（电机与电器专业论文）基于dsp的风力机特性动态模拟平台的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i th a sb e e nac o m m o nk n o w l e d g eo fe v e r yg o v e r n m e n ti nt h ew o r l dt of a s td e v e l o pt h eu t i l i z a t i o no f t h er e n e w a b l ee n e r g y , i n c l u d i n gw i n dp o w e r , s o l v et h ep r o b l e mb e t w e e nt h eg l o b a lr e s o u r c e sa n d s u r r o u d n d i n g , b e c a u s eo ft h eg r o w i n gd i f f i c u l t i e si nt h ee x h a u s t i o no ff o s s i lr e s o u r c e sa n ds u r r o u n d i n g p r o b l e m ss u c ha sp o l l u t i o na n dg l o b a lw a r m i n g a m o n ga l lt h er e n e w a b l ee n e r g yw h i c hm a yb eu t i l i z e db y m a n k i n d w i n de n e r g yi so n eo f t h em o s tw i d e l ys p r e a d e da n dd e v e l o p e di nu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g y 晰t ht h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n , t h et e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns h i f t e df r o mt h e t r a d i t i o n a lo n s h o r ew i n df a r m st ot h eo f f s h o r ew i n df a r m s ，f r o mh i 曲w i n dp o w e rd e n s i t ya r e at ol o wo r m e d i u mw i n dp o w e rd e n s i t ya r e a t h e n , w h e t h e rt h er e s e a r c hk e e p su pw i t ht h e s ev a r i a t i o n so ft h em a r k e t r e q u i r e m e n t sa n dt e c h n o l o g y , d e t e r m i n a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i n de n e r g yi n d u s t r yc o m p e t i n gw i t h o t h e re n e r g yi n d u s t r i e s n o w a d a y s ，t h ec a p a c i t yo fs i n g l ew i n dt u r b i n ei sm o r et h a n5 m w i t sn o tr e a l i s t i c o rc o s t l yt ob u i l ds u c har e a lw i n dt u r b i n ei nl a b o r a t o r yf o rt h ei m e n t i o no fr e s e a r c h a l t e m a t i v e l y , t ob u i l d w i n dt u r b i n es i m u l a t o ri nl a b o r a t o r yi sag o o di d e aw h i c hi sl o wc o s ta n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h e r e s e a r c ho f t h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a ls t a t i cw i n dt u r b i n es i m u l a t o r , ad y n a m i cw i l l dt u r b i n e s i m u l a t o ri sp r o p o s e di nt h i st h e s i sa n dt h es i m u l a t o rp l a t f o r mi sb u i l ti nt h el a b o r a t o r yw h i c hc a nt r a c kt h e d y n a m i ct o r q h eo f t h ew i n dt u r b i n e t h ek e yp o i n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , a ne q u i v a l e n tw i n ds p e e dm o d e li sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo nt h em o d e l i n g m e t h o do ft h es t o c h a s t i cw i n ds p e e d t h ee q u i v a l e n tw i n ds p e e dm o d e l i n c l u d e sp a r ks c a l em o d e la n dr o t o r w i n dm o d e l i ti ss h o w nt h a tt h ee q u i v a l e n tw i n ds p e e dm o d e l i sm o r ec l o s et ot h ep r a c t i c a lw i n dc o n d i t i o n b yc o m p a r i n gi tw i t ht h et r a d i t i o n a lw e i b u l lw i n ds p e e dm o d e la n dt h ec o m b i n a t i o n a lw i n ds p e e dm o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nd cm o t o r sa n dw i n dt u r b i n e s ，ad y n a m i c w i n dt u r b i n es i m u l a t o ri sg i v e n t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti nm 棚，a b s i m u l i n kt 0 0 1 i ti sp r o v e dt h a t t h es i m u l a t o rh a st h es i m i l a rs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st ot h er e a lw i n dt u r b i n e s t h ed y n a m i cw i n dt u r b i n es i m u l a t o rp l a t f o r mi sd e s i g n e da n db u i l tb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t i t i n c l u d e ss u p e r v i s i o nc o m p u t e ra n ds i m u l a t o rs y s t e m 1 1 1 es u p e r v i s i o nc o m p u t e ri su s e da s t h es u p e r v i s o ro f t h es i m u l a t o rp l a t f o r ma n dt h es o f t w a r ei sw r i a e nb yl a b v i e w t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s u p e r v i s i o nc o m p u t e ra n dd s pi sr e a l i z e db ys e r i a lp o r t t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n d t u r b i n es i m u l a t o ra n dr e s p o n s eo ft h em a x i m u mp o w e rp o i mt r a c k i n gc o n t r o l ，a r es t u d i e di nt h e e x p e r i m e n t s 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h er e a lw i n dt u r b i n ec a nb er e p l a c e db yt h ew i n dt u r b i n e s i m u l a t o ri nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o f t h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o n k e y w o r d ：a e r o d y n a m i ct o r q u e ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；w i n dt u r b i n es i m u l a t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：物燮 日期： 2 竺2 ：! 兰：! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：埴导师签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 风力发电的国内外发展现状 风能取之不尽、用之不竭。风能作为一种清洁可再生能源，受到了世界各国的高度重视。自1 9 9 0 年以来，风力发电技术得到了飞速发展，全球风力发电累计装机容量平均每年增长超过2 0 。风力 发电作为最具有商业化发展前景的新兴产业，已经成为解决世界能源问题不可或缺的重要力量。 1 1 1 国外风力发电的现状 自1 9 世纪末丹麦建成全球第一个风力发电装置以来，国际上大型风电技术日趋成熟，发电成本 持续下降，产业不断成长壮大。在技术上，国际风电界长期致力于提高风电机组系统安全性和可靠 性，提高发电效率，开发更大型风电机组和超大型近海专门风电机组，采用新型机组结构和控制方 式及材料，改善风电场选址和设计技术，以不断降低风力发电成本和扩大可经济利用风能资源量。 在全球的风能发展中，风力发电机组的研究与制造以欧洲国家最具代表性，如德国、西班牙、丹麦 和荷兰等国家，其中丹麦生产和销售量居世界首位，而技术和规模发展速度则属德国最快。 根据全球风能理事会( g w e c ) 公布的数字【l 】，2 0 0 7 年全球风电新增装机容量超过2 0 ，0 0 0 m w ，同 比2 0 0 6 年增长2 7 ，截止2 0 0 7 年底，全球风电总装机容量达到9 4 ，11 2 m w 。欧洲是全球风电装机 容量最多的国家，达到5 7 g w 。北美和亚洲风电发展速度也比较快。据报道，美国2 0 0 7 年新增风电 装机容量5 2 4 4 m w ，是2 0 0 6 年的2 倍还要多，占到美国新增新能源装机容量的3 0 ，其总装机容量 达到1 6 。8 1 8 m w 。印度是全球第四大风电市场，2 0 0 7 年新增风电装机容量1 7 3 0 m w 。中国2 0 0 7 年新 增风电装机容量3 4 4 9 m w 。 目前全球排名前十位国家的风电装机容量如表1 1 所示。 表1 12 0 0 7 年全球排名前十位国家的风电装机容量 末南大学硕士掌位论文 1 1 2 国内风力发电的现状 我国幅员辽阉，海岸线长，风能资源比较丰富。据有关研究成果估计，我国风能仅次于俄罗斯 和美国，居世界第三位，根据全国9 0 0 多个气象站陆地上离地l o m 高度资料进行估算，全国平均风 功率密度为l o o w m 2 ，风能资源总储量约3 2 2 6 亿k w ，可开发和利用的陆地上风能储量有2 5 3 亿 k w ，近海可开发和利用的风能储量有7 5 亿k w ，若计约l o 亿k w 。我国风能资源丰富的地区主要 分布在东南沿海及附近岛晦咀及“三北”( 东北、华北、西北) 地区。另外，内陆也有个别风能丰富 点，海上风能瓷源也非常丰富。 我国在2 0 世纪7 0 年代就开始研制大型并阿型风力发电机组，但直到9 0 年代在国家“乘风计划” 的支持下，风力发电才真正从科研走向市场。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。图1 - 1 为近l o 年来中国风电装机容量增长情况，2 0 0 6 年，中国风电累计装机容量已经达到2 6 0 万千瓦， 过去1 0 年的年平均增长速度达到4 6 ，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。 2 0 0 7 年我国风电产业规模延续暴发式增长志势，截至2 0 0 7 年底全国累计装机约6 0 0 万千瓦。2 0 0 8 年8 月，中国风电装机总量已经达到7 0 0 万千瓦，占中国发电总装机容量的1 ，位居世界第五，这 也意味着中国已进入可再生能源大国行列。 2 0 9 8 年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。到2 0 0 8 年底，风电规模就可能达到 1 0 0 0 万千瓦，到2 0 1 0 年累计装机容量可遮2 0 0 0 万千瓦。 中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来报长一段时间都将保持高速发展， 同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2 0 0 9 年该行业的利润总额将保持高速增长，经过 2 0 0 9 年的高速增长，预计2 0 1 0 、2 0 1 1 年增速会稍有同落，但增长速度也将达到6 0 以上。 一m m w新增m wf 坩k 半 1 9 9 5 螂1 9 0 7 9 1 92 0 0 02 3 0 12 0 陀2 0 0 3 矗0 42 。2 0 0 6 柚d 7 图1 1 中国风电装机容量增长情况【2 】 一一一一一一 椭 矾 帏 _lm i 譬拶l一ee 翌 ”一 一 一 瑚 跚 狮 脚 懈 鼬 。 第1 章绪论 1 2 风力发电技术发展现状与趋势 1 2 1 风力机的功率调节技术 风力机的功率调节方式有如下三种【3 】： 1 定桨距失速调节 定桨失速是风电机组最简单的功率控制方式，定桨距是指风轮桨叶与轮毂刚性连接。由空气动 力学理论可知，当风速增大到一定值时，风轮桨叶受力发生变化，阻力增加、升力减小，造成叶片 失速，从而限制功率的增加。该调节方式无需功率反馈系统和变桨距执行机构，整机结构简单、成 本低，鲁棒性较强；同时，失速条件随风速增加由桨叶根部逐渐形成，和快速调桨动作相比，能够 减轻对系统的功率冲击。然而，定桨失速调节会影响低风速下的风能利用率，不能起到辅助机组起 动的作用，且随着机组功率等级提高，叶片增长，其失速动态特性不易控制，因此定桨失速调节方 式很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组中。 2 变桨距调节 变桨距型风力发电机能使桨距角随风速而变化。风速低于额定值时，桨距角维持最优值以保证 最大风能捕获；风速高于额定值后，桨距角增大，叶片向迎风面积减小的方向调节，从而限制功率 的增长。和定桨失速调节方式相比，变桨调节的功率控制性能提高，并能在机组起动时对转速进行 控制，使风力机起动性能和功率输出特性都得到显著改善；紧急情况下，还能使机组迅速切出，顺 桨停机。 3 主动失速调节 采取主动失速调节的风力机开机时将桨叶节距推进到可获最大功率位置，当风力发电机组超过 额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。主动失速调节既能利用失速 特性对功率进行平滑限制，又保留了变桨距调节在最大功率跟踪、辅助机组起动和紧急情况停机上 的优势。 1 2 2 风力发电机的调节方式 发电机及其控制系统是风力发电系统的核心部分之一，它负责将机械能转换为电能，风力发电 机及其控制系统的运行状况和控制技术，决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电 机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，简称 c s c f ) 风力发电技术和变速恒频( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n e y ，简称v s c f ) 风力发电技术【4 】。 1 恒速恒频风力发电技术 恒速恒频发电系统在国外一般被称为丹麦概念风电机组。恒速运行的风轮机转速不变，因此叶 尖速比不可能经常保持在最佳值，风能利用系数值往往与最大值相差很大，使风轮机常常运行于低 效状态。 恒速恒频风力发电系统有着如下主要特点： ( 1 ) 系统结构简单，适合在缺少维护的环境下工作： ( 2 ) 由于转速不变，无法进行最大功率点跟踪控制，发电的效率降低； ( 3 ) 当风速快速升高时，由于转速不变，风能将通过桨叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件， 3 东南大学硕士学位论文 产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏，所以要求坚固； ( 4 ) 这种风电机组在正常运行时无法对电压进行控制，不能像同步发电机一样提供电压支撑能 力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳定； ( 5 ) 发出的电能也随风速波动而敏感波动，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出电能质 量问题，如电压闪变、无功变化等。在工程中通常采用静止无功补偿器s v c 或t s c 来进行无功调 节，采用软起动来减小起动时发电机的电流。 变速恒频风力发电技术 变速恒频风力发电系统使整个系统在很大的转速范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发 电发展的一个趋势。若能根据风速的变化适时控制风轮机的转速使叶尖速比保持在最佳值，则可使 风轮机的风能利用系数保持在最大值附近，进而提高风轮机的输出功率。与恒速恒频风力发电系统 相比，变速恒频风力发电系统具有如下特点： ( 1 ) 较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化，保持最佳的叶尖速 比，进行最大功率跟踪。 ( 2 ) 采用一定的控制策略可以灵活的调节系统的有功和无功功率，对于电网而言可起到功率因 数补偿的作用。 ( 3 ) 变速恒频风力发电系统中，因风速跃升所产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮所吸收， 以动能的形式存储于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力，当风 速下降时，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转换为电能，送入电网，机组运行 更加安全平稳，从而降低机组疲劳损坏的程度。 ( 4 ) 从制造工艺的角度考虑，恒速恒频发电系统采用失速调节方式，叶片本身结构比较复杂， 成型工艺难度较大，使得风机单机容量发展到一定程度时很难再有所突破。变速恒频发电系统更有 利于提高风力机单机容量。 ( 5 ) 变速运行可以降低风力机在低速运行时的噪音，而且可以采用较大的叶尖速比，可将叶片 做的更薄，从而降低制造成本。 1 2 3 风力发电发展的趋势 随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界各国风力发电发展迅速，表现出了广阔的应用前 景。未来数年世界范围内风力发展的趋势可表现为： 首先，风电机组单机容量持续增大。安装大容量机组能够降低风电场运行维护成本，降低整个 风力发电成本，从而提高风电的市场竞争力。同时，随着现代风电技术的日趋成熟，风力发电机组 技术朝着提高单机容量，减轻单位千瓦重量，提高转换效率的方向发展。例如，在上世纪9 0 年代， 6 0 0 k w 风机占据风机市场的主流。到2 0 0 1 年，新装机的风电场，基本上以m w 级以上的风机为主。 2 0 0 0 年新装单机容量平均为8 0 0 k w ，2 0 0 2 年平均单机容量达到1 4 0 0 k w ，2 0 0 4 年增大到1 7 1 5 k w 。 在2 0 0 5 年，m w 级以上单机装机容量约占当年整个装机容量的7 5 ，其中包括2 m w 级和3 m w 级 的机组。2 0 0 4 年9 月，在德国安装了当时为世界上最大单机容量的风电机组，这就是由德国r e p o w e r 公司生产的5 m w 风电机组。其叶轮直径1 2 4 m ，安装在高度为1 2 0 m 的塔架上，额定风速为1 3 m s 。 预计到2 0 1 0 年，还将开发出1 0 m w 的风电机组。 其次，变桨距功率可调节型机组发展迅速。由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全、 高效等优点，近年来在风电机组特别是大型风电机组上得到了广泛应用。大多数风电机组开发制造 厂商，包括传统失速型风电机组制造厂商，都开发制造了变桨距风电机组。在德国2 0 0 4 年上半年所 安装的风电机组中，就有9 1 2 的风电机组采用的是变桨距调节方式。2 m w 以上的风电机组大多采 用三个独立的电控调桨机构，通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。 4 第1 章绪论 第三，变速恒频技术得到快速推广。随着风电技术以及电力电子技术的进步，大多风电机组开 发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用，开发出了变桨变速风电机组，并在 市场上快速推广和应用。2 0 0 4 年和2 0 0 5 年，全球所安装的风电机组中，有9 2 的风电机组采用了 变速恒频技术，而且这个比例还在逐渐提高。 第四，无齿轮箱风电机组的市场份额迅速扩大。无齿轮箱的直驱方式能有效减少由于齿轮箱问 题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，可大大减少维护成本，受到了市场的 推崇。德国2 0 0 4 年上半年安装的风电机组中，采用无齿轮箱系统的机组占了4 0 9 。 第五，全功率变流技术兴起。近年来，欧洲e n e r c o n 、w i n w i n d 等公司都发展和应用了全 功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围可从0 到1 5 0 的额定转速，提高了风能的利用范 围，改善了向电网供电的电能质量。e n e r c o n 公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制 加以集中。由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术 成为今后大型风电场建设的一种新模式。 1 3 风力机特性模拟系统综述 风力机特性模拟系统在风力发电技术研究中有着特殊的作用。在实验室中研究风力发电，由于 不具备风场环境，一般不直接使用昂贵的风力机，而是采用风力机特性模拟器来代替真实的风力机 进行有关实验研究。风力机特性模拟系统主要由两部分组成，一是随机风速的生成，二是风力机特 性的模拟。 1 3 1 随机风速生成 根据不同的拟合方法，风速模型通常可采用w e i b u l l 分布、瑞利( r a y l e i g h ) 分布、f ( g a m m a ) 分布、 皮尔逊( p e a r s o n ) i i 型分布、对数正态分布和耿贝尔( o u m b e i ) 或称极限i 型分布等进行描述。目前在 风能研究领域中应用最多的风速模型则是威布尔数学模型。威布尔( w e i b u l l ) 分布最初由瑞典物理 学家w w e i b u l l 提出，用于研究原件寿命与疲劳程度。许多领域已经逐渐引进w e i b u l l 分布作为探讨 各种变量分布的有力工具。而在1 9 6 2 年p l a i t 提出威布尔分布参数的估计方法后，人们将威布尔分 布引用于拟合风速【s - s 。组合风速模型是基于威布尔风速模型基础上提出的，它还考虑到了实际中阵 风和渐变风的影响，现在国内外很多文献中短期风速的模拟一般都采用组合风速模型旧儿删。为了能 更加真实地模拟自然界的随机风速，本课题则在r i s o 实验室的风速模型基础上提出了等效风速模型 概念，与组合风速模型相比，等效风速模型能更有效的模拟短期内的自然风速，并且等效风速模型 能考虑实际作用在风力机上风的等效效果。 1 3 2 风力机特性的模拟 风力机最初采用纯软件模拟方法，上世纪9 0 年代美国s a n d i a 国家实验室用纯软件的方法从风 力机的空气动力负载、控制系统、结构分析等方面进行仿真。随着电力电子技术和微机控制技术的 发展，风力机模拟从纯软件模拟发展到硬件模拟，并且采用各种调速电动机来模拟风力机特性。 1 模拟风力机的原动机 目前常用的原动机主要有有刷直流电动机和异步电动机。 有刷直流电动机是最成熟的调速电机，其励磁和电枢反应磁场物理上相互垂直，励磁和转矩参 数自然实现解耦，因此控制简单，调速性能较好。在励磁电流一定的情况下，只要调节电枢电流就 5 东南大学硕士学位论文 可以精确地调节电机的转速和转矩，只要电枢绕组电感较大，就能保证平稳的转速和转矩，可以在 大范围内平滑调速。直流电动机的主要缺点在于结构复杂、功率密度低，所使用的电刷、换向器等 需要定期维护或更换。但在实验室条件下使用直流电动机作为风力机输出的原动机，基本不需要长 期的连续工作，对可靠性等方面的要求较低，因此在实验室研究中，有刷直流电动机可以很好地满 足风力机特性模拟的需要。 异步电动机结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，因此异步电动机是一种经济的调速电 动机。异步电动机的缺点是调速性能不佳，传统的调压调速等方法不能灵活地控制电磁转矩，而且 效率比较低。当采用v c ( v e c t o r c o n t r o l ，矢量控制) 时，控制算法复杂且受转子参数变化的影响。 当采用d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，直接转矩控制) 时，其调速范围不宽且转矩存在脉动。但由于 价格因素，在仿大功率风力机时，一般都采用异步电动机来进行模拟。 2 风力机的模拟方法 风力机特性模拟按模拟方法可分为静态模拟和动态模拟。 静态模拟仅考虑风力机稳态运行过程的相关特性，没有研究风力机的动态变化过渡过程。风力 机静态模拟的基本思想是：在模拟风场作用下，根据风力机的特性，控制原动机使其稳态时输出转 矩( 功率) 和转速的关系与实际风力机的转矩( 功率) 和转速的关系一致。但这种模拟算法并不能真实反 应风力机的真实动态响应情况。目前，国内外文献中主要采用静态模拟的方法来模拟风力机。还有 一种静态模拟是通过在原动机上加上一个大惯性飞轮，从而使得原动机与所模拟的风力机的转动惯 量相等，该模拟方法虽然可以真实地跟踪实际风力机，但是由于增加了一个飞轮，使得整个装置运 行使用极不方便。 而动态模拟则考虑了风力机的转动惯量等因素。风力机动态模拟的基本思想是：在模拟风场作 用下，通过控制原动机使其加速度和转速的关系与实际风力机的加速度和转速的关系相一致，从而 达到模拟风力机的目的。动态模拟算法与静态模拟算法相比不需要添加新的装置，稳态效果与静态 模拟方法相近，并且可以真实地模拟风力机的动态变化过程。文献【5 4 】中提出了一种基于感应电动机 的风力机特性动态模拟方法，但是，文献中未考虑增速齿轮箱的影响，也未能提供随机风速作用下 的输出转矩特性以及考虑到发电机最大功率跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 工作方式 下的动态仿真效果。 1 4 选题意义及主要研究内容 1 4 1 选题意义 由上所述，风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，可以有效的解决能源危机和环境污染这 两大长期困扰人类的世界性难题。在并网风力发电系统中，最理想的实验方法是将风力机直接与发 电机相连来做实验研究。然而在大功率系统研究中，由于风力机设备造价昂贵，还需要对风电场进 行选址，大型电气设备的运输及安装均不便，并且在对不同容量系统进行实验时，需要更换风力机 系统，这给研究带来了很大困难。本课题首先在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了包含随机风速发生和 发电机m p p t 控制在内的仿真模型，然后在实验室条件下建立了一种风力机特性动态模拟器，该模 拟器不仅可以模拟不同容量的风力机，而且还可以模拟不同变比的增速齿轮箱。因此简化了风力发 电系统实验过程，并且减少了实验费用。 6 第1 章绪论 1 4 2 主要研究内容 本文先从风速建模出发，提出了一种新的风力机特性模拟方法一动态模拟方法，然后在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立风机模拟器的仿真模型并检验该动态模拟器的实际运行效果，最后采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器为核心建立硬件实验平台。 论文结构如下： 第一章为绪论，综述了目前国内外风能利用的现状以及风力发电技术的发展现状与趋势。在第 一章最后，介绍了文章的基本架构。 第二章为随机风速建模，本章先比较分析了几种常用的风速模型：威布尔风速模型以及组合风 速模型，并提出了一种新的风速模型：等效风速模型。将威布尔风速模型、组合风速模型与等效风 速模型基于功率谱密度进行了比较分析，以说明采用等效风速模型进行建模分析的优势与合理性。 第三章为风力机的特性及模拟方法，本章从理论上分析了风力机的气动特性，讨论了风力机的 运行与控制方式，并说明了最大风能跟踪的基本原理。比较了风力机特性的动态模拟方法以及传统 模拟方法，最后通过仿真来验证动态模拟方法的可行性。 第四章为风力机特性动态模拟平台的整体设计，该模拟平台由上位机和模拟系统组成。本章详 细地介绍了模拟系统的软硬件设计并且采用l a b v i e w 软件编译了上位机系统监控显示平台。 第五章为实验结果与分析，在这一章里，给出了实验结果，并就实验结果和理论结合分析，验 证实验结果与理论的符合性。 第六章对全文总结，指出本课题需要进一步研究的方向和有待继续研究的具体内容。 7 东南大学硕士学位论文 第2 章随机风速建模 随机风速的建模对风电场和电力系统的运行分析具有重要意义，尤其是在分析风电场并网运行 的电能质量以及他们并网运行方式对电网影响的场合。在风力机模拟平台中，通过软件建模得到随 机风速数据，然后上位机向d s p 控制器发送风速数据，该数据作为风机模拟器的输入，从而使模拟 器可以真实地反映风力机的运行情况。本章建立了一种新的风速模型一等效风速模型，通过与几种 传统的风速模型进行比较，来说明该风速模型对于风力发电实验系统的适用性。 2 1 常用风速模型 风速作为一种随机现象，必然存在总体分布。虽然无法从成因上和理论上证明它服从于何种分 布，但根据大量资料通过统计推断，并采用某种理论分布与实际的经验分布拟合的方法，是可以近 似地分析它的分布形式的。其必要条件是拥有足够多的气象资料，由此可以判断一个地区风速的分 布规律。我国幅员辽阔，气候地理因素错综复杂。各地区风速统计特征的差异性十分悬殊，能综合 反映各地区风速特点的一个最重要的形式是风速分布模型。国内外对风速分布，曾有过不少的研究 和探索，可用一定的统计模型来进行拟合。在这里，主要讨论威布尔风速模型以及组合风速模型。 2 1 1 威布尔风速模型f 5 】【6 】【7 】 w 萌b u n 分布被普遍认为是一种形式简单且与实际风速分布能较好地拟合的概率模型，是目前风 能计算中普遍采用的一种分布模型。 威布尔( w e i b u l l ) 分布函数的概率密度为： = 苎( 与e x p f ) 。】 ( 七 o ，v o ，c 1 ) ( 2 1 ) c cc 式中c 是标度参数，单位是m s ；七是形状参数；v 是风速，单位是m s 。 如果知道了风速平均值y 与风速方差仃，则可以使用如下方程式来计算威布尔分布参数c 和缸 式礼丢参= j 1 善n ( 知) ； 式中y = 吉警；c r 2 2j 善( 吩叫) ； 七：( 呈) 1 脚6 ( 1 七1 0 )( 2 2 ) y 弘可 r ( 1 + ) ( 2 3 ) 对于( 2 3 ) 中的g a m m a 函数r ( 口) ，若根据其定义r ( 口) = i y o - l e - y 砂来求，就会显得很复杂。 0 故采用如下的经验公式来计算： w + 扣( 0 5 6 8 + 半，昙 8 ( 2 4 ) 第2 章随机风速建模 由风速的分布密度函数可以求得其累积分布函数为： f ( v f ) = p ( v - 0 ) l - e x p - ( v i c ) 】( 2 5 ) 随机风速的具体算法如下嘲： 设x 为随机变量，概率分布为f ( ) ，由于f ( ) 是非减函数且值域为【0 ，1 】，其逆函数为f - 1 ( ) ，且 在【o ，l 】上有定义。设u 是【o ，l 】上均匀分布的随机变量，则有： 只 f 一1 ( u ) y = 尸r 【，f ) = f l y )( 2 6 ) 那么，变量z = f - 1 的概率分布函数必为，( ) 。因此，要产生服从w e i b u l l 分布的f ( ) 的随机 数，就只要产生【0 ，l 】上均匀分布的随机数u ，然后通过公式f - 1 ( u ) 即可求得。 2 1 2 组合风速数学模型 组合风速模型可以分解为以下4 种分量：基本风速、阵风、渐变风速和噪声风速旧1 。 1 基本风速 它在风力机正常运行过程中一直存在，基本上反映了风电场平均风速的变化。风力发电机向系 统输送的额定功率的大小也主要由基本风来决定，可由风电场测风所得的w e i b u l l 分布参数近似确 定，即： 1 = r x f ( 1 + 习 ( 2 7 ) 厅 一般认为基本风速不随时间变化，因而可以取常数。 = ( 皿为一常数)( 2 8 ) 2 阵风 为描述风速突然变化的特性，可用阵风来模拟，在该时间段内风速具有余弦特性，在电力系统 动态稳定分析中，特别是在分析风力发电系统对电网电压波动的影响时，通常用它来考核在较大风 速变化情况下的动态特性( 电压波动特性) 。 = t 死g 瓦g t 巧g + 其中，6 k 为阵风峰值；t 6 为阵风周期；t l g 为阵风开始时间；t 为时间。 3 渐变风速 = 0 勉t x r 一急】 o 9 q砭 r k 臻 铂 f 五 ， 东南大学硕士学位论文 对风速的渐变变化特性用渐变风来模拟。其中，刎肠为渐变风最大值；为风速渐变开始的时 间；易为风速渐变结束的时间。 4 噪声风速 为描述在指定相对高度上风速变化的随机特性，可用随机噪声风速来模拟。 = 2 【& ( q ) 国】c o s ( 国，+ 破) 讹卜蒜1 。 _ 7 r l + i ll 鳓= ( f 一0 5 ) a ：o 其中：劬是第j 个分量的角频率；a 国为随机分量的离散间距；旃为在0 2 7 t 之间服从均匀概率密度分 布的随机变量；氲为平面扩张系数；助紊乱尺度因子；i l 为在参考高度的平均风速；锄夕为第价 随机分量的振幅。 综合上述四种风速，可得组合风速数学模型为： = 6 + + ，+ ( 2 1 2 ) 其中阵风是快速变化分量的主要部分。 2 2 等效风速模型 本课题所采用的风速模型是等效风速模型，该模型是基于飚s a 实验室的风速模型建立的，它不 仅可以真实反应风场中的风速情况，而且还考虑到风作用在风力机上的等效效果，因而将这种风速 模型称为等效风速模型。这种新的风速模型是基于风紊流的功率谱分布描述建立的，风速模型的结 构如图2 1 所荆1 1 1 。其分为两步建模： 图2 1 风模型的结构 1 0 第2 章随机风速建模 第一步是风场风建模，风场风模型包括每台风力机在风轮中心高度的风速v h u b 。风场风模型的 建立是基于风速独立于风电场操作的假设之上的，风场风模型不考虑风场中的尾流效应的影响，但 是这种影响可以通过调整平均风速和湍流的大小来加以考虑。 第二步是风轮风建模，风轮风模型产生等效风速，该等效风速作为风力机的气动模型的输入。 风轮风模型考虑到旋转采样、风轮旋转时风速湍流在风轮桨叶平面空间的变化以及风力机塔影效应 【1 2 】。由于风剪对功率波动的影响较小，所以该模型并没有考虑风剪效应。旋转采样是风力机连续运 行时产生快速功率波动的重要因素，并且是风速产生三次谐波的主要原卧1 3 j 。 2 2 1 风场风模型 风场风模型可以通过外部的独立程序来产生一个包含风速序列的文件，把该文件作为m a r l a b 程 序输入风速文件即可。风场风模拟软件主要考虑风场一致性，这一点对分析风电场的整体功率和电 能质量有很大的影响。假设没有风力机存在，所模拟的风轮轮毂风速即为风场风在轮毂高度的风速， 由于本课题的主要目的是进行风力机的控制，同时为了保持风场风速文件的兼容性，风场风模型的 生成软件采用了美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 开发的t u r b s i m 软伴1 4 1 ，该程序生成的风速 文件可以同时作为风力机气动特性模拟软件的输入文件。如用该软件生成的风速用于风场中不同位 置的风力机，需要采用一定的延时，但该方法会丧失一定的湍流强度。 t u r b s i m 使用了改进的s a n d i a 方法来产生基于时间序列的风谱模型，有多种不同的谱模型可供 选择，如符合i e c 标准的k a i m a l 谱，v o nk a r m a n 谱，r i s os m o o t h 模型等，这里选择了已被r i s o 实 验室所使用的s m o o t h 谱模型。 t u r b s i m 提供用户选择输入的不同的期望平均风速( 有效时间内的总平均值) 和湍流强度，改 变参数就可以考虑到不同地形的影响和风电场的尾流效应。 2 2 2 风轮风模型 风轮风模型描述了旋转采样和风力机叶片本身的旋转相互作用产生的影响，该风模型包括了湍 流和塔影的效应。 图为三叶片风力机，风场为v ( t , r , o ，总的转矩渺为各个作用在单个桨叶上转矩尬的总和： 3 ( f ) = m b ( t ) ( 2 1 3 ) 单个桨叶上转矩g o ( t ) 的值为： 廊 m b ( t ) = 肘( ) + ig ( r x v ( t ，岛) 一) a r ( 2 1 4 ) 嘞 其中： m ( v o ) 为平均风速均匀作用在桨叶上的转矩； 砌为风力机轮毂的半径； r 为风力机外径； 1 ，佛，：锄为t 时刻在位置以易) 处的风速 弘 ，) 为作用于半径为，处的叶素气动负荷影响系数。可以沿着叶片的典型负荷分布计算得到气 动转矩，假设g ( r ) 和半径，以及r o 成比例，这里假设r o - - - o 1 r 。 东南大学硕士学位论文 不： 图2 2 三叶片风力机风场分布 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得 耻) _ 3 膨( 啪壹e 删砸， 咿) 毋 (215)b = l ” 现定义等效风速吻作为，该风速代替v 传，：锄作用在桨叶上，得到同样大小的气动转矩。 圳一( 晰荟3 扣) 吆”憎 ( 2 1 6 ) 比较式( 2 1 5 ) 与式( 2 1 6 ) 可以知道，风场中的等效风速y 寸_ - - 个叶片作用的平均值，如下式所 式中：( f ，皖) 为风速权重，定义为 嘣忙三喜y 舢见) ( 2 1 7 ) l9 z ( r ) v ( t ，易) d r ( f ，眈) = j l r 一 ( 2 1 8 ) i9 ( r ) d r 嘞 式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 表示了所有风速权重的等效风速，这个风速被视作为瞬间作用于风力机叶 片。风轮叶片上的作用力也可以通过计算不同点上的力来加以考虑，但是这个方法将需要大量的仿 真计算时间，因而r i s