（电机与电器专业论文）风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究.pdf

沈阳j ：业大学硕士学位论文 d e s i 鲈粕di n v e s t i g a t i o no fs i m u l a t i n ge x p e r i m e n tp l a t f o mo f w i n d t u r b i n eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c a 6 s 的c f e i l e r g y 孤d 锄v i r o 啪e n ta mt h cl l r g e i l tp m b l e m t ob er e l v e dt 0c o 呻潮p 0 糟r yh u m 眦 e 】i s t i n ga 1 1 dd e v e l o p m e m w i n dp o 、w rg e n e r a t i 衄i s 蛆e f t 酬v em 啪st oa l l e v i 龇et h e c n e f g yc r i s i s 1 1 1 e r e f o f e ，w i n dp o w e r 鲥n e r a t i 吼t e r 埘i s 鲥) 、i i i ga n d 丽埘p o 嗍 g e 毗nt c c h 舯l o g yi 彻o v a t i o n w i n dp o w 盱t c c l l i l o l o g yi n v a t i 衄衄】s tr e l y 血e r e s e a 托h 强p c i i m 锄t si l lt h cl a b o m t o r y b u tl a b l t o i yd o e s th a v ea 涮缸m ，h o w t o p 删嬲st h c 陀s 黜ho fw i n dp o w e rg 朗e m t i o nt e c l l n o l o g yh 豁b c c i 哪em e 脚g i s 吼帕s o p e o p l eb e g 孤t 0d c s i 弘t 哪b i ss i m u l a t i d e v i c c su s c df o i l a b o r a 幻哆陀啪r d hw o 出t o p v mt h ei i l d u c t i o n1 1 1 0 t o rt op u l lt h c 砌g e l 捌砸o nt o 托批h l h ew i n d 舯w 盯班删 t e c h i m l o g y 1 1 1 i sp 印e rp r o p o s e dap r o j e c tt oi m i 乜t et h ea c t u a lo u t p u tc l 坷阮c 丽s 吐co f 枷t i l l b i n e b y 璐i i l gv a r i a b l e - 舶q u e n c ys p e e dr e g i l l a t i n gi n d u c t i o nm 砷d r t h a li s ，i 璐t e a do f 也ew i i l d t l l f b i n e ，a ni n d u c t i o nm o t o rp u l l st h ew i n dg e n e r a t i o nt o 陀a r c ht h c 枷p w 盯g 跖啪垃叩 t e c h i l o l o g y f i f s t l y ，t h ew i n ds p e e dm a t h e m a t i c a im o d di se s t a b l i s h e d 锄dt h ew i l l ds p e e dc u n 吧i s d 跚釉b ys i n l u l a t i i l g c o 叫瞰e dt h cs i 舢l a t i n g 谢n ds p e c dc u n ，e 、) i r i t l ln 艟t i i a l 喇即e e d c t i r v 厶aa d n c l u s i o ni sd l _ a _ w n 协a lt h ee s t a b l i s h e d 删e lh a sa c c i l r a c ya n df 妇s i b i l i t y s 鲫n d l y ， t h ew i n dn 卫衙n ea 盯0 d y n 弧l i cc h a r 龋协i s t i c 锄dm e o f yo f m a x i i i 扭1w 妯de 糯f g ya b l p t i o ni s a l l a l y 2 蜘，t l l o u g hw l l i c hio b t a i nt h cm o d e l0 f t h e 删s p e c d t 0w i l l dt i l r 蚰r o t a ：c i o n a ls p d 觚dp o w 盯i 印u t 、 缸ds p e e d ，m 锄w e 咖g a i nt l l ev 羽u eo f 协cc o r 懈p o n d i n g 删觚蛐a l s p e e d ，p 0 嗍e r 锄dt o r q u e v c c t o rc o n t r o ls t r a t e g yt oi n d u c t i o nm o t o ri sd “l c d l ya n a l y 2 脚t o i m i 协t et i 圮、撕n dw h lm a c h i n ed y n 啪i co u t p u tc i 珊陷c 硎s t i cb ym e 吼so f t l l ev t o rc o 咖1 1 1 l i f d l y t h ew h o l et h ew i n dt l l r b i n cd y n 锄i co u t p u tc h a 翰c s t i cs 弘：t c mi sd 龉i g n e d i ti s c 0 ：m p o s e do f 跏p u t e r c o n v e n o r ，纰c o m m 吼i c a t i c a r d ，i l l d u c t i m o 毗s p 。c dm 船涨 e q i l i p m e m 锄ds o i tr e a i i 黯d 幽es i m u l a t i o ft h cd y n 锄i cm i 译u tc t l a m c t e r i s t i co ft h c 喇n dt i | r 觇c o m p 吣ro 刚i o nw m d o wp r o g m mi sm a d et o 卸l i tm e 、i n ds p d 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 肼哦m 廊r 雒dt h ew i n dt u r b i n ep a f a m e t e r 锄dm o 试t o r 出er 咖i i l gs t a t i l s ，i n c l l l d e 砌s p e e d a l r v c ，r o t a t i o n a ls p c e dc u r v e ，t o r q u ec u n r e 粕dp o w e rc u n r e h 锄a l s op s 盯v et h cc l 】盯e m d a t a 幻翘a i y z e 硪e rt h ec x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h cd e s i g l li s 岫e dt op u i im e3 0 k w 晰n d g 即啪t o r ，越dg a i n e dt t l es a t i s f a c t o r yr e 跚l t s ，w h i c hc 0 耐i 咖耐t h ef e 蠲i b i l i t ya n du s a b i l i t yo f 协ep m j e c to fs i l l l u l a t i n g 岫dn 曲i 船。唧u tc l l a r a c t e f i s t i cb y 训a b l e - 雠q u 锄c ys p e e d 鹏g t l l 撕1 1 9 枷u c t i o nm o t o r 。 l 哂rw o r d s ：w i n dp o w e rg e e m t i o n ，w i n dl l l r b i n eo u t p u tc h a n n e r i s 缸珊j t 曩n o n w 证ds p e e dm o d e i v e c t o r n t r o i i 卜 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导卿指导下进行的研究王 俸及欷得静研究残采。尽我所稚，除了文孛特别麴跌标注和致谢改逮方 外，论文中不包含其他人融经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工僚的露恚对本研究掰傲熬任何贡献均已在论文巾傲了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 零人完全了解沈霞王鼗大学有关保留、健震学位论文戆簸定，瑟： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后皮遵循此规定) 鹕：参雏导师魏纽车 嘲；翻圣! ： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 风力发电事业的发展情况 1 。1 1 国外风电事业的发展情况 风力发电与常规能源发电形式相比，有着得天独厚的优点，其主要表现在：风能是 可再生的清洁能源；风力发电建设周期短、装机规模灵活；运行维护方便、实际占地面 积小；可靠性高、造价低、发电方式多样化。此外，风力发电是新能源中技术最成熟、 最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。因此，世界上很多国家，尤其是 发达国家，已充分认识到风力发电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对 风电的开发给予了高度重视。 1 9 9 8 年全世界风电总装机容量为9 “万l c w ，2 0 年已增加到1 7 5 0 万k w ，瑚1 年世界风力发电装机容量的增长率达到3 9 ，风力发电发电量己达2 4 0 0 万k w 。2 0 0 3 年全球新增风电装机重约7 9 8 万k w ，全世界风电装机容量累计约3 9 1 5 万k w ，1 9 9 8 - 2 0 0 3 这5 年的平均增长率超过3 0 。作为无污染的可再生能源，风能具有极大的开发价值， 风力发电前景广阔。据有关部门预测，到2 0 1 0 年全世界总装机容量会超过1 4 亿k w 。 预计2 0 2 0 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的l o 【i j 。从世界各国的风电发展 情况来看，德国目前风力发电装机容量居世界首位，以下依次是美国，西班牙、丹麦和 印度。 近年来，风力发电事业在世界各国迅猛发展，特别在注重环保的欧洲国家，国家对 风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很快，发展规划也不断修改，步伐加大。比如 欧洲1 9 9 7 年重新制订的近期发展规划就比原来1 9 9 1 年的调了一番。在欧洲过去1 0 年 间，风力发电机组总装机容量增加了l o 倍，风力发电成本下降了6 0 ，北欧一些国家 风能发电己占到总发电量的5 l o 。风力发电有效地改善了这些国家的电力结构， 减少了大气污染，对保护我们共同的生存家园起到了重要的作用鼬l 。 欧洲风力发电最发达的国家是丹麦、德国与荷兰。丹麦1 9 9 9 年的风电装机容量为 1 7 3 0 m w ，风电量己占到全国总发电量的3 ，目前还有5 个1 5 万k w 的风电场在建， 到2 0 3 0 年计划风电量达到本国总电量的4 0 。德国1 9 9 4 年就完成了2 5 0 m w 计划，风 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 力发电增长迅速。1 9 9 8 年风电设施共有l o l o 套并网发电，总功率为7 9 3 4 6 m w ，累计 装机已达3 删w ，风电产量达到4 5 亿k w h ，比1 9 9 7 年增长了5 0 ，风电占全国电 力生产量的1 ，并在1 9 9 9 年投产了风电机组1 5 0 0 m w ，全国风电总装机量累计达到 4 4 4 0 m w ，风电量己占到全国总电量的1 5 。荷兰己建成风电3 2 9 m w 。英国从环境上 考虑，也拟引进大型风力发电机计划，已建成3 2 8 m w 的风力发电场，到2 0 0 2 年计划 达到9 7 8 m w 的总装机容量，可达到全国电力消费的3 。由于欧洲的土地少，为提高 土地的利用率，各国正在从事更大功率的风力发电机的研制与引进工作。海上风车田也 进入实际应用阶段1 】。 在美洲，美国的风力发电规模较大。1 9 9 7 年末，总装机容量达到1 6 1 l m w 。美国 的风力发电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。8 0 年代初期，风力发电机占主流 的是1 0 0 k w 以下的小型机，目前3 5 0 0 k w 的发电机己成为风力发电机的主流。建场 地区已由过去集中于加州逐步向外扩展，美国中、西部地区也拟出了建设风电场的计划。 目前美国风力发电总量已达1 7 0 0 m w 。到2 0 0 2 年，计划装机容量达到2 8 8 6 m w 。 据美国能源部称，2 0 1 0 年风电至少能达到国内电力消耗量的l o 。近十年，美国 在大型风轮机的生产方面投资年均增长率达2 2 ，1 9 9 7 年共投资7 5 亿美元，风电成本 的目标是4 美分k w 。 亚洲一些国家也在大力开发风力发电。据印度非常规能源部对印度2 s 个邦的调查， 印度的风力资源估计为2 万m w 。印度的风电事业发展较快，8 0 年代后期开始建大型 风电场。到1 9 9 5 年，总装机容量已达6 0 l m w ，1 9 9 6 年拥有风力泵3 1 5 8 台，风电场功 率为7 3 3 m w 。1 9 9 7 年末达到9 4 0 m w ，计划到2 0 0 2 年总装机容量达到1 9 4 0 m w 。日本 建成的风力发电场规模不大，1 9 9 7 年末为2 9 m w 。1 9 9 9 年投资4 5 亿日元，在北海道安 装2 0 台1 0 0 0 k w 风轮机，建成日本最大的风电场。计划在未来几年里投资额将达到1 0 0 0 亿日元，使风电达到全国电力总消耗量的7 以上【5 川。 1 1 2 国内风电事业状况 我国是一个风力资源非常丰富的国家，全国约有2 3 的地带为多风带。风能总储量 为3 2 2 6 亿k w 。实际可开发的风能储量为2 5 3 亿k w 。风能是我国目前最有开发利用 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 前景的一种新能源。国家经贸委、国家科技部陆续颁布了支持风电发展的举措与优惠政 策，使我国近年来风电事业得到飞速发展。但由于我们国家起步较晚，目前己投运的风 电机组绝大多数为进口，这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，而且从根本 上说，也不利于我国风电产业的形成和发展，因此国产化风电机组的开发与生产已经成 为中国工业的历史使命。 我国风力发电从2 0 世纪8 0 年代开始起步，到2 0 0 1 年底全国累计风电装机总容量 达到4 0 万k w 左右，风电场发展到2 6 个。其中达坂城风屯场累计安装风力发电机组1 7 2 台，装机容量达到9 2 万k w ；南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4 8 万k w ：内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3 万k w ；福建的坪潭、大连横山、浙江舟 山、上海崇明也都在规划建设5 0 0 k w 、6 0 0 k w 容量不等的风力发电场，为解决无电地 区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。我国自主开发的2 0 0 - 3 0 0 k w 级风电机组的国产 化率已超过9 0 ，6 0 0 k w 机组样机的国产化率达到5 0 左右。我国具备了自行研制开 发容量从1 0 0 w 到1 0 k w 的1 0 多种小型风力发电机的能力，还开发了一批风光、风柴 联合发电系统。 虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年2 0 以上的速度递增，但风电仍仅占 全国电力总装机的1 1 ，因此我国的风力发电目前仍处于起步阶段。企业生产规模小， 工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，加大了产品的生产成本。为更好地实 旌国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和 可再生能源产业发展的“十五”规划【s 9 l ，其中包括国家的光明工程和8 6 3 计划后续能源技 术主题等国家重大科技发展计划。指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前 景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业 政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。重点 是开发6 0 0 k w 及以上风力发电机组，实现规模化生产；研究开发无齿轮箱、多级低速 发电机、变速恒频等新型风力发电机组；提高1 0 k w 以下离网型风力发电机的生产技术 水平，推广风、光互补，风、柴互补和风、光、柴联合供电系统。主要目标是：2 0 0 5 年并网风力发电装机容量达到1 2 0 万k w ，形成约1 5 2 0 万k w 的设备制造能力，以满足 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 国内市场需求。到2 0 1 5 年新能源和可再生能源年开发量达到4 3 0 0 万吨标准煤，占我国 当时能源消费总量的2 ：该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、 化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少 3 0 0 0 多万吨的温室气体及2 0 0 多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近5 0 万个就业岗 位。可见，有了国家的重视和政策的支持，作为主要可再生能源的风力发电行业，也必 将有广阔的发展前景【姗。 1 2 风力发电技术的发展 1 2 1 风力发电技术的研究现状 随着风力发电事业的蓬勃发展，风力发电技术不断创新。目前世界市场上风电机主 要的调节技术有：定桨距调节技术，变桨距调节技术，主动定桨距调节技术，变速恒频 技术四种。 定桨距调节风机技术，这种技术就是所谓的典型丹麦风电技术的核心，其基本原理 是利用桨叶翼型本身的失速特性。其优点是：调节简单可靠，控制也可大大简化；其缺 点为；桨叶、轮毂、塔架等主要受力部件的受力增大。现在国际上6 0 0 k w 以下的机组， 大部分仍在使用该项技术，如枷f g 捌舵o n 、b o n u s 、n o r d 等著名厂商都采用该 项技术。 变桨距调节风机技术，该项技术主要代表为v e s t a s 。他们采用高滑差发电机，普通 异步发电机滑率在2 以下，他们设计的发电机滑率达l o 。这种做法等于在传动链中 增加了一个弹性环节，使输出功率的变化大大减少。变桨距调节的主要优点为：桨叶受 力较小，桨叶可以做得比较轻巧，风电机的结构部件都可以做得比较轻巧：其缺点为： 结构复杂。 主动定桨距调节技术，这种调节方法是前述二种方法的组合。目前，国际上几大风 电机制造商，如m f g m i c o n 、b o m i s 等，在大于6 0 0 k w 风电机上均采用此种技术。 这种调节方法的主要好处是：具有定桨距调节方法的特性，输出功率变化较小、较平稳。 沈阳工业大学硕士学位论文 变速恒频技术，这种调节方法可以在输出功率低于额定功率之前使效率达到最高。 但当输出功率大于额定功率，即风速大于额定风速后，其调节方式与变桨距方式相同。 目前使用这种技术的制造商主要是德国的e n e r 咖、荷兰的l a r g e 啪y 。 从风力发电机组运行方式来看，可分为恒速恒频运行和变速恒频运行。风力发电机 与电网并联运行时，要求风电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中， 控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化， 通过其他方法来得到恒频电能。 目前运用较多的还是恒速恒频发电系统。恒速恒频运行的一个弊端是，当风速跃升 时，巨大的风能将通过风轮机叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上 产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将会引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设 计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。而且恒速恒频系统 的风轮机转速不能够随着风速的变化而变化，无法达到最优的风能利用系数，实现最大 风能吸收。 变速恒频允许风轮机根据风速的变化而以不同的转速旋转。变速恒频风力发电系统 与恒速恒频风力发电系统相比有以下优点： 减少机械应力：阵风能量可以被风轮机的转动惯量吸收。这种具有“弹性”的吸收 方式减少了力矩的脉冲幅值。由风速跃升所产生的巨大风能，部分以动能的形式储存于 较速旋转的风轮机当中，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变为电能，送入电网。风轮机的 加速、减速对风能的阶跃性变化起到了缓冲作用，使风轮机内部能量传输部件承受的应 力变化比较平稳，防止破坏性机械应力的产生，从而使风电机组的运行更加平稳和安全。 较简单的桨距控制：通过调节风力发电机的转速，可以使得对桨距的控制时间常数 延长，降低了桨距控制的复杂性和峰值功率的要求。在低风速下，桨距通常保持不变。 桨距控制只是保证在高风速下，风轮机吸收的功率不超过最大值。提高了系统的风能利 用率；转速可以在较大范围内变化，通过对最佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在可 发电风速下均可获得最佳的功率输出。 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到变速运行，已经基本实现 了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想的向电网提供电力的目的。 1 2 2 风力发电技术的发展趋势 大型风力发电机的设计正朝着扩大单机容量，提高发电质量、减少材料利用率、减 少噪音、降低成本、提高效率的方向发展f i i l 。 基于变速运行、变距调节的直驱同步发电机或双馈异步发电机己成为现在大多数风 机制造商开发研究的新技术。取消增速机构，采用风轮机对发电机的直接驱动方式和发 电机的无刷化是两个值得注意的发展趋势。 直接驱动是通过增加发电机的制造成本获取系统效率和运行可靠性的提高，从风电 系统总体效益上考虑是可取的。齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声，是造成 系统机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损还需要润滑清洗等定期维护。e l l c 姗， l a g e w e y ，j c u m o 咄m 啪f 姻公司都在发展这门技术。发电机的无刷化可提高系统的运行 可靠性和实现免维护，因此一直是电机的发展趋势。电励磁的同步电机和绕线转予感应 电机皆需要通过滑环和电刷实现对转子绕组电流的控制。滑环与电刷之间流过较大的电 流而其相对运动靠滑动接触，除了机械磨损之外，还有电腐蚀，对于长期运行在具有潮 湿、盐雾等气候条件下的电机，滑环电刷的磨损就更为严重，不仅需要定期维护，而且 是容易产生故障的部位。 综合无劂化和直接驱动这两方面的要求，在变速恒频风电系统中最具应用前景的是 两种电机：永磁电机和无刷双馈电机。有些公司正在研制一种中阋产品，采用变速变距、 单级齿轮箱，这样既避免了基于双馈发电机的高齿轮传输比( 1 5 0 0 1 8 0 0 r i 加) 高转速发电 机设计，同时，单级齿轮箱使永磁同步发电机低转速运行，电机可以设计得小而轻。 1 3 课题的背景与来源 随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求日益增加，而地球上可利用的常规能 源日趋匮乏据专家预测，煤炭还可开发2 2 1 年。石油3 9 年，天然气只能用6 0 年。于 是开发新型可再生能源成为当务之急。能源问题已是世界各国政府必须着力解决的大问 题，即能源战略问题。风能作为一种清洁、环保的可再生能源，加以合理充分的利用是 沈阳工业大学硕士学位论文 解决能源问题，实现能源的可持续发展，保证经济的可持续发展和社会的可持续发展的 重要途径之一。世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、 缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。 我国风力资源丰富。国家经贸委、国家科技部陆续颁布了支持风电发展的举措与优 惠政策，使我国近年来风电事业得到飞速发展。但由于我们国家起步较晚，目前已投运 的风电机组绝大多数为进口，这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，而且从 根本上说，也不利于我国风电产业的形成和发展，因此国产化风电机组的开发与生产已 经成为中国工业的历史使命。 在风电领域里，风电机组的单机容量是衡量风电技术水平的重要标志之一。目前， 国内风电机组的最大单机容量为6 0 0 k w ，与发达国家相比还有很大差距。要提高国内 风电事业的整体水平，就必须扩大单机容量、创新风电技术。为了提高国内风力发电事 业的整体水平；掌握风电机组的关键技术：用有国内自主知识产权，沈阳工业大学风能 技术研究所开发研制的“兆瓦级变速恒频风电机组”是国家高技术研究发展计划之一， 是重大的科研攻关项目，这一项目的成功，将会使我国风电水平跃上一个新的台阶。 在风力发电事业蓬勃发展的国际环境下，单机容量不断扩大，必然要求风力发电技 术水平不断更新，而风力发电技术的创新必须要经历实验研究和实际验证。进行风力发 电技术的研究，最直接、最有效的方法，就是将风力发电机，传动机构和风轮直接相连， 在风电现场风机运行过程中做实验研究，才可以达到直接、准确得实验效果。但由于风 电现场环境恶劣、实验空间狭窄、进行实验的过程难于实现，所以这样做不仅所需研究 经费多、研究时间长，还耗费大量的人力物力。 那么，在实验室无风的条件下，如何进行风力发电技术的研究就成了亟待解决的问 题，也是实验室内开展风力发电技术研究工作的基础和前提。设想用一套模拟装置 变频调速系统控制异步电机，来模拟现场风况带动风轮的转动通过齿轮箱传动装置传递 给高速轴的转速特性、转矩特性、功率特性。用异步电机转轴的转动再现实际现场高速 轴的转动，如图1 1 所示，以便在实验室进行变速恒频等关键技术的研究工作。再通过 计算机编制上位机的操作界面，可以在此操作界面上输入不同的风速参数和机组参数， 一，一 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 通过上微机控制电动机再现现场风况风速不同时，高速轴的运转情况。这样，就建立起 一个实验室内的模拟实验平台，通过对异步电动机的控制，来实现对风轮的模拟。以上 所述，正是本课题研究工作的实践来源和思想来源。本课题属于国家高技术研究项目“兆 瓦级变速恒频风电机组”的研究工作的一部分，根据项目进行过程中的实际需要，而引 发出来的实际课题，是该项目中风电机组实现变速恒频及变桨距控制等核心技术的研究 实验平台。 自嚣 专 电动机 发电机 唏唱h 圆 图l l 模拟思想示意图 f i g1 1 s i m u 枷o ni d 乩幽咄hm a p 1 4 本文主要研究的内容 本论文主要针对风轮机输出特性模拟系统的设计展开研究，提供实验室用的类似风 轮机特性的原动机。主要研究工作包括： ( 1 ) 要在无风的实验室内模拟实际风轮机的输出特性，首先要建立实际风场风速的 数学模型，本文将随机风分成四种风况来考虑，著对这四种风况进行了理论分析和仿真， 综合这四种风况得出风速的数学模型，通过仿真绘出了风速时变曲线，再经过与实测风 速数据曲线的比较，来验证所建立的风速模型的正确性和可行性。 ( 2 ) 分析了风轮机的空气动力特性和风能吸收理论，得出由风到风轮机输出的整个 过程的风速一转速和风速一输出功率的数学模型，通过v c h 编程来实现给定风速就能计 沈阳工业大学硕士学位论文 算出所对应的风轮的转速、功率、转矩。在r 1 x 环境下进行编程，其程序运行的动态 实时性非常好，如果输入的是风速时变曲线，会得到理想的风轮的转速、功率、转矩曲 线。 ( 3 ) 详细的介绍了异步电机的变频调速原理及控制方法，采用矢量控制方式控制异 步电机来模拟风轮机动态输出特性。矢量控制策略通过力士乐变频器的内部处理器来实 现。 “) 设计了整套风轮输出特性模拟系统，该系统的硬件组成包括上位机、变频器、数 据通讯卡、异步电机、测速编码器等。分别介绍了各组成部分的功能、作用及实现过程。 还介绍了上位机部分所编制的上位机操作界面，可以输入风速参数和机型参数；可以对 运行状态( 包括风速曲线、转速曲线、转矩曲线、功率曲线) 进行实时监测；也可以保 存当前数据方便事后分析和处理。 ( 5 ) 最后应用所设计的风轮输出特性模拟系统，拖动3 0 k w 的风力发电机进行实验， 获得了满意的实验结果，从而验证了变频调速异步电机模拟风轮输出特性的方案的可行 性与实用性。 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 2 风轮模拟过程的数学模型 2 1 风模型 风能是一种能量密度较低，稳定性较差的能源。风移动的过程中，既有动能的变化， 又有势能的变化。风速的持续交化在一定时间和空间范围内是随机的，但从总的和长期 统计结果来看，风速的变化仍然具有一定的分布规律。为了模拟作用在风轮机上风速随 时闯变化的特征，建立可靠的风速模型非常重要。而且，风速模型与实际风速的近似程 度是实验室内风轮机模拟准确与否的关键。 风轮机以风作为原动力，风速直接决定了风轮机模拟过程的动态特性。整套模拟过 程一定要符合实际运行时的动态特性，这样就必须获得风电场短期的风速波动数据，如 秒级的风速。最早的风速模型是用于资源规划中，以评价风电的经济性、持久性以及含 风电场的电力系统的可靠性，如文献【1 2 - 1 4 1 中对风速模型进行了详细描述。但这些模型是 以平均风速为基础，不适用于风轮机的动态模拟。而且般气象台站所能提供的风速数 据大都是小时平均风速，因此短时距风速只能根据某种算法模拟或实际测量获得。文献 【j ， 1 6 1 中介绍了计算短期风速的基本方法，根据小时平均风速数值求得风速的功率谱密度 函数，积分后可得到短时距风速数据。这种方法考虑了风速随机分量分布谱密度、风速 频率、地表租糙度和扰动范围，能够比较全面地模拟风速交化，但考虑的因素较多，很 多参数不易获得，实现起来比较困难。为了较精确地描述风能的随机性和间歇性的特点， 本文在进行风轮机输出特性模拟的过程中，从可实现角度，将自然风速简化为4 种典型 的风速变化情况，即基本风、阵风y 茹、渐变风和随机风y 赫。 2 1 1 风模型的建立 ( 1 ) 基本风。基本风在风轮机正常运行过程中一直存在，它决定了风力发电机向系 统输送额定功率的大小，基本上反映了风电场平均风速的变化。它可以由风电场测风所 得的韦布尔分布参数近似确定： 矿= 彳r 【l + 虽 ( 2 1 ) 式中：矿基本风速，单位为m ，s ； 沈阳工业大学硕士学位论文 彳韦布尔分布的尺度参数； 鬈韦布尔分布的形状参数； r 伽马函数。 对于基本风模型，在实验室模拟时无需考虑实际风场风速的分布情况，只需考虑 作用在风轮机上的平均风速是多少，所以基本风模型指定一个具体的平均风速值即可。 ( 2 ) 阵风。在风速变化的过程中，描述风速突然变化的特性，一般用阵风来表示。 可在基本风上叠加一阵风分量a j o r b = 五g ， 互6 + ( 2 2 ) 【or 2 + 圪。：g 2 ) f l 一s 2 舡) l j g 式中：阵风风速，单位为m s ； 周期，单位为s ； 五。悼风启动时间，单位为s ； m 酝g 阵风最大值，单位为m s 。 ( 3 ) 渐变风。对风速的渐变特性可以用渐变风成份来模拟，可在基本风上叠加一个 渐变风分量y 品 f o r o 且o 三) ( 2 - 1 0 ) 这一函数是否为定义域上的凹函数至关重要，如果是凹函数那么将不能用简单的方 法找出最大值。如果能量利用系数对应叶尖速和桨距都呈现凸函数那么可以很方便地找 出定义域内的最大值。所以c 。的性质对于采用何种寻优策略有决定作用升力系数用 以下公式来近似【1 7 l ； c ，= 一1 6 霄2 + 1 9 并+ o 0 2 ( 工= 一硼切n 五) ( 2 1 1 ) c 。曲线如图2 1 l 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 圈2 1 l 风能利用系数与桨距角和叶尖速比的关系 f i g2 1 l 1 1 l er e l 稍o n 锄n g 诵n d e r 野i l t 订i z 撕缸c 眦，p i t c h 锄g l c 锄dt i ps p 。e d 舭 风机的功率捕获主要取决于三方面的主要因素：可利用的风能源的功率；系统的功 率曲线：系统对风的震荡的响应能力。对一台实际的风轮机，风轮机的机械输出功率可 用下式表示网： 巴= 倒矿3 c ，s 丢y 3 x o 5 9 ( 2 1 2 ) z二 砂= 告 ( 2 1 3 ) r 2 0 ” 式中：p 空气密度，单位为k g ，m 3 。 矿上游风速，单位为m ，s ； 彳风轮的扫风面积，单位为m 2 ； 晶标准海平面空气压力，单位为k g ，m 3 。 矗空气的气体常数，单位为j 依； r 温度，单位为k ； g 重力常数，单位为m 舻； z 海拔高度，单位为m 。 空气密度p 随海拔高度的变化而变化，平均值取1 2 2 5 k g ，m 3 。 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 2 2 3 风轮机功率、转矩模型的确立 风轮机可分为变桨距和定桨距两种，变速恒频发电方式利用变桨距风机。变桨距风 轮机特性常由一簇风能利用系数g 的无因次性能曲线来表示，如图2 1 2 所示。因此风 能利用系数g 是叶尖速比五和桨距角卢的函数，即q 五，励。 图2 1 2 变桨距风轮机特性曲线 f 遮2 1 2 w 砌t i b m c h a 硒c i i 对证i i cc i w w h 吼n 蚺p i t c h i s d 帅霉e 正 变速恒频运行时采用圃定优化桨距角下作定桨距运行，此时。只有在叶尖速比a 为 某一个定值厶一( 称为最佳叶尖速比) 时才达到最大。一( 最大风能利用系数) ，获得 最大风能的捕获，如图2 1 3 所示。 根据图2 1 3 和式( 2 6 ) 可以进一步导出不同风速下风轮机的输出功率和转速的关 系，如图2 1 4 所示，图中可见不同风速下风轮机的功率一转速曲线为一曲线簇，每条功 率一转速曲线上最大功率点的连线为风轮机的最佳功率曲线( 忍，曲线) 。风轮机运行 在忍，曲线上将会在各种风速下均输出最大功率： 气= k 盛 ( 2 1 4 ) 式中：屯= o 5 p ( 瓜厶。) 3 g 一。 沈阳工业大学硕士学位论文 q q 。 图2 1 3 定浆距风轮机特性曲线 f i 9 2 1 3w i n d n b i n 嚣c h a m c 锄话赴c u r 垤w h l b e p 沁h i s 硼c h 姐辨d 由于风轮机具有较大的转动惯量，风能从叶片通过轮毂达到发电机处做功有一定的 时滞，可以用一阶惯性环节来模拟。 粤：丢( 昂一) ( 2 1 5 ) 出巧 其中，p _ 。，岛，分别为异步发电机轴上的机械功率，风轮机功率和惯性时间常数。 图2 1 4 只= ，( v ，q ) 曲线图 f i 9 2 1 4 w o f 只= ，( v q ) 0 a d ) 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 所以风力即功率模型可表示为： 易= o 丢q 喝 足 o 匕 h 厅( r a d ，s ) 图2 1 5 风轮机的机械转矩特性 f i g2 1 5 m e c l l a n i lt o r q c l l a m c t e r i 鲥o f w i i l dt u r b i n 帮 沈阳工业大学硕士学位论文 从图2 1 5 可以看出，当风速一定时，风轮机的机械转矩是随转速变化的曲线，当转 速为某一特定值时，机械转矩达到最大。 综上所述，风轮机的转矩可最终表达为以风速、旋转角速度、和桨距角为自 变量的函数： 巧= 砀f ， ( 2 1 9 ) 2 3 机械传动部分的数学模型 从轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮箱，可以用一阶惯性环节来描述： 誓= 丢佛吲 眩z 。， 其中乃是作用于发电机转子上的机械转矩，乃是传动系统时间常数 发电机转轴上的机械转矩r ，与电机电磁转矩共同作用，调节转子转速，其动态 方程为： 害= 寺( 乏一耳) ( 2 2 1 ) 其中j 为电机转差率，乃为发电机惯性时间常数，乙为发电机电磁转矩，由发电机 模型计算得出。 齿轮箱传动轴模型作用在第i 个质量体上的运动方程： 正字= 巧+ 一d ，警 ( 2 - 2 2 ) 式中：以第i 个质量体惯性力矩，单位为n 皿； 最第i 个质量体扭角，单位为r a d ； f 时间，单位为s ； t 施加在第i 个质量体上的外转矩，单位为n m ； 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 f l 川，。第i 个质量体上前轴、后轴转矩，单位为n m ； 皿但尼系数。 对于风力发电传输系统齿轮箱传输比： 基本方程； v ；勉 哆 带有齿轮箱的驱动链结构图，如图2 1 6 所示，可以用下列方程描述： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) j ，訾嘞飞 如争= + 等 = 研妨一j + 警一警) c z 伍， g 2 v 0 b 6 g = v 6 8 一孙 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 1 6 带有齿轮箱的驱动链结构 f 9 2 1 6 埘v cc i l a i n m u c c l 鹏埘t l l m e 萨口b l 上面方程也可表述为； 警= 嘶一= 岘 警= 一= 以等一k p 如警+ 一誓 一d ( 岘一 足( 西一誓 + d ( 唧一 、 ( 2 2 6 了j 垒堑1 v j 式中： 国m 稳态风轮转速，单位为m 曲； 国发电机转速，单位为蹦讹； 国角速度，单位为m d s v 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 3 异步电动机的变频调速 3 1 变频调速的基本原理 3 1 1 变频调速的基本类型 交流异步电机调速系统种类繁多，常见的有：1 ) 降电压调速：2 ) 电磁转差离合器调 速；3 ) 绕线转子异步电机转子串电阻调速：4 ) 绕线转子异步电机串级调速：5 ) 变极对数 调速；6 ) 变频调速等等。 按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率己，可分为两部分： 一部分最= ( 1 一j ) 已是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率只= 最匕，与转差率s 成正比。从能量转换的角度上看。转差功率是否增大，是消耗还是得到回收。显然是评 价调速系统效率高低的一种标志。从这一点出发，可以把异步电机的调速分成三类2 3 阐： ( 1 ) 转差功率消耗型调速系统全部转差功率都换成热能的形式而消耗掉。上述 的1 ) 、萄、3 ) 三种调速方法都属于这一类。在三类之中，这类调速系统的效率最低，而 且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低( 恒转矩负载时) ，越向下调速效率越 低。可是这类系统结构简单，因此还有一定的应用场合。 ( 2 ) 转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置 回馈电网或者转化为机械能量予以利用，转速低时回收的功率也越多，上述第4 ) 种调速 方案串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类要高，但增设的交流 装置总要消耗掉一部分功率，因此还不及下一类。 ( 3 ) 转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜耗的部分是不可避免的，但在 这类系统中无论转速的高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。上述的第5 ) 、 6 ) 两种调速方式均属于此类。其中变极对数只能是有级调速，应用场合有限。只有变频 调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速系统，最有发展前 途。 3 1 2 变频调速的基本原理 由电机学知，交流异步电机的转速公式为： 沈阳工业大学硕士学位论文 万= 6 0 王o s ) = ，l o ( 1 一j ) ( 3 1 ) p 。 式中：z 异步电机定子电压供电频率，单位为h z ； 只异步电机的极对数； s 异步电机的转差率； 同步转速，单位为e m j l l 。 由上式可以看出，要改变异步电机的转速，可以有三种方案，即改变极对数只、改 变转差率s 或改变定子电压供电频率工。 ( 1 ) 变极对数调速。变极对数调速实际上是通过改变极对数只从而改变异步电动机 同步转速n 。来达到调速目的，即 ：6 0 五 ( 3 2 ) p “ 变极调速通过改接定予绕组的连接方式来实现。一般电机的极对数在数值上有限， 故调速范围也有限，并且极对数总是整数，因此这种调速方案是一种有级调速。 ( 2 ) 变转差率调速。改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机定子电 压调速、采用滑差电动机调速、转子绕组串电阻调速等。 这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但它们的共同缺点是在调速过程中存在转 差损耗，即在调速过程中产生大量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，系统 效率降低。 ( 3 ) 变频调速。变频调速实际上是通过改变定子电压供电频率石，从而改变异步电 动机同步转速来达到调速目的。显然，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能 平滑、无级地调节异步电动机的转速。而且这类系统中无论转速高低，所消耗的转差功 率基本不变，因此效率最高。 风轮输出特性模拟实验平台的设计与研究 3 1 3 变频调速的基本控制方法 我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为： e 2 = 4 4 4 石以i i o ( 3 3 ) 式中；以气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，单位为v ； z 定子频率，单位为h z ： i 定予每相绕组的匝数； 七l 绕组系数： o 每极气隙磁通量，单位为w b 。 ( 1 ) 基频以下调速恒压频比控制。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要