（控制理论与控制工程专业论文）风力发电机组动态特性仿真与控制系统研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 随着人们对能源危机及环境污染的日益重视，风力发电系统在世界范围内得到 了迅速发展，有效的提高机组运行效率、最大限度地利用风能己成为风力发电技术 研究的主要内容。因此对风力发电机组建模仿真，为有效保证机组运行提供了必然 条件。 论文研究了风力发电系统的基础理论，根据风速、风力机、双馈发电机的数学 模型在m a t l a b s i m u l i n k 中分别建立仿真模型；根据坐标变化原则从双馈电机的基 本电磁理论出发，研究内部变量及能量流动平衡关系；对不同风速情况下机组运行 情况进行了仿真分析；对风力发电机组的控制系统中桨距角控制进行了深入研究。 关键词：风力发电机组，风力机，双馈发电机，变速恒频 a b s t r a c t w i t ha t t a c h m e n ti m p o r t a n c et oe n e r g ys o u r c es c a r c i t ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t h e w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ( w p g s ) h a sd e v e l o p e dd r a m a t i c a l l ya l lo v e rt h ew o d d h o w t o e n h a n c eo p e r a t i o ne f f e c t i v e l ya n dr i s et h ew i n de n e r g yb e c o m e si m p o r t a n tm a t t e ra b o u tt h e t e c h n o l o g yo ft h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ( w t g s ) s ot h es i m u l a t i o no ft h em o d e lo f 丌g sp r o v i d e san e c e s s a r yc o n d i f i o nf o rt h eo p e r a t i o no fw p g se f f e c t i v e l y t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h eb a s i ct h e o r yo ft h ew p g s ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c s m o d e lo ft h es p e e do fw i n d ，t h ew i n dt u r b i n e ，d o u b l e - f 甜i n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) ，b u i l d s i m u l i n km o d e li nm a t l a b b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fd f l go ne l e c t r i ca n dm a g n e t i c r e l a t i o na n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s ，r e s e a r c hb a s i cv a r i a b l ea n dt r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n a n dm o v e m e n to fe n e r g y s i m u l i n kt h es i t u a t i o no fo p e r a t i o no fw t g si nv a r i a b l es p e e do f w i n da n da n a l y s i si t ，a n dt h o r o u g h l yr e s e a r c ht h ec o n t r o ls y s t e mo fw t g sa b o u tp i t c hc o n t r 0 1 d ur o n g h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ny o n g j u na n dp r o f d u a nx i n h u i k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ，t h ew i n dt u r b i n e ， d o u b l e - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r , v a f i a b ks p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c e 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 随着人们对能源危机及环境污染的日益重视，风力发电系统在世界范围内得到 了迅速发展，有效的提高机组运行效率、最大限度地利用风能己成为风力发电技术 研究的主要内容。因此对风力发电机组建模仿真，为有效保证机组运行提供了必然 条件。 论文研究了风力发电系统的基础理论，根据风速、风力机、双馈发电机的数学 模型在m a t l a b s i m u l i n k 中分别建立仿真模型；根据坐标变化原则从双馈电机的基 本电磁理论出发，研究内部变量及能量流动平衡关系；对不同风速情况下机组运行 情况进行了仿真分析：对风力发电机组的控制系统中桨距角控制进行了深入研究。 关键词：风力发电机组，风力机，双馈发电机，变速恒频 a b s t r a c t w i t ha t t a c h m e n ti m p o r t a n c et oe n e r g ys o u r c es c a r c i t ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t h e w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ( w p g s ) h a sd e v e l o p e dd r a m a t i c a l l ya l lo v e rt h ew o d d h o wt o e n h a n c eo p e r a t i o ne f f e c t i v e l ya n du s et h ew i n de n e r g yb e c o m e si m p o r t a n tm a t t e ra b o u tt h e t e c h n o l o g yo ft h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ( w t g s ) s ot h es i m u l a t i o no ft h em o d e lo f 、w g sp r o v i d e san e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h eo p e r a t i o no fw p g se f f e c t i v e l y t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h eb a s i ct h e o r yo ft h ew p g s ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c s m o d e lo ft h es p e e do fw i n d ，t h ew i n dt u r b i n e ，d o u b l e - f 甜i n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) ，b u i l d s i m u l i n km o d e li nm a t l a b b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fd f l go ne l e c t r i ca n dm a g n e t i c r e l a t i o na n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s ，r e s e a r c hb a s i cv a r i a b l ea n dt r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n a n dm o v e m e n to fe n e r g y s i m u l i n kt h es i t u a t i o no fo p e r a t i o no fw t g si nv a r i a b l es p e e do f w i n da n da n a l y s i si t ，a n dt h o r o u g h l yr e s e a r c ht h ec o n t r o ls y s t e mo fw t g sa b o u tp i t c hc o n t r 0 1 d u r o n g h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ny o n g j u na n dp r o f d u a nx i n h u i k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ，t h ew i n dt u r b i n e ， d o u b l e - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r , 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 c e 芦明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文风力发电机组动态特性仿真与控制 系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：宣噬玺日期：全! 堕：i ：1 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鲻 日期：型丛：f d 导师签名： 盔血零 华北电力大学硕士学位论文 1 1 风力发电概述 1 1 1 风能的前景 第一章绪论 随着工业技术的发展，能源和环境问题已成为当今人类生存和发展所需要迫切 解决的问题，对可再生能源的开发利用，已经成为世界各国能源发展的战略目标。 在过去的十年间，世界能源电力市场发展最为迅速的是可再生能源。太阳能发电每 年增长3 0 9 ，风力发电3 0 7 。制约太阳能发电发展的是太阳能电池技术，由于 其成本较高，使得太阳能生产的电价价格高于风力、天然气和燃煤发电。风能是最 清洁的能源之一，风力发电是有效转化能源的较好方式。据资料统计，预计到 2 0 2 0 年，全球风力发电装机容量达到1 2 亿千瓦，风力发电将占全球发电总量的 1 2 ，有可能成为世界未来最重要的替代能源。国际能源专家预言：2 l 世纪是风力 发电的世纪。绿色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望【l 】。 如今在全球的风力发电装机容量发展中，欧洲风力发电的发展速度很快，装机 容量近2 0 0 0 m w 。预计十年之后欧洲人口的一半将会使用风电，同时欧洲风能利用 协会将在欧洲的近海岸地区进行风能的开发利用，希望在2 0 2 0 年风力发电能够满足 欧洲居民的全部用电需求。在欧洲德国的风电发展处于领先地位，达到6 0 0 m w ， 其中风电设备制造业已经取代汽车制造业和造船业的领先地位。在近期德国制定的 风电发展长远规划中指出，至1 1 j 2 0 2 5 年风电要实现占电力总用量的2 5 ，至i i j 2 0 5 0 年实 现占总用量的5 0 的目标1 2 j 。 此外，丹麦的风能发电已经可以满足1 8 的用电需求，法国也在制定风能发电 的长远发展规划。在亚洲的一些国家，近年来风力发电也取得较快发展。以印度为 例，截至2 0 0 2 年底，风电装机容量已达1 7 0 2 m w ，约为中国的2 5 倍，成为世界第五 大风电生产国。过去几年，印度政府采取积极的政策鼓励风电产业的发展，有的公 司现在已经可以生产7 0 的风电机组零件，大大降低了风电机组生产成本，并给当 地创造出额外的就业机会。日本发电量的7 来自风力。目前，美国已有1 7 万台风机 在运转，发电量已达1 7 0 0 m w ，预计2 0 5 0 年风力电将占美国发电总量的1 0 。国际 上许多国家都制定了新世纪的风力发电计划，欧洲风能协会已制定出2 0 2 0 年欧洲风 能装机容量1 0 x 1 0 5 m w 的目标，并写入了欧共体关于可再生能源的白皮书；与此 同时，欧洲风能委员会( e w e a ) 对1 9 9 1 年欧洲风能发展目标作了修改，新的发展目 华北电力大学硕士学位论文 标是：欧洲风力发电机装机容量到2 0 0 0 年约为8 0 0 0 m w ，2 0 1 0 年为1 0 0 ，0 0 0 m w 。 欧洲风能协会和丹麦能源与发展论坛的研究报告表明：在2 0 年内风力发电可以满足 世界电力需求量的1 0 t 3 1 。 我国是一个风能资源丰富的国家，据资料统计，全球可利用风能2 x 1 0 1 0 k w ， 我国大陆地区风能储量2 5 3 0 x 1 0 5 k w ，海上风能储量6 x 1 0 8 k w 。风能是我国目前最 有开发利用前景的一种新能源，取之不尽、用之不竭。展望未来随着风电机组制造 成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，必将使风力发电技术 极具竞争力，因此发展前景将是十分巨大的。 1 1 2 风力发电技术 风力发电技术是一门集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合 性学科。我国有丰富的风能资源，因此风力发电具有广阔的发展前景，风能利用必 将为我国的环保事业、能源结构的调整，减少对进口能源依赖做出巨大的贡献。 风力发电是利用风能来发电，风力发电机组是将风能转化为电能的机械装置。 风力机是风力发电机组的捕获风能部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气 动力特性，在气流作用下能依靠空气动力使风轮旋转，将风能转化为机械能，再通 过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化为电斛4 1 。 风力发电机组中的风力机和发电机是关键部件。风力机的型式可以分为两类： 水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直与地 面或者气流方向。 风力发电机组中配备不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配 合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的风力发电系统。较早时期的小容量风 力发电装置一般采用小型直流发电机，与蓄电池储能装置配合使用。在结构上分为 永磁式和电磁式两种类型。由于直流电机在结构上和维护上存在的固有缺陷，目前 已经很少使用了。现在风力发电机组中所采用的发电机主要有两种：同步发电机和 异步发电机。目前主要使用双馈异步发电机，实现并网运行。 风力发电的运行方式主要有两类：一类是独立运行供电系统，一般在电网未能 覆盖的偏远地区，用小型风力发电机为蓄电池充电，再通过整流、逆变转化为交流 电向终端用户供电，单机容量一般为1 0 0 w 一1 0 k w ；或采用中型风力发电机与柴 油发电机与太阳光电池组合成混合发电系统，容量一般为1 0 k w - - 2 0 0 k w ，可解决 小社区的用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，并网风力发 电是大规模利用风能资源最经济的方式。目前机组单机容量范围在2 0 0 k w - - 5 m w 之间，即可单独并网，又可由多台、甚至成百上千台并网，多数安装在风力资源好 华北电力大学硕士学位论文 的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，构成风电场【5 】。 1 2 国内外变速恒频风力发电机组的研究现状 1 2 1 风电机组的现状和发展趋势 目前世界上有多种型号的大型风电机组生产厂商，大体可分为四种类型：第一 种为双绕组定桨距恒速机型，以b o u n s l ，b o u n s 2 ，n o r d e x 6 0 和n o r d e x 6 6 为代表；第 二种为变滑差变速机型，主要代表机型有v e s t a sv 6 3 、v e s t a sv 6 6 、v e s t a sv 8 0 ：第 三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变距运行的机型，主要代表机型有 d e w i n d 公司的d e w i n dd 4 ，d 6 ，d 8 、t a c k e 公司的t w 二1 5 , t w - 2 0 风力发电机组和 n o r d e x 8 0 ：还有一种类型是采用直接驱动的永磁发电机，通过交一直一交功率变换器 向电网输电，如德国e n e r c o ne 6 6 ，意大利g a m m a6 0 型、1 5 m w 大型风电机组等。 当前国外大型风电机组的发展趋势是单机容量越来越大，机组运行越来越可靠，而 维护量越来越d , t 们。 我国对现代风力机的研究工作始于八十年代。从“六五一开始，国家将风能的 开发利用列入科技攻关计划。在“六五 、“七五一、“八五一和“九五 期间， 国家计委和国家科委分别组织了综合性风能科技攻关，内容涉及风力资源、风力机 空气动力学、结构动力学、电机、控制和材料等。在风电机组的开发研究中，我国 自行研制出了2 0 k w ，3 0 k w ，5 5 k w ，7 5 k w ，1 2 0 k w ，2 0 0 k w 和6 0 0 k w 风电机组。 我国早在8 0 年代中期就进行了变速恒频双馈风力发电机的研制，其中由沈阳工业大 学研制的f d l 2 - 1 5 变速恒频风力发电机组通过了辽宁省科委的鉴定，但与国外技术 发展水平相比单机容量较小。目前国内风电场的主导机型基本上都为引进的国外机 组，主要是定桨距失速或变桨距主动失速机组，兆瓦级变速恒频风电机组属于空 白。而且国内大型风电机组生产厂家基本都是合资公司，我国还没有完全掌握风电 机组的关键部件生产技术和核心控制技术。当前我国风电机组的生产和研制水平同 国外相比还有一定差距，需要迎头赶上【7 1 。 1 2 2 变速恒频风力发电机组 随着风力发电技术的发展和单机容量的扩大，在不久的将来大量变速恒频风电 机组的并网必将对传统电力系统产生巨大的影响。因此，迫切需要建立能够参与整 个系统仿真计算的各类型风电机组的动态模型。在这方面，国外学者进行了较深入 的研究，取得了一些成果。目前在有关的变速恒频风电机组动态模型分析的文献 中，采用的研究方法是分隔法，即将风电机组按照能量传递和转换顺序分成若干部 华北电力大学硕士学位论文 分，分别进行建模后再进行综合。一般将风电机组动态模型分成风速模型、风力机 模型、齿轮箱、发电机与变频器、风力机转速控制部分、桨距角控制部分、发电机 电压控制部分、发电机变频电流保护等几个部分【引。分别进行建模，再根据能量转 化关系进行综合，进行变速恒频风电机组的动态模型仿真。由于发电机形式多样， 所采用的发电机动态模型也各不相同。 目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。有的是发电机与电力电子装置 相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。它们有 各自的特点，适用于各种不同的场合【9 】。 ( 1 ) 交一直一交风力发电系统 这种系统中的变速恒频是在发电机的定子电路实现的。由于风速的不断变化， 风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式 整流器整流成直流电，再通过逆变器变换为与电网频率、幅值、相位相同的电压 后，再输入电网。此时，变频器的容量与发电机的容量大小相同。系统在并网时没 有电流冲击，对系统几乎没影响；同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器， 虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。此系统中可以采用的发电机有绕线 式同步发电机、鼠笼型异步发电机、永磁发电机。l a g e r w e y 公司与a b b 合作推出 了兆瓦级直驱低速永磁发电机的变速恒频风电系统。这种方案结构简单、系统可靠 性高，但发电机体积大、成本高、制造技术不成熟、虽然属于大型变速恒频风电机 组发展的一种趋势，但最终是否成为主流机组还有待于观察【l o 】。 ( 2 ) 双馈异步发电机系统 双馈异步发电机系统又称交流励磁发电机系统，采用三相绕线式异步发电机作 为发电机，转子电路带有整流和逆变装置、励磁电路的调节环节，是目前商用变速 定子侧 图卜1 双馈异步发电机系统结构 恒频风力发电机组采用的主要技术。励磁调速系统通过其电机转子绕组和功率变换 4 华北电力大学硕士学位论文 器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到发电机 轴或者电网，是各种传动系统中效率比较高的。如图1 - 1 所示。优点：转子侧只处 理转差能量，降低了逆变器的价格，因为逆变器的额定值通常为最大功率输出的 3 3 ，而发电机转速可以扩展到同步速的5 0 左右。滤波器大概需要2 5 的额定容 量，双馈电机的变换器的谐波含量只占整个系统的一小部分。无功控制可以用低成 本的变换器实现，因为双馈电机本质上是同步电机，所以可以调节双馈电机吸收的 无功功率i l 。 缺点：双馈异步电机转子带有滑环和电刷，需要经常维护和检修，这在一定程 度上降低了系统的可靠性。这种系统是目前针对大功率发电机系统研究的热点之 一，国际上已经出现了姗级绕线式双馈调速风力发电机系统。国内在此方向上还比 较落后，正期待具有此项技术的自主知识产权的产业化成果。 ( 3 ) 无刷双馈发电机系统 系统结构原理图如图1 - 2 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两 套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接入电网；另一个称为控制绕组，通 过双向变频器接入电网。转子为笼型结构，无需滑环和电刷，转子的极对数应为定 子两个绕组极对数之和【1 2 1 。 功率绕组 双向 变频器 电网 图卜2 无刷双馈发电机系统 这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双 馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的 区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频发电。对于无刷双馈发电机，有 无= ( p p + p 。) 厶 ( 卜1 ) 式中，无功率绕组电流频率同电网频率； 华北电力大学硕士学位论文 疋控制绕组电流频率； p 。功率绕组极对数； 凡控制绕组极对数。 超同步时，式( 卜1 ) 取“+ 一；亚同步时，取“一。当发电机的转速r l 变化 时，即厶变化时，若控制无相应变化，可使厶保持恒定不变，即与电网频率保持 一致，也就实现了变速恒频。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但通过定子控制绕组的功率 仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率 的p 。( p p + p 。) ，因此图中所示的双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部 分。 这种风力发电系统与上面介绍的绕线式双馈发电系统有同样的优点，而且实现 了无刷结构，易维护。缺点是定子侧设计复杂。这种系统是目前研究的热点之一， 还没有实际应用的实例，国内的无刷双馈电机的设计还停留在理论研究阶段【1 3 】。 ( 4 ) 开关磁阻发电机系统 开关磁阻式发电系统以开关磁阻发电机为机电能量的转换核心，开关磁阻发电 机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既 无绕组也无磁体，故机械结构简坚固，可靠性高。此外，由于风力机的电磁特性有 其自身的特点，为了使风能捕获的效果更佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能 够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上。开关 磁阻发电机没有独立的励磁绕组。而是与集中嵌放的定子电枢合二为一。并通过控 制器分时控制实现励磁与发电，简化了控制系统结构，提高了可靠性。同时发电机 相绕组问无电磁耦合，容错能力大大增强。 ( 5 ) 永磁发电机变速恒频风力发电系统 该系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电 机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也 是在定子电路实现的，把永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的 交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同【1 4 】。 采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱 动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性，尽管由于直接耦合，永磁 发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱， 使整个系统的成本还是降低了。 综上所述，在这么多的风力发电方案中，交流励磁双馈型变速恒频风力发电方 6 华北电力大学硕士学位论文 案是目前风力发电系统中的首选方案，本文将重点研究这种方案。 1 3 论文的主要内容 风力发电系统是一个复杂的系统工程，包括的环节很多，如风速风向检测、偏 航控制、刹车控制、并网控制等。为突出重点，本论文从分析变速恒频风力发电技 术的运行机理入手，建立几个主要组成部分的数学和仿真模型，对变速恒频风力发 电机组展开较全面的理论分析、仿真和控制策略研究。本文主要做以下几方面的工 作： 1 、研究风力发电系统的基础理论和变速恒频控制技术，探讨风力机风能捕获 的能量转化关系，对风力发电系统做理论分析； 2 、建立风速和风力机的数学模型，分析双馈异步发电机运行特性，推导出两 相同步坐标下的数学模型的基本方程，给出稳态运行等效电路图、矢量图，明确功 率在双馈发电机中的能量流动平衡关系。在m a t l a b 下建立了变速恒频风力发电机组 的仿真模型； 3 、通过恒定风速、阵风风速下的风电机组仿真分析，对风力发电机组的动态 特性做进一步研究，仿真结果表明双馈型风力发电机组具有优越的性能； 4 、根据风力发电机组的控制过程来研究桨距角的控制系统和最大捕获风能的 控制策略。 1 4 本章小结 本章主要回顾了风力发电系统的的现状和发展趋势，对我国风能资源的评估、 风力发电事业发展目标的基础研究。简要介绍了变速恒频风力发电机组的构成、种 类及国内外变速恒频风力发电技术的研究状况。分析了国内外课题的研究现状，明 确了课题的研究内容及意义。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章风力发电系统的理论分析 从能量转换的角度看，风力发电系统由两大部分组成。其一是风力机，将风能 转化为机械能；其二是双馈异步发电机，将机械能转化为电能。为了提高风能转化 为频率、电压恒定的交流电能的效率，本文在前人研究的基础上，进一步深入分析 和研究风力机的空气动力学特性和变速恒频控制技术，从而得到风力发电系统能量 转换的关系，为风力发电机组的仿真模型和控制策略研究奠定理论基础。 2 1 风力机的空气动力特性 风力发电系统的利用效率可以用风力机捕获风能的利用系数c 。来表示。风能 利用系数是风力机吸收的机械能与通过风轮机旋转面的全部风能的比例【l5 1 。对于 变速风力发电系统来说，风力机吸收的机械能直接转化为电能或者暂时转变为桨叶 的动能，以动能的形式存储在风轮当中，然后被转变成电能。所以风能利用系数直 接反映风力发电系统对风能的利用率。如何在变化的风速当中保持最高的风能利用 系数是变速风力发电系统控制的目标之一。 文献 1 6 】从空气动力学原理方面推导了风力机的数学方程。空气气流模型如 下，空气密度为p 的气流以速度m 流过面积为s 的区域，该气流在一定距离内通过 扫风面积为s 的叶片时速度变为y ，在经过风轮叶片后，该气流的截面积变为& ， 速度变为v 2 。 图2 - 1 空气气流模型 通过风力机旋转面的空气所蕴含的动能为： -,jr p = 三p a v 3 = 二p d 2 y 3 ( 2 1 ) 28 风力机从风中捕获的机械能量是空气动能的一部分。风力机的机械输出功率如 公式( 2 - 1 ) 所示： 肚三c p = 詈加2 矿q ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中，p 空气密度；d 卜一风轮直径；v 二一风速。 华北电力大学硕士学位论文 风能利用系数反映风力机捕获风能效率的高低，贝兹( b c t z ) 极限【1 刀证明了理想风力机的 最大风能利用效率c ，。= 万1 6 岛o 5 9 3 。实际应用当中达不到最大值，一般在0 3 5 - 0 4 5 。对 于变桨距风轮机来说，影响风能利用系数的有两个主要因素：1 风力机叶片的叶尖速比名 ( 风轮机叶片尖端的旋转线速度与风速的比值) ；2 叶片的桨距角( 叶片的翼弦与水平 面的夹角) ，如图2 - 2 。 图2 - 2 桨距角 双馈调速风力发电机系统采用变桨距的结构，在高风速时依靠调节桨距角大小 来限制风轮吸收的能量，在风速过高的时候进入顺桨状态保护风力机不被损害。所 以，在正常工作情况下如何使桨距和叶尖速比有效配合达到最佳工作点是必须研究 的问题。依靠调节桨距减少力矩脉动，在风机的运行过程当中起主要作用。 风能利用系数c 。和叶尖速比名在固定的桨距下的关系曲线已经被广泛引用 【l 引。如图2 3 ，它显示在固定的桨距下，不论风速大小只要保持固定的叶尖速比， 风轮机将达到最大的风能利用系数。 图2 - 3 固定桨距下的c ，与见关系 也就是说，如果随着风速的变化电机转速按照和风速成比例的速度运行将得到 最大的能量。然而风能利用系数对桨距和叶尖速比的二者相结合的关系还没有具体 的推导，在文献1 9 1 当中，c h c d i d r 为了得到c ，( ，a ) 曲线采用了一组离散的在不同 桨距角下的c ，一兄曲线，利用神经元网络自学 - j 系统得到了连续变化卢下的 9 华北电力大学硕士学位论文 c p ( ，五) 曲线。变速运行的风力机，使风力机在叶尖速比a 恒定的情况下运转，从而 使c p 在很大的风速变化范围内均能保持最大值，提高效率。 2 1 1 风能利用系数的推导 从空气动力学角度分析建立函数，如图2 - 4 所示： 图2 - 4 平板在空气中受到的空气动力 在流动空气中物体受力平面与气流方向夹角设为口，称为攻角。合力f 为平板 在流动空气中所受到的空气动力，其方向垂直于板面。此力分解为两个分力：一个 分力f ，与气流方向垂直，它使平板上升，称为升力；另一个分力e 与气流方向相 同，称为阻力。升力和阻力与叶片在气流方向的投影面积s ，空气密度p 以及气流 速度v 的平方成正比，这里我们只对升力感兴趣，公式如下： 1 e = 去c ，筇y 2 ( 2 3 ) 二 ( 2 3 ) 式中，c 。一升力系数。 对于流线型翼型中c 。与攻角口的关系大体如图2 - 5 ： jl c y 厂 - 图2 - 5 翼型升力曲线 l o 华北电力大学硕士学位论文 风轮在启动后以某一速度旋转时叶片的受力情况有所改变，这时相对于叶片上 叶尖的气流速度将是垂直于风轮旋转面的气流速度v 与该叶片的旋转线速度q 的 矢量和国，而且这时的攻角已经不是v 与翼弦的夹角，而是缈与翼弦的夹角口。 如图2 6 所示，桨距角是翼弦与水平面夹角。 面 图2 - 6 旋转桨叶在风中的受力 将风轮所受升力代入式( 2 3 ) 得 c = j 1 勺厣s 咄一a r c t a n 等) ( 群+ v 2 ) ( 2 4 ) ( 2 - 4 ) 式中，s 一翼弦的截面积。 升力功率为ex o ) ，这一功率与空气中所蕴涵的能量寺彳p 矿3 ( a 为风轮机的截 面积) 的比例反映了q 的大小，所以c ，与l 成正比，可表示为如下公式： 三a p v 3 2 c p = 三胪y s s i n ( 一a r c t a n a ) ( r “) ；( 一a r c t a n _ o 且0 詈) ( 2 - 5 ) 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。如果风能利用系数对应叶尖速和桨距角都呈现凸函数，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【2 0 l ： 勺= - i 6 x 2 + 1 9 x + o 0 2 ( 2 6 ) 其中，工= 一a r c t a n 名 c 。曲线如图2 7 所示。 华北z b 力大学硕1 学位论文 图27 风能利用系数桨距角和叶尖速比的关系 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 的功率曲线以及系统对风的震荡的响应能力。对一台实际的风力机，风力机的机械 输出功率可用下式表示i1 1 1 ： 只= ；脚r3 c ，! ；删r 3 05 9(2-7) p ( z ) = 一二o _ ( 2 _ 8 ) r 死o 其中：p空气密度( k g m 3 ) ，空气密度p 随海拔高度的变化而变化， 平均值取i2 2 5 k g m 3 ： v 上游m 速( m s ) ； a 风轮的扫风面积； 只一标准海平面空气压力( k g m 3 ) ； r 空气的气体常数( j k ) ： t 温度( k ) ； g 重力常数( m s 2 ) ； z 一海拔高度。 21 2 风力机的特性系数 讨论风力机的能量转换与控制时，以f 特性系数i ”1 具自特别莺要的意义。 1 风能利用系数c 。媳力机从自然胍 吸收能量的、小程度竹1 地能利用系数c 表示，其值为： 风能利用系数印 华北电力大学硕士学位论文 q = 亡 ( 2 - 9 ) 去3 s 式中，p 为风力机实际获得机械输出功率( w ) ，p 为空气密度( k g m 3 ) ，s 为 风轮的扫风面积( m 2 ) 。 2叶尖速比元。为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风 速之比来衡量，称为叶尖速比z 。 名= 孕= 可o ) r ( 2 - 1 0 )，y 式中1 1 为风轮的转速( r s ) ，彩为风轮角频率( r a d s ) ，r 为风轮半径( m ) 。 3 转矩系数q 和推力系数o 。为了便于把气流作用下风力机所产生的转矩和推 力进行比较，常以五为变量做成转矩和推力的变化曲线。推导公式如下： q 2 甄t 2 淼 一o v 甚k r c f 去p v s2 蔫 力 i 广。 式中t 为转矩( n m ) ；( 2 1 2 ) f 为推力( n ) 。 2 2 风力机的功率调节方式 2 2 1 定桨距失速调节 这是传统的丹麦风电技术的核心，一般用于恒速运行。其基本原理是桨叶与 轮毂固定连接，桨距角不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这 一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须要解决的问题。一是当风速高于额定 风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风轮上所有材料的物 理性能是有限度的。桨叶的这一特性称为失速特性。二是运行中的风力发电机组在 突然失去电网( 突甩负载) 的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机 组能够在大风情况下安全停机。为解决上述问题，制造商们研究出利用桨叶翼型本 身失速特性，在高于额定风速条件下，气流的功角增到失速条件，使桨叶的表面产 生紊流，效率降低，达到限制功率的目的技术。该方式控制调节、简单可靠，但叶 片重，结构复杂，成型工艺难度较大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力增加，机组的 整体效率较低【2 3 1 。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 变桨距调节 变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出 功率平衡的特点。变桨距风力发电机组不完全依靠叶片的气动性能，还可根据风速 变化调节风轮叶片的桨距角，达到有效调节机组的效果。主要目的是改善风力机的 起动性能和功率输出特性。主要调节方法为：发电机起动时，通过调节桨距角，对 转速进行控制；并网后对功率进行控制，当输出功率小于额定功率时，桨距角等于 零，不作任何调节；当输出功率大于额定功率时，调节桨距角，以减小功角，使输 出功率保持在额定值。优点是桨叶受力较小，可做得比较轻巧，减少了材料，降低 了整机重量；桨距角调节增加了功率输出，提高了运行性能但变桨距调节机构增 加了结构的复杂性，使可靠性降低。 2 2 3 主动失速调节 主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合，吸取了被动失速和变桨距 调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。低风速时，采用变桨 距调节，优化机组功率的输出；达到额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节， 将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅 需微调即可维持失速状态；另外调节桨叶可实现气动刹车。其优点是既有失速特 性，又可变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲 击，控制容易，输出功率平稳，执行机构的功率相对较小。 2 3 变速恒频技术 风力机的种类和样式很多，依照风轮的结构及其在气流中的位置大体可分为两 大类：一类为水平轴风力机，一类为垂直轴风力机。风场中多采用水平轴风力机。 风力发电机组的控制技术可以分为两大类：恒速恒频和变速恒频。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，通过其它方法来得到恒定频率的电能【2 5 1 。变速恒频风力发 电系统一般由风力机、传动装置、发电机、变流器等几个主要部分，其风力发电机 组基本构成如下图所示： ( 1 ) 风力机 变速：在额定风速以下时，使风力机转速随风速变化。由发电机电磁转矩调节风 力机的转速； 1 4 华北电力大学硕士学位论文 变桨：完成风力机的启停，在额定至切出风速段调节桨距角咀保持风力机输出功 率恒定，由液压或电动伺服系统来完成桨距调节： 偏航：各种风向、风况下的偏航对风，解缆，一个随动系统，保持机组运行中的 最佳迎风角，由电动伺服系统调桨： 制动、刹车：快速停车有电磁、气动和机械等多种形式。 ( 2 ) 传动机构和双馈发电机 升速齿轮箱：实现低速风力机与高速发电机之u j 的转速匹配； 异步发电：电机转子处于同步转速上、下的定转速范围内，电机都可运行于发 电转态； 双端1 3 馈电：发电机定子绕组直接向电网输出电能，转于绕组经变频器与电网联 结，转子转速低于同步转速时，转子绕组从电网吸收电能，转子转速 高于同步转速时，转子绕组向电刚送出电能邮转于功率双向流动； 交流励磁：转子电流完伞受拧。为发电机提供励磁所需无功电流，并部分参与转 子有功功率交换，转了电压、电流为转差频率，绷经娈频器变频稳 定才能接入电网。 3 ) 变流器 拓扑结构 控制方_ r i = 交直交电胜型变流器，由两个共用直流环节的背靠背三相整流逆变 器组成，实现变频、变压和功率的取向流动： 发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制，电网侧变频器采用电网 电压定向矢量控制。通过二者之问的协调控制，保持直流母线电压恒 定。可实现发电机有功、无功之c 白j 的解耦控制； ltu 日芷 华北电力大学硕士学位论文 电压调节：空间电压矢量正弦型脉宽调制。 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力机叶片传递给主轴、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【2 5 1 。 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。 间少机械应力：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高 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，使风力机内部能量传输 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 实现稳定向电网提供电能。 变速恒频( v s c f ) 风力发电系统主要由风力机、传动装置齿轮箱、双馈发电机 和变频控制器组成，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交一直一 交变频器或交交变频器供电。当发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕 组的电流或电压，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的