（机械工程专业论文）基于panysimu仿真平台的风力发电传动系统的监控与仿真.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a sa n e w 伊e e ne n e r g y ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yh a saw i d e l ya p p l i c a t i o n i nm a n yc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yi no u rc o u n t 叫t h ei n s t a l l e d c a p a c i t yh a sag e o m e t c g r o w t h a t p r e s e n t ， t h er e c o 朗i z e d p r o b l e mb y t h ew o r l di st h e d i 衔c u l t y o f i n t e r c o r u l e c t e ds ”c h r o n o u sg e n e r a t o r ，a n db e s i d e st h i s ，b o t hh o m ea n da b r o a dn e e dt o d om o r ee 肺r to nt op e r f e c tt h ep r o c e s so f m o n i t o ra n ds i m u l a t i o n t h i sp a p e re s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e l so fw i n df a m ， i m p e l l e r ， t r a n s m i s s i o na i l d g e n e r a t o ri n t h ew i n dp o w e rs y s t e mi nt h ep a n y s i m us i m u l a t i o n s o r w a r eb a s e so nr e s e a r c h i n go fw i n dp o w e rs y s t e m o p e r a t i o n a lp r o c e s s m a d ea s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nl o wa n dh i g hw i n ds p e e d ，a n dg e t e dt h ec o r r e s p o n d i n gt o r q u e a n do u t p u tp o w e rf 南mt h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nn l o d e l s a c h i e v e dar e a l i z a t i o no f t r a c k i n gt h eo p t i m a lt i ps p e e dr a d i oi nl o ww i n ds p e e da n dc o n t r 0 1o ff e a t h e ra n d g e n e r a t o rv a r i a b l es p e e di nh i g hw i n ds p e e d ，t h e nd e v e l o p p e dm o n i t o rs y s t e mo f c o m e n l yu s e dm o n i t o r i n gp a r a m e t e r si nw i n dp o w e rs y s t e m ， a c h i e v e dar e a l i z a t i o no f r e a lt i m em i n i t o r i n go fk e yp a r a m e t e r si nw i n dp o w e rs y s t e m a t1 a s ti n v e s t i g a t e dt h e s t a t l pm o d ei nh a r s hw o r l ( c o n d i t i o na n dg i v e daa 0 1 u t i o n t h et h e s i sp r o v i d e sr e f e r e n c e st ol h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fk e yp a r a m e t e r si n w i n dp o w e r s y s t e m ，1 a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w u pw o r ko fw i n dp o w e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s ： w i n d p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ； s i m u l a t i o n s y s t e m ； m o l l i t o r ； p a n y s i l n u 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 发展新能源与可再生能源是人类应对气候变化，实现人与自然和谐发展所采取 的一项长期的战略任务，尤其是在当前全球能源危机的情况下，风能技术是目前可 再生能源技术中相对成熟并具规模化开发利用前景的一种清洁能源，而且，从最近 几年全球风能开发利用的规模以及预期目标来看，风力发电技术将成为未来能源的 重要组成部分已经成为世界的共识【lj 。近几年来，我国的风电场建设持续高速发展， 装机容量连年翻番，据2 0 1 0 中国风电发展报告显示，从2 0 0 7 到2 0 1 0 年，我国 风机新增装机容量分别是3 3 l g w 、6 1 5 g w 、1 3 8 0 g w 和1 8 9 2 g w 。截止去年年 底，我国的总装机容量为2 5 8 0 g w ，仅次于美国的3 5 0 6 g w 。但就最近这两年的情 况来看，相比于往年1 0 0 的增幅，2 0 0 9 年到2 0 1 0 年的增幅为3 8 左右，已有所 下降，而我国今年年底核准的装机容量为2 8 8 3 g w ，相对于2 0 1 0 年，增幅仅为 l1 7 ，这预示着目前我国的风力发电从规划上遇到了一个瓶颈问题，而且事实证 明就目前的“大跃进”式发展和相应的问题及事故来说，我国的风力发展需要一个 “冷静期”【2 j ，但归根结底造成这种问题的根源还是技术问题，我国风力发电事业 发展很快，但技术远不够成熟，多项技术要受制于外国，“制造大国”与“创造大 国”的问题还没解决。目前风力发电最待解决衣i 完善的技术是风力发电的实时控制 与储能问题。 1 2 目前风力发电控制系统现状 风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仪要龄视电网、实时风况和 机组的各项运行参数，实现在各种j f 常或故障的情况下脱网或停机，以保证安全运 行；r 帅寸还要能够依据风速与风向的变化对机组进行相应的最优控制，以保证风力 发电机组的运行效率。 2 0 世纪8 0 年代中期，定桨恒速风力发电机组丌始进入风力发电市场，它主要 解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题。定桨距风力发电机 组采川了软：j i i ：网技术、气动制动技术、偏航技术与自动解缆功能，这些技术所带来 的问题都在需要并网运行的过程中解决。而且由于定桨恒速风力发电机的桨距角为 固定值，同时功率的输出是受桨叶性能限制的，发电机的转速应受并网频率控制的， 华北电力大学硕士学位论文 所以，只要风速在限定范围内，对于定桨恒速风力发电系统的运行过程，其能量的 输出是受风速变化控制的，此种控制方式无疑对控制技术和伺服传动技术要求比较 简单，于是定桨距恒速风力发电系统能够很快地在商业上实现广泛性应用。 2 0 世纪9 0 年代初期，基于高转差异步发电机有限变速的全桨变距风力发电机 组初步进入风力发电市场。采用全桨变速的风力发电机组可以在启动时对叶轮转速 进行控制，并网后可对输出功率进行控制，使得风力发电机组的启动性能和功率输 出特性都有显著的改善。此时，风力发电机组的控制系统已经不再是基本的以制动 为目的的运行机构。为现变桨控制的目的，它相对以前采取了电液比例阀或者电液 伺服阀组成了闭环控制系统，这项技术的应用使得风力发电机组的控制水平及运行 效率提升到了一个新的台阶【引。 因为有限变速的全桨变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效率仍未让 人达到完全满意的效果，到了2 0 世纪9 0 年代中期，基于变距恒频技术的全桨变距 风力发电机组开始进入大家的视野。变桨恒频风力发电机组与定桨恒速风力发电机 组在技术上的区别在于：变速恒频j x l 力发电机组能够允许叶轮转速跟随风速在相当 宽的范围内变化，从而使机组获得最佳功率输出特性。变速恒频风力发电机组的主 要特点：低于额定风速时，它可以最大限度地跟踪最佳功率曲线从而使使发i 包机组 具有较高的风能转换效率；高于额定风速时，它可以通过调整传动系统的柔性使得 能够得到一个稳定的输出功率，尤其是解决了电能闪变与功率因数等问题后，达到 了高效率、高质量地向电网提供电能的目的。风力发电机技术从定桨距恒速运行发 展到变速恒频运行，基本实现了从能够向电网供电到理想地向咆网供电的转变。 1 3 风力发电系统仿真建模综述 作为发电设备，风力发电机组的基本评价标准为一定时1 1 i j 内的史际发l 乜量和平 均无故障时问。因此，在机组的控制设计时，要尽量提高机组的发f 乜能力，同时也 要考虑机组的可靠性和安全要求1 4 j 。 为实现这些功能，风力发电系统的仿真建模可细化分为风速、j x l 力机、传动系 统和发电机这四部分模块组成。 文献【5 就j 义l 速及风功率预测模型进行了归纳整理和比较分析，对符种模型进行 了客观评价，最后指出了未来预测模型的发展趋势。文献 6 捉；了。种将小波分解 法、经验模式分解法及最小二乘支持向量机相结合对风速时问序列进行短别多步预 测建模的方法。该方法采用小波分解法把风速信号进行分解成高频和低频分：鞋；冉 利用最小二乘支持向量机对各分量建立预测模型并叠加。再利用经验模式分解法把 华北电力大学硕士学位论文 上述样本集分解成若干本征模式分量，同时利用最小二乘支持向量机对各本征模式 分量和趋势项建立预测模型并扩大其预测尺度；将各预测模型的预测值叠加可得该 模型的预测结果，最后将两预测结果相加即得到最终预测结果。文献【7 介绍了基于 威布尔分布的平均风速及最大风速估计法、矩估计法、最小二乘估计法和极大似然 估计法等四种风速概率分布参数估计的方法。通过对乌兰察布地区测风塔实际数据 的分析，比较了四种方法的参数估计结果，得到以下结论：在j x l 能资源较丰富地区， 平均j x l 速及最大风速估计法的风速拟合效果波动较大，对平均风能密度估计误差较 大；矩估计法、最小二乘估计法和极大似然估计法拟合效果良好。而文献 8 】对各 塔不同高度风速的对比计算上采用了风廓线法、平均指数法、修正系数法和1 0 m 高 幂率法四种方法，认为第一种方法精度最高和适用性最能满足要求，平均指数法基 本能够满足工程所需，而后两种方法基本不太适用于工程应用。 为了较好的对风力发电系统进行仿真，建立风力发电机组准确的动态模型是有 必要的。目前对风力发电建模的主要方式主要有两种，分别为力矩建模和功率建模。 文献f 9 1 对风力发电机组系统建立了机理模型和数学模型。其中部件建模主要包 括风速模型、风轮模型、传动系统模型和发电机模型，控制系统主要建立变桨距执 行机构模型，并且在机理模型的基础上，在m a t l a b 的s i m u l i n k 中建立了各部分 的数学仿真模型，从而构建起整个风力发电系统的模型，并进行了仿真研究。继而 对仿真结果进行研究和分析。重点对j x l 力发电机组在高风速和低风速时的控制原理 进行了说明，并借由系统控制原理的特点设计了模糊控制器，以便对低风速和高风 速进行实时仿真模糊控制研究。文献 1 0 也比较系统地总结了风力发电各个系统中 风轮、传动部分、发电机、并网部分及控制部分的数学模型。对整个风力发电控制 系统建一矗：了仿真模型，并对双馈风力发f 乜机的解耦控制进行了m a t l a b 实时仿真。 文献 1 1 在风力发电仿真过程r l ，在模拟风轮机方向考虑了风轮机输j _ n 特性的 的力法，绘制了模拟风轮机的控制过程框图，小仅考虑到风速湍流的影j 蝴，还把i 亥 发电机转矩反馈作为负载条件，最终通过实验证实了这种风轮机模型与实际运行的 的相似特性。 文献f 1 2 1 以风轮空气动力特性为算点，建立了风能利用系数模型j 风轮数学模 型。其中风轮模型由风速模拟、功率计算、转矩计算和转速计算i = l _ 【1 个j 上模型组成。 风轮模型的m a t l a b 仿真分别按照空载和负载两种二 况进行分析，得i n 了不同风速卜 的风轮转述、功率、转矩曲线并分析了i x l 速突变情况下n 勺功率输特陀。 文献f 1 3 1 创新地把电力电子变频器应用在风力发电过程t l l ，这项技术确：输 u 压以及发出和无功功率的吸收方面起到了重大作月_ j ，改进了发| 乜效率，稳定了并刚 电压，对无功凋解也起了一定的作用。 华北电力大学硕士学位论文 文献 1 4 在直驱式风力发电方面进行了系统的研究，详细分析了风力发电系统 中的变换器模型，风速变化利用直流电动机的端电压随时问变化引起的电机转速变 化来仿真模拟，在s a b e r 软件中建立仿真模型，给出了风力发电系统中变换器的控 制方式，并在实际应用中证实了该控制系统能够在不同工况下稳定运行，系统输出 电压稳定，谐波含量较小，而且电能质量较高，这说明此套系统模型方向的准确性 以及控制方式的有效性及高效性。 在风力发电系统中，仅仅对运行过程进行的仿真控制是不够的，除去电压、电 流、功率等运行必须监测的参数外，还需要完善整个控制系统，实现对风速、温度 及振动等状态监测的功能。 文献 1 5 】介绍了响水风电场风力发电机组的监控系统，该风力发电机组中央监 控系统能实现对各风力发电机的实时在线监控和管理，可以控制各发电机的启停， 能进行定值修j 下，实现控制操作的画面显示、报表白动生成、事件汜录、故障报警、 故障记忆及分析等功能，而且还具有故障自动恢复的功能。在非f 常通讯的情况下 还会自动记录数据，方便对风场内的所有风力发电机统一进行监测和控制。 文献 1 6 在s i m u l i n l ( 模块中丌发了实时监测系统，实现了实时数掘采集、数据 分析、储存和查询功能，并在d s c 模块中建立了一个优化风力发f ! 仿真系统，使 此系统更为高效、可靠与完备。 文献【1 7 针对风电监控系统中需要监控的内容，研究并介绍了状态监测系统的 组成、状态监测信号分析的有效性、风电机组振动状态监测系统的方案探讨；确定 了状态监测系统的传感器安装位置。并介绍了一定的状态监测系统的硬件组成和选 择、安装等知识，介绍了几款监测系统丌发的软件，为风力发电躲测系统的搭缱和 丌发做了一定的参考。 1 4 本文研究的主要工作 本文将以变速恒频风力发电机组为研究对象，在p a n v s i m u 仿真软件f 分别建 立各子模块的数学模型，然后对运行、仿真和控制策略和监控对象进行全而分析。 本文的主要工作有： 1 ) 风力发电数学模型的建：立： 把风力发电过程分成四个子模块进行数学建模，其巾包括风，风轮，齿轮衍变 速部分和发电机四个模块。然后在p a n y s i m u 仿真软件。i i ，建口各j 二模块的仿真模 型，进而搭建起整个风力发f 乜机系统的数! 学模型。 2 ) 控制策略的设计： 4 华北电力大学硕= l 学位论文 在己完成的风力发电系统数学模型的基础上，确立在低风速和高风速下的控制 策略，建立起仿真控制模型。 3 ) 建立监控界面 建立风电系统常用参数监测界面，然后对恶劣工况下的对风机的启动方式进行 仿真。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章传动系统的模型的建立 对于大型风力发电机组，要进行仿真就必须要建立尽可能精细的数学模型，但 是风力发电系统结构复杂，参数要求较多。由此，模型要求越精确，带来的潜在误 差就会越大，控制过程也会愈加复杂。因此，忽略某些不常见的极端工况和对系统 影响不甚太大的参数可以大大简化模型，减少工作量。本文将适量地建立起一个风 力发电模型，并寻求一个较为优化的控制策略。 本文将以风力发电系统的运行原理为基础，分别建立风速、风机、变速箱和发 电机的数学模型，并根据1 5 m w 风力发电机组的参数，在p a n y s i m u 软件中对模 型进行仿真研究。 2 2p a n y s i m u 仿真实验平台介绍 p a n v s i m u 是华北电力大学开发的一款以c + + b u i l d e r 6 0 为脚本代码语言的仿 真支持系统软件。能满足建模工程师以丌放式、多用户、在线调试、图形化的形式 进行工业过程仿真模型的建立、修改、调试。比如在本文仿真模型时，先把风力发 电系统分解为单一的设备或过程，然后针对各设备分别建立仿真模型并编程入库形 成相应的算法模型库，然后再根据传动系统及电气的结构在仿真支撑系统平台上进 行组念，形成整个机组的仿真模型。在模型组念的过程中，仿真支撑软件对整个二 ： 程的进度起着关键的作用。仿真支撑软件采用最为先进的在线渊试图形建模方式， 由图元管理系统和图形建模系统两部分组成。 2 2 1p a n y s i m u 仿真实验平台的特点 1 ) 多用户：支持多用户同时调试、运行在服务器上的同一模型及不同模型， 从而提高资源的利用效率，提高了模型调试效率，缩短软件丌发周期。 2 1 图形化：模型工程师可根据电厂一流程，直接利用模型库中的电厂设备算法 建立各设备模块之问的连接关系，自动_ 三成仿真模型，提高了建模效率， 便于用户维护。 3 ) 在线调试：模型工程师在组念电模型时可以边组念边修改，随时对模块 6 华北电力大学硕士学位论文 进行增加、删除、修改的操作，修改结果直接反映到模型运算结果上。 4 ) 开放性：由于使用了专用的算法库管理系统，根据仿真系统需要，用户能 够方便地添加工业过程仿真模型，修改设备算法。 5 ) 智能信息传递：根据设定的连接关系信息库，自动实现了模块问综合信息 传递，提高模型丌发效率。 6 ) 设备驱动：当同一类设备在性能上存在差异时，模型工程师可以单独编写 设备驱动脚本对设备的运行结果进行修正使其满足实际生产的要求。脚本 代码的编写支持c + + 或f o r t r a n 。 2 2 2 模块的搭建与算法入库 1 ) p a n y s i m u 仿真支撑系统的子模块程序的编写采用标准格式编制，编辑语言 为c + + b u i l d e r6 o ，本文将采用最大功率点跟踪算法m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ) 【1 8 19 1 ，以齿轮箱为例格式为： e x t e m ”c ”v o i d d e c l s p e c ( d 1 1 e x p o r t ) g e a r b o x ( f l o a ti n ，i n ti n d e x 】，f l o a t o u t ，n o a tc o e ，f l o a td t ) | i f 输入 i n 1 加法器控制信号 i n 2 _ 一加法器数值1 ( 数值1 为寄存器地址时) i n 3 - 一加法器数值2 ( 数值2 为寄存器地址时) 输出 o u t 1 - 加法器输出 | | f7 系数 c o e f l l - 一加法器数值1 c o e f 【2 - 一加法器数值2 | | ) 其中，i n 表示输入，即在算法体- 一如需表j ：第2 个输入数扒，抛0 0 i 川力。为i n 2 就可以了；同理，o u t 表示输出，在算法体r l 一- o u t 1 表示第1 个输 数据；c o e f 表示 华北电力大学硕士学位论文 算法的系数，在算法体中的引用方式为c o e f 【2 ，表示第2 个系数；d t 表示该算法的 帧时，单位为秒，对于积分型算法则为积分步距。算法体是算法子程序的执行体， 是整个设备功能的源代码，在程序结束时以r e t u m 语句结尾，将算法保存成一个扩 展名为c p p 的文件，保存到算法的文件央a l 小s o u r c e 文件夹下。 2 ) 在算法的定义、预处理、入库、连接等工作完成后，需要为仿真系统选择一 个形象直观的矢量图作为图元，一般多使用v i s i o 绘图工具来绘制，下面是m p p t 算法图元，如图所示： 3 ) 算法与支撑系统集成。首先要定义算法的结构、算法号、输入输出量的个数 和类型和系数个数。以m p p t 算法为例。定义算法名为m p p t ，图标采用图2 1 ， 输入输出数量可以比实际系统多定义几个，因为当一个新的系统的算法与此算法功 能不尽相同时，可以为的新输入输出变量的预留足够的位置。在本算法中输入管脚 定义为1 个，系数定义为8 个，输出管脚定义为1 个。如图2 2 为管脚定义界面， 图2 3 为常数定义界面，图2 4 为定义完成界面： o 隆i2 1m p p ti 圣1 7 己 固：曼芝笆罡：! ：! ：参 囝标i 二：。 二 苴注名i h p p t。：二二i ：_ 描选 输 熬量广 单一输出 f 习l 常数数量if 输 管角 f 习辅出昔角 阳lr 习 算法驱动 r c ，c + +rf o r 渺省i ，0 娄型 f 梗拟量，冀字量 二三一型 图2 2m p p t 锋i 去 ：脚定义界面 华北l 【l 力人学硕i j 学位论文 蚓2 3m p p t 算法常数定义界面 般警，。i a j ；薹羹i 叠i 意一i ，。 目，+ 1 b k ，? ? 一， 、。 - a b 1 、 2 i “。甲l 。 一：2 j ， d 。l； j 其一1 - ，劁2 3 tf - 常数定义界嘶t fi | ，i 勺”d e l l s i t y 一指的足，卜7i 密度，缺省值为 1 2 5 锄”3 ，一a 1 e a 一指的足鹚叶的于1 掠嘶移! 为3 8 5 0 ，”j 。 2 31 5 m w 风力发电机组传动系统数学模型的建立 风力发 u 场核心竹儿为币俞的风j 发咆机组。除此之外还仃7 蹩iu 站、luh 等多 干l i i 系统纰成。h2 5 为l 、i + f i 眦lu j 嘲【1 i 婴闩：仆结构i 冬| ，h2 6 为姒i 【上场厅i t q 结 = ；= jh ， h2 7 为帆机丌h ，j 患i 纠。 华北电力大学硕士学位论文 嶝 h 丫5 w ： 景上曲若遍苷控 气j 世罩 雾考值 王： 砖毫 h t 重 直 置稿 屯、j 募_ 芎 妇 剀2 5 单台风电机组主要部件结构图 g 刚一3 5 孔5 i 剽2 6 风l 毡场九。l 叫接线2 1 i f 勾隆l 华北电力大学硕士学位论文 至# l 主变3 5 k v 开关柜 鏊鏊童童遣叁 嫩 喜叁遣毫遣娶 缀揪 鸯露，蓬、露瘁，鸯 终薹p 是器 图2 7 风机并网示意图 风电机组的模型中根据功能不同，主要可分为：风速模型、风力机模型、传动 系统模型、发电机模型、变流器模型。除这些主要模块之外，还有各种辅助模块【1 8 】【2 l 】。 在本沦文中丰要研究6 ，j 4 个模型。 2 3 1 风速数学模型的建立 j x l 力发r ! 系统的动力源为风，这就说明了风速将肖接决定了风f _ _ ! l 机组的所有动 念响应和功率输出等特性。在本文的仿真系统c - ，为了较精确描述风能的随机性和 间歇性的特点，仿真系统中用四种成分来模拟风速条件【1 9 】 2 2 】【2 3 】：基本风矿、阵风 以l ，g 、渐变肛l 以1 w 不随秽【j x l 所 ，f 、，。 把以上四个摹本元素叠加即得风的基本仿真数学模型： = y + k m + 巧，月+ “j 、( 2 1 ) 1 ) 基本风y 。般收风 邑场长期测j 昔所得的威自j 尔( w e i b u l l ) 分析j 参数的近似值： 矿= 彳r ( 1 + 去) ( 2 _ 2 ) 式中y 为基本风速( 舶) ；彳为w e i b u l l 分布的尺度参数；k 为w e i b u l l 分却的形状参 数；厂( ) 为伽玛函数。 2 ) 阵风。通常在基本风速上叠加一个阵风风量，以表现风的突变性： jof 互g ，g = 墨g f z g + ll uu 纠竽，卜啦万c 扣纠 p 4 ， 式中、乃g 、m a x g 分别为阵风风速( 舶) 、基本周期( s ) 、启动时间( s ) 和阵 风的极限值。 3 ) 渐变风y 粕。对风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟： f of 石凡 k 腿= 圪z 尺f z 。 ( 2 5 ) 【m a x 尺 互r f 互霄+ 瓦 k 一删 1 _ 急 ( 2 - 6 ) 其中所除m a 斌、乃补乃补分别为渐变风风速( ，柝) 、最大值( 聊厶) 、渐变风起始 时问( s ) 、终_ l i 二时问( s ) 、和保持时问( s ) 。 4 ) 随机风州。在基本风上叠加一随机j x l 量可以反映风速的随机扰动性： 巧 _ | v = 尺盯m ( 一1 ，1 ) c o s ( q ，f + 够) ( 2 7 ) 其中y w 为随机j x l 量的最大值，尺口m 卜j ，砂为一l 到1 之问均匀分御的随机数，。为 风速波动的平均问距，一般取0 5 肿2 7 rm 挑，妒、，为0 2 丌之问呈均匀分布的随机变 量【2 ( ) 】。 把以l ：四个元素叠加可得风速的仿真模犁，如图2 8 所示： 华北 u 力人学硕l ：学位论文 罔2 8 风迷仿真模7 弘刁意图 q ：u 帅 r0 ( 】0 f ：0o o 0 包o l ”e 矿1 1 、j ， e n lt e = ( c 1 1 h c n 2 3 2 风机数学模型的建立 玎：整! 兰!1 既扭j j 】 纠2 9j 杖述仿f ! 建f 螅 “k ! l 蓼1 1 i 风机足祭个能；l ；转换t ，r i 卜。f 门域t r 婴问州：，j i 要怍川怂截获风的z 力能， 0 一。一一 d 一 j 一一 r i 1 0鬻譬一 华北电力大学硕士学位论文 并将叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为机械能，所以它不仅决定了整 个风力发电系统装置有效功率的输出，而且直接影响机组的安全稳定运行。 在该仿真系统中只考虑基于风能转化系数c 口的模型，用查表的方法【2 l 】得到功 率曲线，风速按轮毂位置的风速计算，风力机吸收的功率由风能转化系数g 可得： p i ，= o 0 v 圭胪n 3 q ( ”) v g p ev p v k 。 ( 2 8 ) 式中：凡，为风力机功率；p 为空气密度( 缺省为1 2 5 堙锄3 ) ；r 为风轮半径；v 是风 速；印为风能转化系数；为切入风速，川切出风速，吻为额定风速；易风力机 额定功率；五为叶尖速比；口为桨叶节距角。 风力机的输出扭矩为： d f 。= 垃( 2 9 ) 式中，兀订为风力机的输出扭矩；为风力机角速度。 叶尖速比： a ：塑 ( 2 一lo ) 九= i 么一ii ji 对于一台确定的风力机组，桨距角不同，最佳功率系数g 咖、与最佳叶尖速 比五叫是一一对应的，兆瓦级的风力发电机组的。五曲线【2 2 】如图2 1 0 示： 得b 罄 一 峨皑 转速 图2 一lo 最佳g _ 曲线图 山上图可知对于任一角，总有一个对应的最佳的风能转化系数q 啪。的最佳 4 华北i 【l 力人学硕? i ：学位论文 叶尖速比五。，这时风力机的能量转换效率最高。 风力机数学模型分别如图2 11 和2 1 2 所示： v 一 缈 盯 。1 1 一 一! 一 图2 一l l 风力机数学模型结构示意幽 2 3 3 传动系统数学模型的建立 f i z 力系统1 ：婴低速轴、- ：。玎迷轴、变速牢f i i 部分构成。低速轴川米f 冬递从风轮 轮敛剑f 轮衔的驱z 力车，鲥! ；，；、0 述轴则负贞连接变速衔1 发l u 机；变迷箱的作川足把 4 0 述从m 轮侧提“剑九：、0 迷车f i | 侧，以便i j 发i u 机十| f 适j 、v 酬。 迎常f z 力系统部分的的仍r c 缱懊1 i 婴芬虑眄种t m l ! i ：址鬈i 基f z 巩轴的柔r l ：； ：址似改轴址川f ，j 。j i 矬模i i 的和婴水1 i 川，所缱、“i ，j 数。、产f 炎j 弘也仃所簟片。 小丈九胍f j 发lu f 譬! 力系统仍r r 饮j 眇孑j f ! j 顾剑低速轴f ，f ，j 架r l ：1j 叭已特性，m 把r i i j 述 轴设j t 为刚+ 轴例。l 冬j2 一l3 为传动链j ：意图： 华北电力大学硕士学位论文 j 岛 蓼 风力机低速轴 齿轮箱高速轴发电机 图2 一1 3 传动链示意图 2 3 4 传动系统结构 齿轮箱由两级行星和一级平行轴传动以及辅助装置组成。为了传动平稳和提高 承载能力，齿轮采用斜齿并精密修形，外齿轮材料为渗碳合金钢，内齿轮为合会钢， 一级行星架采用高合金铸钢材料，二级行星架和箱体采用高强度抗低温球墨铸铁。 主轴内置于增速机，与第一级行星架过盈连接。齿轮箱通过弹性减震装置安装在主 机架上。齿轮箱的轴向空心孔用于安装控制回路电缆。具体结构见图2 1 4 ： 齿轮箱参数： 1 ) 功率、公称转速和扭矩 l 到2 1 41 5 m w 风机齿轮箱结构图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 一l 齿轮箱的功率、公称转速和扭矩 2 、) 极限载荷 表2 2 齿轮箱的极限载荷 最人壬“矩 2 5 5k n m 最人径向力 最人抓矩持续时间 最人士h 矩发生频率 7 7 3k n 1 3 秒 3 次年 变速箱传动系统示意图【2 9 】如图2 1 5 所示： l 一一j j 级l i 动“齿轮：2 一中问级从动直齿轮：3 一高速级主动直齿轮；4 一高迷级从动直齿轮； n ，一低迷端输入转矩：瓦。一高迷端输入转矩：p 一行星轮：广行吊架；，一内齿圈：广太刚轮 蚓2 一1 5 齿轮箱传动系统示意图 风力发i u 机组的传动系统通常呵以看成是由有限个惯性冗件、弹性兀件及阻尼 r 亡件组成的系统。因此在建j 矗：风力发 机组系统的机理模型中，通常采用弹簧阻尼 7 华北电力大学硕士学位论文 质量系统力学模型，而此力学模型的基本动力学方程为【3 0 】： ，) “) + c ) “) + k ) “) = r ) ( 2 11 ) 式中， k ) 为整体刚度矩阵； 螂为整体质量矩阵； c ) 为整体阻尼矩阵； 尺) 为外 载荷列阵；伽) 、伽) 、缸) 分别为节点的位移、速度、加速度列阵。 2 3 5 质量块模型的建立 1 ) 三质量块模型【3 1 】 【3 6 1 把传动系统分为叶轮质量块、齿轮箱质量块和发电机质 量块，如图2 1 6 三质量块模型： 图2 1 6 二质量块模型 i 。= ，。型号导+ p 。，国。+ 蜓。( 9 。，一q ) d f g 。一等州。帆帆 、) 石_ 鲁州。”k j ( 岛吨r ) 瓦吐警+ 鲁+ ( 幺一哝j 缈。= 等 ：生 哪d t ：塑 出 d e 、 触= i 2 d t ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，厶 、乃、乃分别为叶轮、发电机、进齿轮箱和出齿轮箱的转动惯量； r ，、疋m 乃、乃分别为叶轮、发电机、进齿轮箱和出齿轮箱的转矩；d 脯为叶轮 与齿轮之间的阻尼系数；d 聊为齿轮与发电机转子之间的阻尼系数；k 卅、如册 分别为叶轮和低速轴的刚度系数；。 卵 ，、2 分别为叶轮、发电机、进齿 轮箱和出齿轮箱的角速度；臼w ，、艮m 臼，、分别为叶轮、发电机、进齿轮箱和出 齿轮箱的角度。 2 ) 二质量块模型 三质量块模型可以通过等效简化变换得到一个新的等效系统，进而代替等效系 统刚度和阻尼系数简化为二质量块模型。由于相对于风轮和发电机的转动惯量相 讲，齿轮箱部分的转动惯量小到可以忽略，于是二质量块模型可被认为是风轮通过 齿轮箱影响电机，其等效系统如下图2 1 7 二质量块等效模型所示： 等效传动链 图2 1 7 二质鼙块等效模刑 n ，= 几，等+ ( 。一j ) + 虬，一) 。= 孥+ 雕( 刊。) + e 以，。，) 。，= 警 妒孥 o 2 3 2 2 2 2 - - 一 一 2 2 2 2 去2 圭+ 去 陋2 4 ， k s e 墨坠k 。p n 、j k g 。? 等效转动惯量为： 帅2 去一w ( 2 _ 2 5 ) 以上各式中，r ，w j ，w ，w 扩和9 ，与三质量块模型中定义相同，加特殊标识 仅为区别两模型中的定义。k 娩为等效刚度系数；陋口r 为齿轮硬度系数。 3 ) 单质量块模型 单质量块模型就是把上述模型简化到一个质量块模型中，原理就是认为低速 轴、齿轮箱内部的传动轴、高速轴是刚性的，叶轮转子和发电机转子只有一个旋转 自由度，传动比在任何时候都为固定值。在传动系统的扭转刚度很大的情况时，这 种假设的误差很小。气动转矩与发电机反转矩之间的差额造成了发电机和叶轮的加 速度。其优点是公式数量少，能大大简化计算量，其动念方程为： t 。一。曲孥 。 ( 2 - 2 6 ) t 。= ，。曲_ 笋+ f 。 ( 2 2 6 ) 厶2 以。+ 冬 ( 2 - 2 7 ) f ”2 杀 但。2 8 ) 式中， 以“为等效转动惯量；丁们为等效转矩。 图2 18 与图2 1 9 分别为传刮j 系统榄犁示意图和实际仿鞠：图： 图2 一1 8 传动系统示意i 到 2 0 e x c i t o l e x c i t 0 2 e x c l t 0 3 e x c l l 0 4 e x c i t 0 5 矧2 一1 9 传动系统仿爽模掣 如果需；要建：蜓为洋细的模，i ! ，蚶i l j 化发i 巳机转z 力。睽嫩| j 替加 矗速轴联轴器和 削z 力【列 髓f n 转z 玑h j h i ，n 牟仑转刹j4 睽il ：，爵力i i 低速牟f | i f 向转z 力。彬! i 矗。 2 4 发电机数学模型的建立 发电机类型为舣馈芹步发电机，住此l 仿真饭j 眇l i ，；芷r 绕组采川发f u 机惯例， j 芷j ，lu 流以流为i h 转了绕i ! l 【亦采川 b 动机惯例，转j ，iu 流以流入为i l i 。为了缱 、? ? “：f 殳j ：分忻| 、u j 题，f 段定f u i 卜l - j ： 1 ) f i 考f 譬：，孙i n 婿波l u j 题，假设：1 1 l 绕纰均匀对称| i 都为i ! 形连接，磁动坍沿7e 隙 - h 起i 弦分佃： 2 ) 忽略发| u 过袱t f ，j ：温嫂的厂 t ；、巧刈磁势的拗忆 3 ) 转j i 绕组均折弹到定f f ! j 1 4 ，| i 确j 绕针i 数4 i i 等； 4 ) 忽略磁饱和问题，似i 父符绕纰的必和j ：感为定值； 5 ) f i 汁入饮芯损# 。 仡硼i 静i f ： 陋标系卜建矗的双馈片步发f 也机的数学模型的特l i 址i i j 线。r f i 、时变 j 髟州灶铂合。陀，分析羁l 求解比较i 术l 难，此为了简化分析，t j 。以迎过一卜 ，j ：变换的乃 法： 暂州1 ：一卜 ，j ：系【l i 的久：遗变换剑心4 1 i | f l j 步旋转d q p 标系卜 ，亿7 蹩换时采耿j 力 ；红4 i7 楚或忆1 i “ 1 i 变的原则。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 双馈异步发电机原理 双馈异步发电机是指将定子和转子的三相绕组分别接入两个独立的三相对称 电源，定子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进 行控制的交流电源，即采用交直一交或交一交变频器给转子绕组供电的结构，如 图2 2 0 双馈异步发电机系统原理图所示【3 8 】。 其中，在任何情况下转子外加电压的频率必须与转子感应电动势的频率保持同 步，转子外加电压的幅值和相位的改变可以控制发电机的转速及定子功率因数。 图2 2 0 双馈异步发电机系统原理图 当双馈发电机定子侧接通到频率为力的电网上，产生的定子电流会形成一个转 速为甩，的旋转磁场，这两者的关系满足： 一：盟 ( 2 2 9 ) p 式中，z ，为定子旋转磁场的旋转速度，力为电网频率，p 为发i u 机的极对数。 又当在发电机的三相对称绕组中通入三棚埘称交流i u 时，l 1 机。隙内会产：牛 所通入的交流电频率尼及电机的极对数p 有关的旋转磁场。此时，两者的关系满足： 门：盟 ( 2 3 0 ) 门，= 卫( 2 3 u ) p 式中，刀i 为通入电流后定子旋转磁场的旋转速度，尼为通入交流电的频率。 i 一【i 于电机中的定转子旋转磁场必须满足保持相对静i 向：状态i 能产乍 急定 的电流，因此电机的转速还必须满足如下条件： 门l = 厅，”! ( 2 3 1 ) 式中，蜥为发电机本身的旋转速度。 由以上各式可得： 华北电力大学坝士学位论文 z = 等+ 五 ( 2 - 3 2 ) 因此，若假设九，为对应于电网频率5 0 h z ( 即办= 5 0 h z ) 时异步发电机的同步转速， 而要维持以广玎，+ 胛2 为常数，则定子绕组的感应电势的频率始终维持在力不变，就需 要将尼调整为： 肛毪 ( 2 - 3 3 ) 由此可见，在异步电机转子的转速时刻变化的情况下，若要在异步电机的定子 绕组中产生5 0 h z 的恒频电势，只需在转子绕组中通入滑差频率为厂2 的电流。 2 4 2 双馈风力发电机的功率传递 双馈风力发电机的功率传递关系如下： ( 1 ) 亚同步发电区( 转差率s 满足：o 脉1 ) ：在此状念下转子转速m 聆，同步转速， 由滑差频率为五的电流产生的旋转磁场转速n 2 与转子的转速方向相同，因此n + 玎2 = n ，。此时的电磁功率只。 0 ，由电机定子绕组馈入电网；转差功率只 胛，同步转速，改变通入转f 绕组的频率为尼的电流相序，则其所产生的旋转磁场转速疗? 的转向与转子的转向十f l 反，凶此有门一胛? 一门，。为了实现月2 反向，在山卧d 步运行转向超同步运i 寸，转r 三相绕组必须能自动改变其向序：反之，也是一样。此时的i 乜磁功率只。 0 ，山转子绕组经变频器将其馈入电网，电机。史 际发电功率为( 1 + 阁) 只彬如图2 2 2 超同步状态： 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 2 发电机超同步状态 ( 3 ) 同步运行区( p 0 ) ：此种状态下，z = 订，滑差频率五= o ，这表明此时通入转子绕 组的电流的频率为o ，也即是直流电流，因此与普通同步发电机样。此时，s = o ， 只朋= 厶刚机械能全部转化为电能并通过定子绕组馈入电网，转子绕组仅提供电机 励磁。 2 4 3 发电机的数学模型 ( 1 ) 电压方程： 选取下标s 表示定子侧参数，下标厂表示转子侧参数。定子各相绕组的电阻均 取值为以，转子各相绕组的电阻均取值为一。 定、转子绕组电压方程分别为： “拈( = 一f 1 8 ( + d 拍( ( 2 3 4 ) m 心c = 1 i t 西c + d vc l i 。c 式中，蝴、“孙“c 、z 幻、分别为定子和转子相电i 的瞬时值； “、咕、b 如、f 6 、t 分别为定子和转子相电流的瞬时值； 蛳、| ；f ，c 、忱、阢分别为各项绕组的全磁链； 吩、一分别为定子和转予的绕组电阻； ， d 为微分算子。 d f ( 2 ) 磁链方程 ( 2 3 5 ) 华北电力大学硕二卜学位论文 其中： 蹦= 二矧斟 l s 5 = 。b ( = 【少。少占 l n = l ，= e7 。= l 。s 。k = 【虬虬】7 f 。8 c = 【f 。i 占t 】7 k + 厶一圭k - 扛zz 圭kk + 厶一扛 一吉- ，。一吉l 。l 。，+ 厶 。+ 厶， 一圭。一圭厶。 一圭。厶。+ 厶，一圭厶。 一吉，一吉厶。，厶，+ 厶， c o s 伊 。s ( 9