文献翻译-固定风力发电机和风力集成园建模系统暂态稳定性的研究

附录 A 固定风力发电机和风力集成 园建模系统暂态稳定性的 研究 绪论 抽象程度越来越高的风力 发电 涡轮机 ，在现代电力系统 中 需要 一项 准确的风力发电系统暂态稳定模式 . 因为许多风力发电机往往集合在一起， 其中 等价建模几个风力发电机尤为关键 . 本文 介绍的 降阶动态固定风力发电机模型适合暂态稳定模拟 . 该模型是使用一个模型还原技术 所构建 的高阶有限元模型 . 然后 ， 用等价方式 表明如何将 几个风力发电机的风力 合并成一个 单降阶模型 . 用 模拟个案来说明一些独特性能的动力系统 ， 含风力发电机 . 所以说， 本文着重于 介绍 水平轴风力涡轮机 用异步电机直接连到电网作为 系统的 发电机 . 用参 数计算暂态稳定模拟 系统 ， 计算 风力发电机组 的 建模 ， 计算 风力涡轮机造型 . 正文 一 大家对 风能 的 发展 展现出了浓厚 的兴趣 . 伴随着 使用风力发电机的热潮，现在需要对电 力动态 系统 ， 电力传输规划 的设计评估 . 本文 的第一个目的是 提出一个准确的低阶动态模型的风力发电机组 ，它 是 符合现代机电暂态模拟 计算机 程式 的 . 本文中， 开发的模式着重于水平轴 的风力发电机 ， 或 风力机直接连到同步网 时 采用异步发电机 . 这 其中还 包含许多现代大型 发电 系统 . 由于大型风力装置 的构建 是由许多个 风力发电机 组成的 ， 风力发电场的 建模是一个迫切 的 需 求 . 因此 ， 本文的 第二个目 的 是提供一种方法 ，它 结合数个风力发电机连接到 一个 电网 上，然后 通过一个共同 模式整合 成一个单一的等效模型 . 风力发电机主要分为定速或变速 . 以最 小 单位 ， 涡轮驱动的感应发电机 为例 ， 它 是直接连接到电网 上的 . 涡轮转速变化很小 ， 那是 由于陡坡的发电机转矩 和 转速 的 特性 所制 ； 因此 ， 它被称为 定 速系统 . 还 有变速装置 ， 发电机连接到电网利用电力电子变换 的 技术 使 涡轮速度受到控制 ， 以最大限度地表现 出来 (例如 ，电力 的控制 ) . 这两种方法 在风力工业均非常 普遍 . 在 本文 中， 我们将目光集中在建模 定速 装置和等效模 拟 几个固定转速 风 力发电集成园 . 第一 种 典型的风力 机械频率 是在 0至 10赫兹范围 ； 这也是各种机电振荡 的频率 . 因此 ，这涉及到 机械振动的风力互动 学 与机电动力学 . 这方面的例子 参见 本文 . 因此 ，为了 构建 一个精确的模型 ， 风力发电机可用于暂态稳定 的 研究 . 第 一种 涡轮机械动力学必须 能 准确 的 代表 模型 . 这里的 风力发电机模型 建 出了导电模型 ， 减少了一个详细的 650 阶有限元模型的一个典型 的 横向轴 . 气动 力 和机械动力的减少 与 非线性四阶双涡轮惯性模型相结合 生成了 一个标准发 电机模型 . 模拟计算表明了模型的精确性 通过一个单一的 模型 建模 ， 因为每个涡轮暂态稳定 系统都 过于繁琐 ， 我们的目 的 是整 和 风 力发电园成为 相当于风力发电机模型 的极小系统 . 我们对等价建模 的 风园涉及 到 把所有涡轮以同样的机械固有频率 整和 成单一当量的涡轮机 . 模拟结果表明 ， 这种方法能够提供准确的结果 . 二 . 范例 关于 风力发电机 建模的代表范例是关于 暂态稳定 系统的，它包括在 2 - 10 . 模拟结果 表明， 固定频 率的 风力发电机组主要集中在以下两个主要方法 . 第一种方式是 把 汽轮机和发电 机转子作为一个单一的惯性 体 从而忽 略 系统的机械固有频率 2 - 5 . 第二种方式是把 涡轮叶片和枢纽之一 的 惯性 体 接上发 电机 加上 一个 弹簧 6 9 . 在所有这些论文 中 ，弹簧刚度的计算是从系统的 主要部分中提取的 . 我们的研究显示 ， 较第一型机械频率 来说第二型才 是至关重要的一个精确的模型 . 有限元分析表明 ，第一 类 动力 的变化 主要是因为灵活的涡轮叶片不 够精确 . 根据 建模方法 的算法 ， 我们得知的主要 事实是 ， 小 而 灵活的机械部件是涡轮 上的 刀片 . 结果 7集中 表明了 几个风力发电机系统 和 降阶风园模型 的类型和与类型相结合的方法 . 但是 ， 作者不 能 解决水轮机 和风力发电机相结合时 采用这种方法保存的机械 要求 . 我们的研究结果表明 :这关键在于有一个准确的风示范园 . 10详细讨论了降阶 变速涡轮机载 的建模 . 作者 称涡轮 的 机械能 所 代表 的类型是 一个单一的 个体 ， 从动态的机电动力学分析，那是 因为 机械的 惯性 使它的 变速 性能产生堵 塞 . 我们分析时 不考虑变速情况 .2 - 10的工作阐述 着重于低阶水轮机模型 ， 从而 可以容易地实现大型暂态稳定代码 的测量 额 一个更 深入 的层次 . 17是 一个很好的概况和文献 . 从高度 详细的有限元模型 角度， 详细 的阐述了 建模方法 ， 还 较简单的 叙述了 六 转 五 转 ，三 转 水轮机模型 的大部分都 采用动量理论 来 计算气动力 . 三 一个降阶模型 为出发 点 ， 把所有机械和气动涡 轮机 动态效果以高度 详细 的用 机电射程 的形式表示出来 . 在这个还原过程中 ，是 以 消费者的角度 来分析 涡轮轴驱动发电机 的 . 目的是为了准确反映轴转速和扭矩特性与最小模型 的 秩序和复杂性 . 数值调查表明 ， 机械 气动和机械效应 的 一个例子 所展现的 测试系统实现了有限元建模环境 . 该系统是一种新兴的横向风轴机床 ， 包括三个 片 ，叶片的 一套点俯仰角度 为 一个 主轴 ， 它们的 额定功率 为 在 15米 /秒的风 速条件下 . 汽轮机是透过一个简单的异步发电机模型直接连接到 60赫兹 的机械 . 它还 利用 来自机械动力学 公司 ) ， 加上毫微克 (即由国家可再生能源实验室 )软件 进行模拟 . 这两个 软件 一起被称为亚当斯 . 所有 参数测试系统的 模型 研制 出 一个现实的大型机器 . 整个系统包含 325 个自由度 ，包括非常详细地模拟动力和外部 作用 力 . 由于机械设计中的大多数水平轴风力涡轮机极为相似 ， 结果 使 该方法的适用面广 . 研究者 在 用 亚当斯 /分数制进行了研究以后 ， 还 广泛接触了以一个制动脉冲 对 该系统的瞬态响应 的研究方法 达 相短路 ， 发电机轴 对电路的混乱 反应进行了分析 . 1 . 从 图 1 ， 系统 的反应是一个阻尼振荡 的过程 . 详细的 拟 态分析表明 ， 系统的振荡是由于外层部分 的 叶片振动对两者的内在部位的叶片 的作用 1)亚当斯仿真结果 . 现代风力涡轮叶片非常大 ， 有弹性 ， 而且往往颤动 . 1表明 ， 它主要包含 4 量 它 通常有第一型机械自然 频率在 0 至 10 赫兹范围内 . 因为这个范围也是典型的机电振荡 频率范围 ， 这 还 是 风力涡轮机 的关键频率范围 倾向 于研究 机电振荡 的频率 . 模态的第一振荡模式 会产生一系列的 主导反应 . 从图 1 起见 ， 该模型 的描图 可以代表两 标准 单弹簧阻尼系统 ， 这是基础的降阶模型 和 一 个 的外部分的叶片 2 ) . 叶片尖端硬性 连 接 描图 . 2 )刀环 叶片 的细片 (忽略质量 )作为一个单一的惯性 体 ， 其 所有的瞬态干扰 行为通过发电机轴 的 所有刀片 的 代表 如 集聚效应的叶根 ， 轮毂 ， 涡轴 ， 齿轮 ， 轴发电机 ， 发电机的惯性 都很大 内部惯性主导地位 取决于 叶根和发电机的惯性 量 究者都 推 断 整个涡轮机和发电机成为一个 单一的惰性 体从而 忽 略 第一机械 型 动态 系统的作用 第一动态模式 ， 但不 认同 模式叶片弹性 模式 这些作者都假设叶片是一个惯性 体而把 模型涡轮轴作为一个 弹簧体 . 但是 ， 在一个典型的系统 中 ， 轴上的 刀片 相比其他元件来说 灵活得多 . 我们的研究表明 ， 第一机械模式 的叶片可以 与竖 轴 作为一个刚体 . 我们的研究还表明 ， 正确建模 是研究 力学 的 关键 ， 以获取准确的瞬态仿真结果 . 四 两个基本部分组成 : 降阶双涡轮惯性模型 和 驱使风力 的力 矩 文 中 ， 我们假设发电机是一个标准的异步电机直接连接 起来 的网 络 ， 这 也 是最常见的配置 方法 . ( 1 )叶片数目 :有效传动比 =实际涡轮转速 /额定涡轮转速 ； 电气频率基 数 ； 每个叶尖惰性体 :每个叶片根部 惰性 +惯性 +惯性涡轮轴传动 力 /惯性 力 +发电机轴 转子 的惯性力 ； 叶片刚度 ， 叶片阻尼 ， 气动风力矩 叶尖角度通过齿轮传动反映 出 发电机轴 向 角 个角 需要有 叶片断裂的 惯性力和 弹簧减振器 的相关参数 (见 图 2)置在 不破裂的正确位置 ， 然后 得到的 机械模态形状 就会 正确 了 . 研究 的突破 点主要 在 一个 刀片力学 性能上 ， 可以从有限元分析或试验的叶片 得到相应的数据 ， 这个关键的数据 似乎发生在第二个节点弯曲的叶片 上 究 实例个案 上 ， 降阶系统的灵敏度放置不当的突破点是很大的 . 所幸的是 ， 最 先进 的叶片或制成品设施 (如 在国家可再生能源实验室 的设施 )有所需的资料 用 以确定叶片 的 断裂点 一信息 请求 便 可轻易计算出典型制造的数据 以计算出 知识系统的第一型机械固有频率 的 使用 刚度 . （ 2） 哪里第一模 型 机械 研究技术 领先 ， 其机械的 固有频率与系统连接到 一起的几率就大 . 例如 ， 在上一节系统 的系统情况 就是这样 制成品可以提供这样的频率 范围 用制动脉冲对水轮机 进行计算 和分析 并假定为零 ， 衡量叶片的刚度是 用弹簧刚度来计算的 片的边缘 刚度 在 ( 3 )中 ， 计算刚度 是依靠俯仰 的 角度 的 . 这也仅限于从 零度至 10度 的 典型 情况 . （ 3） 根据这一限制表明 ， 差异很小 的 不同 位 置需要 设置 不同的 点 根据 实验的 支持 ，这是水轮机模型 很小敏感性变异系统的 准确的 俯仰角 . 假设一个理想的转盘 来进行风力矩 的 计算 . （ 4） 在叶尖部分反映 出的实际 速度 ， 加上 空气密度 的影响 ， 通过 清扫面积的叶片 的磨合 ，计算出了 机组的功率系数 . 不幸的是 ， 这不是一个常数 . 然而 ，大多数涡轮制成品 的特性反映出 同一条曲线 . 曲线表示 ， 作为功能机组的叶尖速比 . 叶尖速比 的 定义是自由风速度比涡轮叶片的冰山速度 . ( 5 )叶片扫描半径单元叶尖速比 . 3显示了 一个典型的风力涡轮机 曲线 . 我们的研究已表明 ，可以假设固定 情况下 极高的风力条件 下进行 暂态稳定研究 . 这是因为典型的变异叶尖速比下一个 10秒的瞬态 叶尖比 小 的 改变 模拟时间 ， 实际上 ， 涡轮轴 的 扭矩 实际上是一个调制 版 . 调制是众所周知的 ， 而且主要是 考虑 由于大楼遮蔽和力学失衡 的作用 ，在专业人员和 模式 上才能出现 典型的调制频率 (注 : 1人 ，是一 种模式 ， 每一个涡轮叶片 )虑在内 ， 我们假定扭矩引起的暂时性故障比调制扭矩 的 多 . 许多其他研究者已进行了 这个假设 在一般情况下 ， 双涡轮惯性模型在 这里是一个相对稳健的模式 ， 涵盖 了 许多汽轮机运行条件 . 所有模型参数相对恒定 ，缺 少敏感性的俯仰角度 . 因为主要组成部分能量 是 短暂的 ， 那是 由于汽轮机的惯性能量 的影响 ， 而且 失速型风力涡轮机可准确 模拟 这种方式 . 乙发电机模型中的标准做法是行之有效的建模发生器 1细 的 两轴感应机模型是用来代表异步发电机 1的 6A )可知， 凡是暂态开路的 时间常数 ， 滑移速度 ， 都 是同步 的 电抗 ， 还是 暂态电抗 在 ， 并在 D 轴和 Q 轴 的 每单位定子电流 中 . 转矩的计算是从 ( 6B )及定子电流的计算 中得到的，是 通过 ( 6C )款的发电机模型参数 ( 6 )计算出 (第 562 ) ( 106 ) ( 7C )的相关参数 . 风园造型 中的 风园分为几个风力发电机连接到传输系统 中整和为 一个单一 的系统 模 ， 因为每个涡轮暂态稳定 ， 可过于繁琐 风园成为一套最起码的等效模型 把所有涡轮以同样的机械固有频率成一个单一相当于涡轮机 的系统 . 每个这些 等效的 涡轮然后连接到 异步发电机 上 我们的做法是 : 因为轮机都离不开一个共同的 系统 ，每个涡轮 也受到了同样的干扰力矩 . 因此 ，涡轮机的性能相似 于 震荡阶段 模态分析风力公园系统支持这个假说 。 15例如 ，考虑 要予以合并 的 涡轮相同的自然频率机械 .， 那么等于涡轮建模方程 ( 1 ) ( 7 )式中 ， 弹簧 和阻尼条件汽轮机分别 是惯性体 风力矩是 利用 ( 4 ) ，并迫使水轮机具有相同输出功率为涡轮 的 总和， 是机组的功率系数为涡轮机 . 乙相当于发电机模型用 异步发电机参数 的 纳加权平均法 16来进行计算 相当于机床参数和计算 ， 以加权平均纳每一科的异步电机等效 ： 六 建模方法 的性质 ； 这些规定 见 于 12 ， 14 ， 15 . 例如甲 1 这个例子中 ， 我们比较 两个惯性降阶汽轮机 的 响应 限元模型 5 惯性模式 的每种模式 ， 然后 连接 到 通 过一个感应发电机 1. 5 惯性模式再现 了每个叶片边缘和瓣弹簧减震器 ； 在 代表 低速轴弹簧刚度 特性中 和气动模型采用涡 轮力 理论13. 5惯性模式也包含了离心 力 ， 重力 和 科里奥利效应 11， 12 . 如 第三节叙述 的 水轮机性能 连接到 60赫兹 . 附录 中提供了 水轮机和异步发电机模型参数的降阶模型 纺真 ， 其中包括非常详细的气动和机械模型 ： 两个惯性降阶模型 整和成 一个 6阶模型 ， 而有限元模型大约有 650阶 ，而 五年惯性模式是 18秩序 两个惯性降阶模型密切配合的高度详细的有限元及五惯性模式 我们展示灵敏度的 双气轮机 模式 而 选择的叶片断裂点 相同的模型 中 50%的突破点位叶片弹簧为中心的叶片半径 上 3%断点和 56%的 突破点 . 百分比显示的位置 ，从 沿叶片半径枢纽叶片弹簧 放置的位置中， 反应 的分歧 也相当大 ， 值得仔细挑选的 是 叶片断裂点 . 例如 在丙 3 这个例子中 ， 我们比较瞬态双涡轮惯性模型 更 能 简化 成一个 结果 . 4 应用 举例 研究者往往用惯性模型 (例如 ， 2 - 5 )来研究标准 的水轮机模型 7 . 例如测试系统 图 风园 所在地 的图 9千伏的平行线由风力发电机相连 到 230千伏输电 的 系统 . 该风力发电机是 使用 相同的 例子 如 1 ， 在 风速 12米 /秒 的情况下进行的测试 每个同步发电机配备了调速器和励磁系统 随着励磁和调速 用于同步发电机 的 模型 试 . 电力系统的 工具箱作了修改以允许模拟风力发电机 的情况 组 显示出的两个 混乱的 组成 造型 . 在 系统 15日之后开放路线 的 循环故障 . 研究者 分析的双涡轮惯性反应表明两种模式的振荡 :一块 赫兹模式 ，是 机械方式的汽轮机和 汽轮机 . 类似的分析中的一个惯性反应表明只有一个模式 ， 在 240赫兹 范围内 由于失误 ， 单一惯性系统图在第一摇摆 区间出现了 振荡反应 不同的 瞬态 系统 和小信号稳定性能的系 统 . 一个惯性反应表明 ，一个 稳定的系统 ， 以较低的首摆动偏差和高振荡阻尼 这样的形式运动会更稳定 他的例子 14证明的情况下 ， 单一的惯性反应 ， 发生在 稳定和更精确的双惯性反应 之间时 是不稳定的 这个例子表明了 等效 风园 的 等效建模方法 两个惯性与一 个 惯性涡轮响应 . 实际运 动 的系统 ， 以 从 17 日至 16日为例子 接 到一个系统里后， 17日 就通过一项简短的输电线路 整和成一个系统 . 所有风力发电机是相同的双惯性系统 模两例 进行 比较 ， 首宗案件是一个具体的模型 ， 每个风力发电机 在该 风 园 都 是仿制 的个体 ； 这实际上 形 成了 126阶模式的 风 园 头 前 7个风力发电机驱动 下 ， 风速 14米 /秒 ，并 通过一条长 1公里 的 配电线路 接 到系统 17路 . 第 二 组 七 个 所带动的风速为 11 米 /秒 ，并 通过 2公里 的配电线路 接 连到系统 17日 例子 ， 风 园是仿制 单一相当于风力发电机的使用方法 中的 第五节 ( 6阶模型 )显示 出了 风园 实际运行能力 中可以看出 ， 等效模型非常准确地代表了详细的一个 风力发电系统 是正确的做法 . 结论 研究者 已提交 了 降阶动态风力发电机模型适合 于 暂态稳定 性的方 案 数得出的结论 用于暂态稳定 的 电气方程 效 办法还表明如何在几个风力发电机 的情况下整和成 风 园 ， 还 可以组合成单一模式 的风园 . 模拟案例 的 提交证明 这 是正确的做法 于 调制力矩 的建模方法 . 文献 1 P. 1994. 2 J. 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