风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士学位论文.docx

风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文0.35 ./ 2ooa0- 3 广一-./.； .-1j 7 x、ics0,2 ；- ,-,- .-.i1 .，_ szrtzz ij 圓.毒i議0 wl m b b 隱】,3_ ykb 1 t :000 ，m 2m?m iov ( b -)7 ofv? jjo 20)0證 sp?十 广、22347 d !i,qrt 74 0-.省 i- / 255,0 24.6 33.z 34.0 27.7 : 37.5 丨 3(5.5 :. 2s.i 1 20.s . 24.3 !? 25.6 . 26,7 .: 28.2 ？ 3t-8 25.co，图1-1 2010年全球风电装机容量2010年，我国继续保持风电设备生产和风电场开发快速发展的强劲势头。据中国可再生能源学会风能专业委员会（cwea)的统计，2010年我国除台湾省外其他地区共新增风电装机12904台，装机容量达18.93gw，自2009年后继续保持全球新增装机容量第一的排名。2010年底我国除台湾省外累计风电装机容量44.73gw，全球累计装机排名由2008年的第四位、2009年的第二位上升到第一位2。00050 00040 (xk3. .-. 1.-. 30 ocx).一b5_ i龜 20 ocx)j i10 0?)i ., j m.-.-jhoc. ttstai、.1 1 ，】顯20? 2011 2002 2.003 2)04 2005 2006 2007 2008 2009 20!0a当年新增 当年累计图1-2我国风电装机容量1.2风力发电模拟实验系统意义风力发电在快速发展的同时也面临着一些新的问题和挑战，突出表现为大规模风电2硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现并网受限问题和风电机组运行可靠性问题，主要是由于我国风能资源与电力市场分布不均衡以及风能资源的随机间歇特性和风机控制技术不成熟造成的。这既是全球风电发展面临的共同问题，也是风电发展中必然遇到和亟需解决的问题。截止2011年11月，江苏全省风力发电装机总容量153.025万千瓦，占全省总装机容量的2.38%，风电所占发电装机总容量比例较小，风电出力变化对整个系统的影响不大。随着风电装机容量的不断增大，风电出力对电网有功支撑作用不断增强，风电对电网的影响将越来越大。目前风电出力受限主要发生在甘肃、蒙东和京津唐等电网结构薄弱地区，风电功率的大幅变化，导致电网运行电压调整困难，影响系统的电压稳定，使风电出力受到限制。由于间歇性同时伴随随机性，使得风电出力表现出明显的不确定性，因此研究风力发电控制技术尤为重要，减小风电出力的不确定性将会促进风电的飞速发展。要研究风力发电控制技术需要大量的试验研究，最准确的实验方法当然是将风电机组置于风电场，做真实的风电实验。但是，考虑到下述原因，真实的风电实验很难实施：1)风速条件无法人为控制。某些风电实验需要偶发的特殊风速条件，长时间等待实验条件必然耽误科研进度。2)风速风向随机波动，且不易精确测量。这会影响风电实验的数据分析。3)单台实验风机的安装维护成本很高，特别是大型风电机组的研究。4)对于不成熟的控制实验存在安全隐患。上述因素使得大部分风电研究，特别是风电控制研究，很难进行现场实验验证，因此，大多数实验室无法具备风场环境或者风电机组实验条件，这很不利于一些新颖的理论和技术的研究。为了加快风力发电技术的发展，加强风力发电技术的研发能力，必须要进行风力发电模拟技术的研究，建设风力发电实验的模拟平台。1.3风力发电模拟实验系统现状随着风力发电的迅速发展，风力发电模拟实验系统的研究也有了显著的发展，涌现了很多研究成果。风力发电系统主要有风力机和发电机两大部分组成，风力机将风能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。风力发电模拟实验系统要还原真实的风力发电过程，必须包含这两部分，其中风力机模拟是核心。因为风力机安装需要很大的空间和实验需要风速条件，实验室不可能采用真实的风力机做实验。风力机在风力发电系统中扮演着将风能转化为机械能的角色，故风力机的模拟就是机械能或者转矩等效的模拟。对风力机模拟的研究最初集中在使模拟器输出预期的静态转矩，而忽略风机动态变3风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文化过程中产生的脉动转矩。这样构建起来的风机模拟实验系统有不足之处：只考虑静态特性虽易于实现，但是简化风力机的模型只模拟静态特性无法反映风力发电的动态过程，对整个风力发电系统研究意义不大，如由于塔影效应等转矩脉动影响输出电能的质量，以及并网运行对逆变器的要求等动态特性研究必须考虑风力机的动态特性。最近几年来，风机模拟真实性和精确性的要求越来越高，简单的电机拖动和静态特性模拟不能满足试验要求，风机模拟将深入研究风力机的动态特性，逐步完善风力机特性模型在完善风力机理论模型的同时，模拟风力机的原动机呈现多样化，直流电机、异步电机和永磁电机等均被采用作为原动机。不同电机有各自的优势和不足，下面做归纳分析。(1)直流电机模型简单，控制性能优越，是风力机模拟最早采用的电动机类型，特别是在lokw以下的小功率风机系统模拟，直流电机得到了广泛的应用。采用直流电机模拟的系统结构简单，转矩输出稳定，动态响应快。但是直流电机的电刷和换向器的限制，使这种模拟系统适用于小功率的场合，不适用于大功率风力机模拟系统搭建(2)异步电机具有结构简单，运行可靠，维护方便，容量不受限等优势，因此被广泛应用于风力机模拟系统。不过异步电机的控制困难，虽然矢量控制和直接转矩控制能够实现和直流电机相媳美的动态性能，但是这两种控制算法复杂，关于矢量控制和直接转矩控制研究很多，投入实际生产应用的不多，只有abb的变频器采用直接转矩控制技术。所以采用异步屯机作为原动机，调速控制不易实现，而采用成熟的变频器则成本相对较高(3)永磁同步电动机体积小、重量轻、效率高，转子无发热问题，控制系统较异步电动机简卑。同直流机模拟相比，永磁同步电机模拟的缺点是控制系统复杂，同时永磁材料价格较高，同样功率的同步电机价格是异步电机的5倍多，变流系统价格较贵。高性能的永磁同步电机调速系统能够控制永磁同步电机的转矩，系统的动态性能都很好，但需要投入较多的资金15】。在风力机模拟中，根据控制对象的不同，可分为功率控制模拟和转矩控制模拟两种方式。通过控制电动机的输出功率或输出转矩来分别模拟风力机的功率输出特性或转矩输出特性。(1)功率模拟根据风力机模型计算风力机的给定功率，然后山电机控制系统对电机功率进行闭环反馈控制，使其实际输出功率等于给定功率。山于实时控制电机功率，直接采样屯机的功率比较w难，一般采样电机的电ffi和iti流并考虑功率因素间接计算出功率数值，控制电机电流屯伍进而控制功率。但是1:丨丨于电机效率并不恒定，在较宽调速范围内电机效率变化人，导致控制误弟较大，模拟效果不佳，所以这种模拟方式很少采用。(2)转)；丨1控制校拟丨i俳根掘风力机模型计算风力机的输出转矩，风力机的输出转矩作41绪论1.1新能源发展现状在常规能源日趋枯竭的大背景下，开发风能、太阳能等可再生能源已是大势所趋，如何幵发利用风能、太阳能等新兴能源是目前能源研究的重要课题。工业的快速发展和人们生活水平的提高，使人类对能源的需求越来越大。然而常规能源数量有限，据专家预测，煤炭还可开采221年，天然气60年，石油只有39年。另一方面化石等常规能源的过度开发利用严重污染人类的生存环境，空气质量等环境问题日益显现。以目前化石能源为主的能源消耗模式，能源和环境问题将会越来越突出，如何解决能源矛盾实现人类的可持续发展是当前世界各国必须要解决的大问题。人类期望新能源的开发和利用来实现能源的可持续发展，近年来可再生新能源的开发利用越来越受到重视，各国政府投入大量经费并出台扶持性政策支持可再生新能源的发展，各大能源集团和科研工作者巳经将重心转向可再生新能源的大规模幵发利用，在未来一段时间可再生新能源将会快速发展，并占据越来越重要的地位。发展新能源己经是大势所趋，很多国家都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和环境问题双重挑战的重要手段。太阳能、风能、水能和生物能等可再生能源潜力大，环境污染小，可供持续幵发利用，有利于人类与自然健康和谐发展。然而，除水能之外的所有可再生能源中，风能是世界上公认的最接近商业化开发的新能源，与太阳能、生物质能相比，风能是成本较低、技术较成熟且可靠性较高的新能源，而且除噪声外没有其他大的环境影响，近年来发展快速并开始在能源开发利用中发挥重要作用。从新能源开发利用的方式看，无论是水能、核能，还是风能、太阳能都是通过发电來实现其终端利用。风力发电作为公认的可以有效减缓气候变化、促进低碳产业增长、实现经济可持续发展的解决方案，得到各国政策制定机构、技术研发机构、投融资机构、项目幵发商等的高度关注，政策的激励和风电本身的魅力促使风力发电事业蓬勃发展丨-3。据btm统计数据显示，2010年全球风电累计装机容量达到199.5gw,见图1-1,年累计增速为25%，略低于过去五年平均增速27.4%。海上风电成为亮点引起投资热潮和各国广泛关注，目前欧盟在海上风电市场占据绝对主导的地位2。1硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现为模拟电机的目标输出转矩，采用先进的转矩控制技术对电机的转矩进行控制，使模拟风力机的输出转矩与实际风力机的输出转矩一致。这种转矩控制模拟方式往往釆用开环控制，要求转矩控制精度高、速度快，转矩控制跟踪性能好，需要采用直接转矩控制或者矢量控制来实现。国内对风机模拟的研究和国外相比有一定时间的滞后，目前国内的风力机模拟主要集中在静态转矩的计算研究，而风力机动态特性的研究成果并不多。随着模拟研究的深入，电机调频调速控制技术的完善，实验室的风力机模拟将兼顾风力机的静态和动态特性，并且越来越接近实际风力机的特性1.4本文主要研究工作本文研究的内容是风力发电模拟实验平台实现及改进，主要做了以下几个方面的研究工作：(1)首先介绍新能源发展状况，阐述风力发电模拟实验平台的研究意义和现状。(2)简要介绍风力发电的基本原理，进而介绍风力发电模拟实验系统构成以及风力发电模拟实验系统工作原理。(3)对风力机的数学模型和特性进行了分析，从风速的模拟到风力机的静态特性和动态特性均作了仿真研究，重点分析风力机的大转动惯量、风剪切效应和塔影效应的影响。(4)分析指出普通对拖的风力发电模拟实验系统的缺陷，概述风力机的转动惯量补偿方法，对机械飞轮和电转动惯量模拟进行仿真分析，在此基础上提出在实验室环境下的风力机转动惯量补偿方案。(5)给出交流异步电动机的数学模型和直接转矩控制的原理结构，并仿真验证直接转矩控制能很好的跟踪转矩输出，同时分析直接转矩控制低速范围的性能，针对风力机模拟在低速范围可能存在的问题，提出解决方法。(6)介绍风力发电模拟实验平台的改进设计，包括实验平台的构成和软件设计，为搭建完成的风力发电模拟实验平台改造升级提供了有价值的参考。最后总结本文的主要工作，然后对于平台的不足，引出几个需要进一步完善和深入研究的内容。5风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文2风力发电模拟实验系统2.1风力发电的基本原理风力发电是一个复杂的能量转换系统，风能不是直接转化为电能，需经过以下几个过程：风能转化为风轮机械能，通过传动系统，发电机将风轮机械能转换为电能，电能再经过并网设备接入电网。风力机是吸收风能并将其转换成旋转机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在叶片上，使叶片产生旋转力矩而转动，进而驱动发电机发电。风能的获取与传递过程如图2-1所示。图中所示传动系统由发电机类型不同而有所不同，分直驱式和非直驱式。早期的风力发电机多采用笼型异步发电机，传动系统采用齿轮箱提升转速，为非直驱式。目前，国内外兆瓦级以上较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是采用变速双馈风力发电机组和无齿轮箱永磁直驱型风力发电机组，两者综合比较各有优劣。-iii风能 机械能 机械能i 屯能风力机 ； 传动系统 1 发电机 ?令一 -偏航、变來距控制变转速控制图2-1风能的获取与传递过程由于1.2节所述原因，风力机部分很难在实验室环境下真实搭建。因此，在实验室条件下，需要构建风电实验的原动部分，用以替代风力机完成实验流程4。2.2风力发电模拟实验系统构成风力发电模拟实验系统可以在不依赖于环境和实际风力机的情况下模拟不同风力机的动态特性，而且可以任意设定风速的变化曲线，方便了实验室对任意风速条件下的风力发屯系统的研究。可见，风力发电模拟实验装置为风力发电系统及其控制策略的科学研究提供了极为便利的且接近真实的实验条件。6i硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现wind 11岭发电网丨i转矩指令i ：)i _.:.,变频器|?一电动机|_齿轮箱1_i电机|_;ffj| 电网、.丨）爲图2-2风力发电模拟实验系统示意图风力发电模拟实验系统主要有风力发电监控模块、风力机特性模拟模块、转矩输出模块和发电机以及并网控制模块四部分组成，风力发电模拟示意图如图2-2所示。风力发电监控模块包含各类信号采集以及系统运行状态的监控展示。风力机特性模拟模块包含静态特性和动态特性，具体算法包括cp-a曲线计算、桨距角模拟、偏航角度模拟、转动惯量的转矩补偿、风剪切效应和塔影效应补偿等，该部分将在第三章中详细介绍。转矩输出模块包含变频器和电动机，完成电动机转矩控制和输出功能。发电机以及并网控制模块包含发电机、整流逆变设备以及变流并网控制。由图2-2可见，模拟系统与实际系统主要区别在于前者的风力机由转矩可控的电动机替代，模拟系统的容量跟实际系统呈倍数关系。通过风力机模拟算法和转矩控制，电动机可以模拟风力机的动态特性，使得发电机旋转轴系上输入转矩与真实风力机保持一致。为了模拟不同容量的风发电机组实验，风力机模拟算法的风力机参数和特性曲线可以修改，模拟系统的容量与实际系统按等比例缩小，即1.5mw和3wm的风力发电机组可以等比例缩小150倍和300倍后由容量为lokw模拟系统设置不同的参数来模拟一些运行特性119。2.3风力发电模拟实验系统工作原理风力发电模拟实验系统工作过程为风速风向传感器实测风速风向信号或者根据风速仿真模拟信号，获取实时等效风速。风机特性模拟模块根据风力机的特性参数和环境参数如风速、风向、温度和气压等计算作用于风力机的机械转矩。此转矩作为风力机模拟的目标机械转矩，由风力机模拟控制系统向转矩输出模块发送转矩指令，使电动机输出相应的机械转矩，从而模拟实际风力机转矩输出的驱动效果。模拟的机械力矩经过传7风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文动系统驱动发电机发电，发电机三相输出接风机变流器接入电网。发电机功率由变频器控制，在运行阶段变频器接收机械转矩信号控制发电机的转矩使风力发电系统始终随着风速的变化而输出最大的额定功率_。图2-3给出了风力发电模拟实验系统的原理框图，图中剪头指示风力发电模拟实验系统工作过程。风力机特性模拟i 风速模拟1 风速风1疑角 丨风机控制模厂1转矩计算k奖距控制.f-功率控制.w| _mm_ i偏肮控制i风速风1?信号功率控制信号 系统监控模块 4 卸荷控制信号扭矩制信号转速交流电“直流电?信号i 量信号i 量信号 i转矩输出模块机械传动 永磁发电机整流/逆变一电网图2-3风力发电模拟实验系统的原理框图风力发电模拟实验系统核心是风力机模拟算法，一套成熟的、完善的模拟算法可以真实的展示实际风力机的运行特性，转矩输出模块根据模拟算法的转矩计算值控制电机输出转矩，配合发电机和变流设备等风电机组设备完全可以模拟风力发电机组运行。8硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现3风力机的数学模型和特性分析3.1风速模拟由于时间、气候和地理环境的影响，在每一个时间点和空间点上风速、风向都在瞬时变化，风的这种间歇性和随机性，使风力发电的能量输出也存在间歇性，无法准确预测风力发电的出力状况，在开发利用风能时需要解决很多问题。目前，风力发电模拟实验系统己经成为实验室研究风力发电的基础实验平台，为了模拟风机静态和动态输出特性，能量输出随风速变化状况，多种风速模型被引入模拟应用。风作为风力发电的动力来源，模拟的风速模型与实际风速的接近程度是实验室风机试验准确与否的重要影响因素，准确的风速模型是准确预测风力发电出力的重要前提，所以建立准确的风速模型非常关键。风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量，在一定的时间尺度上，风速的平均值可认为是不变的，是缓慢变化的分量。早期风速模型研究以600s或者更长时间的平均风速为基础，这样的时间尺度已经大大超过了风力发电系统动态过程的时间常数，不适用于风力发电系统的动态仿真分析。所以在动态仿真研究中需要对风速的快速变化分量进行研究和建模。文献5将风速简化为4种典型的风速变化情况，即基本风、阵风、渐变风和随机风，其中基本风表示缓慢变化分量，阵风、斜坡分量和背景噪声是快速变化分量。pscad软件正是使用了这种模型，但它只能模拟非常简审的情形，不能包括整个风频带的所有风速成分，作为风速数值模拟方法不够完善。文献21利用风速功率谱密度进行风速仿真，将风速序列看作是白噪声序列通过整形滤波器后输出，从而建立风速模型，并给出了计算整形滤波器参数的方法。文献5在文献21的基础上，给出了两种用数字方法实现滤波器的过程。按照风速功率谱密度建立的风速模型能描述风能的随机性和间歇性的特点。通过比较和分析众多风速建模方法，不难看出各类风速模拟的目的无非是尽可能全面精确地描述风的随机性和间歇性的特点，使模拟的风速能够完整的反映自然风速特性。现在的风力发电系统研究中，大多数釆用的是平均风速与瑞流分量相叠加的风速模型。在这种风速模型中，风速的变化主要由瑞流分量产生，平均风速-般认为十到几十分钟的时间尺度内保持不变22-2325。考虑一段时间t (比如600s)内的风速序列v,k=l ,2,3,.其平均风速为风速序列的标准差为那么将服从7为均值、a,9风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文方差的高斯分布，且瑞流强度为t,=ctjv(3-1)7；是显示瑞流特性的一个重要指标，瑞流强度一般取0.1?0.4，其含义为较低端流强度取值对应较高的平均风速，瑞流强度取值与地理条件呈相关性。研究风速模型的变化过程，风速序列在时间上如何变化显得非常重要，可用功率谱密度来描述风速的这种时变性质。功率谱密度是将风速的变化当作不同频率成分组合叠力口，各种不同频率成分的幅值也不同，低频分量的幅值一般较大，高频分量的幅值一般较小，vonkarman功率谱密度函数是一种常用的连续谱密度函数：4(71(1/v)s(/) =(3-2)1 + 70.8(/1/io其中，/为频率，为瑞流尺度25。为了能够让arma模型符合式(3-2)所表示的功率谱风速序列，将平稳随机序列的arma模型用以下公式表示：xik) = cc丨 x(jc - /) + ek) + j - j)(3-3),=1 i=i式中，x(a)为模型输出的序列，e(a：)为零均值白噪声，其方差是0；?, a丨、分别是自回归系数和滑动平均系数，m为滑动平均阶数，为自回归阶数。在风力发电系统动态仿真中，arma模型的阶数和所取参考值，一般按经验取值a2=2，m=l可得到满意的结果23。下面介绍用数值方法获得arma模型参数的过程。arma模型满足yule-walker方程：r入i) - a,r,q - i) = 0,1 m + l(3-4)/=1其中/?、(/)为序列x(a)的自相关。将yule-walker方程展jp即为：10i硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现rm + 1) = arm) + a2rm - 1) + . +arim - n + 1)r(m + 2) = arim + 1) + arim) + .+-arim - n - 2)(3-5)r(m + n) ocirjjn + -1) + arim +- 2) + . + arim)如果式(3-5)中的都可以得到，那么代入公式就可以解出arma模型的n个自回归系数。在平稳随机过程中，序列的自相关函数与功率谱密度函数分别在时域和频域上表述了序列内部间的关系，是一对傅立叶变换，如下式及“0=c/(,)广(3-6)式中：7；为采样周期，m/)为功率谱密度函数。由式(3-2)、（3-5)和(3-6)即可解出arma模型的n个自回归系数。令nyk) 二 xk) - a丨xoc - i)(3-7)/=1则:k幻是以p” /?.?凡为参数的m阶滑动平均序列，即有yk) = ek) + pjek-j)(3-8)j=对于序列7(幻，其自相关函数、(0可以用x(幻的自相关函数/?,(/)表示，ryl) = x z a 丨a j 拟 + j -0,/ = 0,1, .,m(3-9)/ = 0 j=)其中同时有ry(n = eyk)yik + l) = alt” =。“，册(3-10)h其中a) 二1, cr为白噪声的方差。联立(3-9)、（3-10)可得到arma模型的m个滑动平均系数广,。代入式(3-3)，即得到短期风速序列。利用以.t过程可求出所有的参数，从而在上述条件下风速的瑞流分量为v, kt) = a,v, k - 0 + ek) + jpeik -./)(3-11)/ = t ./=1ii硕士论文风力发电机组模拟实验平台的设计与实现20 r1111111111卞.：丨一丨丨.：.丨丨.丨10 - y ： ： ：5vii-； -：-i k0 i-；：i：-5：? - 二-_1。一 i一_1 5 iiiiiiiii0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2f/hz图3-3 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。3.2风力机特性3.2.1风能利用系数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(3-13)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 = (3-14)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3-4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,，v2yv/y svv2v1v/v2图3-4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 =(3-15)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/=；（3-16)将式(3-15)代入式(3-16)，得到风力机的获得的动能：=|as(v,+v2)(v,2-v22)(3-17)由风能计算公式，风力机的吸收的动能(3-18)那么汁算风能利用系数cp:cp = - = -il+-iy-(?3)(3-19)e, 2 v| v 丨v,山此t见(： 为么的三次函数，将式(3-19)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)(3-12)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 1tt1118 16 ： ： i j -6 if - p 山:if.：-| ft4 ii ?,i2 i.丄0100200300400500600time s图3-1基于arm a模型的风速序列图3-1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0.16，瑞流尺度300m，采样周期0.1s。i.！40- ?-30 1.20 -i v-10i-200 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2f/hz阁3-2 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 111t “ “v=10m/si2000 ；- -/x ：/ n/v=8m/s n1500 -/- i*-/-e： y iih,/i誦-#v=6m/s-i丨/i5。-4! v=4m/s 1. 10咖丨丨丨 _i_丨邮11.10246810 121416w rad/s图3-8风力机转矩输出特性曲线风力机转矩输出特性如图3-8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。3.3风力机动态特性分析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。3.3.1大转动惯量特性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2-3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。3.2.2风力机静态输出特性分析由空气动力学知识可知，风力机的输出功率为p。=pavcp = pnrwcp(3-25)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3-7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 lo3i1111111/10m/s2丨. / -/5 15k . . -:-/-.8m/s：/ i41 i 卜 / - - 1iz：！/6m/s！/0.5 -y- -1：/4m/sq i| i 丨-i.0246810 12 14 16w rad/s图3-7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 = = pnrvcp 0)(3-26)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3-6所示。图3-6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。0.51111r10.45 ?-0.4 -3=0。-/ /0.35 -/x0.3-/(3=10-/ / q 0.25！ ?-。.2 p=20。 ._0.15/ -01 z n. (3=30。v0,05-0 024681012a图3-6典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：cpx,p) = 0.22(- 一 0.4 - 5)t厂 12 5;(3-23)中m变量与叶尖速比/1和桨距角之问的关系如下：110.035： (3-24)又 1 + 0.08/? p + 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(1-2：3(?2)(3-20)2v, v,令上式等于零，求极值，得& = 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, 3qn,ax = - 0.593(3-21)式(3-21)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0.593，一般在0.2?0.5之间。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c-a曲线如图3-5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 = (3-22)v式中，如为风轮角速度，尺为叶片的半径，v为风速。0.5|,i0.45 -上_cpmax-了0.4 ?j- ?0.35 “/ “ -j. . . -0.3j： jq 0.25/- 02/- - ： vo.isj-丨0 1/v?05xopt024681012入图3-5风能利用系数(：/7与叶?速比/1的关系（定奖距）从图3-5中可以看出，在随着;i的变化呈抛物线状,存在惟一的最佳叶尖速比j.以获得最大的风能利用系数c/7_，即风力机最大输出功率点。通常采丨丨彳的风机最大丨5风力发电机组模拟实验平台的设计与实现硕士论文别非常大，经过10s时间，小转动惯量的风机转速已经稳定，而大转动惯量的风机转速处于持续上升。不同转动惯量的风能利用系数特性如图3-10所示，在相同的条件下，不同转动惯量的转速特性不同导致风机的风能利用系数变化特性差别很大，由此可见采用直接电机驱动的风力机模拟系统与实际风力机的动态特性存在较大差异，不能对风力发电系统做准确模拟研究。大转动惯量和小转动惯量的风机的动态特性不同，其mppt控制算法也截然不同，那么研究风机大转动惯量的mppt控制算法必须在具有大转动惯量特性的风机上开展研究，小转动惯量的风机上做的mppt控制算法不适用于大转动惯量风机。两者转动惯量上的差别需要通过其他方式进行补偿，以达到风力机准确模拟的目的川。3.3.2风剪切效应分析风速是随着高度的增加而增加的，风力机叶片在旋转过程中，叶片的高度发生变化导致所受的风力不同，这就是风剪切效应。风力机在旋转过程中，叶片承受不同的风力，将使风力机输出的转矩和功率产生波动。每个叶片旋转一周将会经历一个最大风速和一个最小风速，所以对于三叶片的风力机来说，其风剪切效应的转矩脉动频率为旋转频率的三倍26-27。一般风剪切的经验公式如下v(z) = vh (士r(3-26)jtl式中：z为距地面的高度，/为风机转毂处高度，为转毂处的风速，a为风剪经验指数。(z)为高度为z处的风速。为了方便分析，将公式(1)转化为桨叶半径和方位角0函数：f f) hfr =v, + w,r,e)(3-27)n式中：是轮毂处风速，r是桨叶半径，是风剪切扰动项，e是风剪切经验指数，/为风机转毂处高度。的是由于风切变添加到轮毂高度的风速午扰。风剪效应对风机的影响可以等效为一个叠加在转毂处风速的扰动量的进行研究。我们将；(,的进行三阶泰勒展幵w, (r, 0) ? a() cos e +(丄)2 cos 6 + 咖-1)(2