类似的形状，但风力机的功率最大点非转矩最大点，在研究风力机最大功率 点跟踪和最大转矩控制时需要分别考虑 [30_311。 上面介绍的风力机静态模型是风力机平均气动特性的输出值，是稳态下的风力机模 型，未考虑风力机的动态特性。 风力机的动态特性主要包括风力机的大转动惯量特性、 风的剪切效应 (Wind Shear)和塔影效应 (Tower Shadow)。 风力机模拟系统需要精确地模拟 实际风力机的输出转矩特性，包括由塔影效应和风的剪切效应所造成的脉动转矩，这就 需要在风力机建模分析时考虑风力机的动态特性，能够用解析表达式来实时计算所需模 拟的实际转矩。 实验室搭建风力机模拟实验平台，基本采用直流电机、异步屯机或者永磁屯机作为 原动机，模拟风力机的输出转斯。 然而采用屯机驱动的风力机模拟，整个模拟系统的转 动惯量很小，与实际的风力机的转动惯量存在 23个数量级的差距。 在机电运动控制系 18 硕士论文 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 风力机功 率和转矩模型不难得出。 由空气动力学知识可知，风力机的输出功率为 P。 =^pAv39。 Cp = ^pnRWCp (325) 式中 p为空气密度，为风力机叶片扫掠面积， i?为叶片的半径， V为风速， Cp为 风能利用系数。 图 37为桨距角。 0 为 0，不同风速时 1，风力机的功率输出特性曲线。 在 转速相同时，风力机所捕获的功率与风速有关；而在风速相同时，不同的转速风力机所 捕获的功率不同，且对同一风速仅有一个转速点使得风力机捕获最大功率，该点即为该 风速下风力机的最大功率点。 将不同风速下的最大功率点连接成线，即为该风机的最佳 功率曲线。 X lo 3 I 1 1 1 1 1 1 1 / 10m/s 2丨 —— .„ / / 5 15k . . :/ ..8m/s „： / ‘ I 4 1 ^ 」 I 卜 / 1 i Z ：。 / 6m/s。 / / y ^ 1 ： / 4m/s Q I || I 丨 i ■ . . 0 2 4 6 8 10 12 14 16 W rad/s 图 37风力机功率输出特性曲线 风力机的机械转矩输出特性为 T = ^ = ~pnR39。 v^Cp 0) (326) CO 2 / 式中似为风力机转速。 1由十本义研究車：点 1h桨距允，下文 SM、加说叫，均指桨距 ft为 0。 17 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 硕士论文 功率点跟踪控制技术 (MPPT)，就是随风速变化调节风力机转速，使风力机持续运行在最 佳叶尖速比上，从而获得最大风能利用系数，实现风力机最大功率输出的目的。 风力机有定桨距和变桨距两种结构，定桨距和变奖距的区别在于桨叶节距角是否可 调。 对于变桨距风力机，风能利用系数 Cp是叶尖速比。 I和桨距角 /?的函数，改变会 影响升力和阻力在叶片上的作用，从而改变了风能利用系数 C和风轮的输出功率。 典型曲线如图 36所示。 图 36所示，桨距角 /?是用来控制风机输出功率，在同一风速下，随着奖距角的增 力口，风力机的风能利用系数 (： 变化比较平坦。 Cp曲线直接决定风力机的功率转矩特性，不同类型的风力机有不同的风能利用系 数与转矩系数，曲线一般由风机厂商根据实测风力机数据提供给用户。 叶片的结构、 长度、形状、桨距角不同都会使 Cp曲线不同。 1 1 1 r 1 ? [3=0。 / \/ / X / (3=10^\ / / \ Q。 \ ?。 .2「 ‘ p=20。 ‘■ .„ _ / \ 01 Z N. (3=30。 V 0,05 0 \ 」 0 2 4 6 8 10 12 A 图 36典〗〖 39。 丨曲线 而在未知风力机输出特性的情况下，国内外许多文献都采用一种风能利用系数的经 验公式來求収风能利用系数曲线，从而建立风力机模型。 经验公式如下式： Cp{X,p) = ( 一 ^ 5)t厂 12 5。 (323) 中 M变量与叶尖速比 /1 和桨距角之问的关系如下： 1 1 … — ：： — ~ ■ ■ ■ ■ (324) 又〄 1 + 39。 + 1 风力机建模的关键是求出风力机的风能利用系数 c，只要风能利用系数曲线已知， 16 硕士论文 风力发电机组模拟实验平台的设计与实现 今 4(12： ^— 3(?2) (320) 2 V, V, 令上式等于零，求极值，得 amp。 = 1或 1时 C/7取极值。 考虑实际情况，风速比值不可 V, 3 能为负数，所以取 1 = 1，那么计算风能利用系数最大值： V, 3 Qn,ax = ^ (321) 式 (321)即为贝兹理论的极限值。 但由于能量的转换过程中风能不可能完全吸收利 用，存在能量损失，风力机的实际 Cp远达不到 ，一般在 ?。 风力机的 Cp是关于叶尖速比义和桨距角广的函数。 对于定桨距风力机， Cp只与 A有 关，典型 CA曲线如图 35所示。 叶尖速比。 I是风力机的运行参数，为叶片的叶尖线速 度与风速之比，可以表示为 A = ^ (322) V 式中，如为风轮角速度，尺为叶片的半径， V为风速。 | , i—— —— 上 _ ^^^Cpmax 了。