（机械设计及理论专业论文）风力发电机系统动力特性仿真研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 风力发电机组是风力发电的主要装置，它的研究和开发是风电技术的核心。 风力发电机由风轮、传动系统、发电机、支承装置、迎风机构、安全装置和控制 系统等组成。其中，水平轴风轮叶片作为弹性体在运行中由于气动力、弹性力和 惯性力的藕合作用而引起的不稳定振动，常常是导致风机结构破坏的重要原因之 一。因此，叶片的气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。 本文以国内某风机生产厂家的某型号风力机为研究对象，从质量、刚度以及 气动特性的角度出发，研究风机叶片振动中的气动弹性响应问题，进而确定影响 风机叶片气动弹性稳定性的物理因素和关键参数。 本文的主要研究内容有： 利用动态入流理论在a d a m s 软件中编写p c l 程序对风轮分析所需要的载荷 进行计算。 建立叶片几何模型进行振动特性分析，并对其进行合理的简化，进行振动 特性分析，以证明简化模型的可用性。 在风轮模型基础上，建立风机模型的柔性动力学模型。风机模型由风轮、 机舱和塔架等关键部件组成。其中，风轮、塔架的采用柔性体模型，对振动影响 不大的机舱等部件采用刚性体模型。 利用所建立的动力学模型和计算的载荷，在风机系统下，对叶片的气弹耦 合进行计算，并把计算结果和b l a d e d 的计算结果进行对比，验证了该模型在风力 发电机整体设计中的正确性。 本文的研究对风力发电机叶片设计和分析提供了一种可靠的方法，进而推动 风机叶片的国产化进程。 关键词：风力发电，柔性多体动力学，虚拟样机，动态入流，气弹耦合 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i n dt u r b i n ei sam a i n 酬h n e n t o f w h i c ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e u ta r e 也e c o r e so f w i n de l e c t r i c i t yt e c h n o l o g y w i n dt u r b i n ei sc o m p o s e do f t h ew i n dw h e e l ，t h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h eg e n e r a t o r , t h es u p p o r t i n gs e t , t h es a f e t yd e v i c ea n dt h ec o n t r o l s y s t e m a m o n gt h e m ，t h eb l a d eo ft h eh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n ei sr e g a r d e da st h e e l a s t o m e r ，w h i c hh a sb r o u g h tt h eo s c i l l a t i o nu n s t a b l ya sar e s u l to ft h ea e r o d y n a m i c f o r c e , t h ee l a s t i cf o r c ea n dt h ef o r c eo fi n e r t i ac o u p l e , w h i c hi sg a n s eo ft h ef a i l u r eo f t h es t r u c t u r e t h e r e f o r e ，t h ea e l o e l a s t i c i t ys t a b i l i t yp r o b l e mo f b l a d ea l w a y si st h eh o t t o p i cb ym o r ea n dm o r ep e o p l er e s e a r c h i n g t h i sa r t i c l et a k e ss o m et y p ew i n dt u r b i n eo ft h eh o m es o m em a n u f a c t u r e ra st h e o b j e c to fs t u d y f r o mt h eq u a l i t y , t h er i g i d i t ya sw e l la st h ea e r o d y n a m i cp r o p e r t i e s ， t h ea e r o e l a s t i c i t yr e s p o n s eq u e s t i o no fb l a d ev i b r a t i o nh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h e e s s e n t i a lf a c t o ra n dp a r a m e t e ro f t h eb l a d ea e r o e l a s t i c i t yh a v eb e e nf o u n do u t t h em a i nc o n t e n t sa r e t h ef o l l o w i n gi nt h ea r t i c l e ： o b a s e do nt h er e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o nt ot h eb l a d eg e o m e t r ym o d e l ，t h es i m p l e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew i n dw h e e ls y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t op r o v et h e u s a b i l i t yo f t h ew i n dw h e e lm o d e l ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i si sc a r r i e do n ， ( 多w i mt h ed y n a m i ci n w a r df l o wt h e o r y , t h el o a d sw h i c hh a v eb e e nn e e d e dt ot h e w i n dw h e e l a n a l y s i sa r ec o m p u t e d t h el o a d so f a i ra n dg e n e r a t o ra r ec a l c u l a t e d i nt h ew i n dw h e e lm o d e lf o u n d a t i o n , t h ef l e x i b l ed y n a m i c sm o d e lo fw i n d t u r b i n eh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h em o d e lc o n t a i n st h ew i n dw h e e l ，t h en a c e l l ea n dt h e t o w e ra n ds oo n 1 h ew i n dw h e e la n dt o w e ra r er e g a r d e da st h ef l e x i b l eb o d i e s a n dt h e n a c e l l ei sr e g a r d e da st h en # d b o d y ( j ) u s i n gd y n a m i c sm o d e la n dc o m p u t a t i o nl o a dw h i c hh a v eb e e ne s t a b l i s h e di n p a p e r , i nw i n dt u r b i n es y s t e m ，t h ec o m p u t a t i o no f t h ea c r e - e l a s t i c i t yc o u p l i n gi sc a r r i e d o n ，a n dc o n t r a s t sw i t ht h er e s u l tc o m p u t e db yb l a d e d , w h i c hh a sc o n f i r m e dt h e a c c u r a c yo f t h i sm o d e ld e s i g n t h i sa r t i c l er e s e a r c hh a sp r o v i d e do n er e l i a b l em e t h o dt ot h eb l a d ed e s i g na n d a n a l y s i so f w i n dt u r b i n e ，w h i c hi m p e t u sm a n u f a c t u r ed o m e s t i c a l l ya d v a n c e m e n t k e y w o r d s ：w i n dp o w e r , f l e x i b l em u l t i - b o d yd y n a m i c , v i r m a lp r o t o t y p e ，d y 姐m i e i n f l o w , a e r o d y n a m i cd a m p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废盔堂 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谢意。 学位论文作者签名：研令旨签字日期：扩。年妇浙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 一躲妒： 签字日期：山川年期畅佰 签字日期：计夕月砣貊 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景 随着社会经济的迅猛发展，人类对能量的需求特别是对电能的需求飞速的增 长。目前，人类所利用的电能8 0 以上是由矿物燃料提供的，但是矿物燃料能源 毕竟是有限的。所以在经济增长的同时，必然要带来一系列的问题：如世界能源 日益短缺、地球资源趋于枯竭、生态环境的严重破坏而这些问题能否得到很 好的解决关系着人类的未来，新能源的研究和开发正受到越来越多国家的重视。 风能作为一种方便、洁净和安全的可再生能源有待于我们加大开发和利用。 风力发电在多种利用可再生能源技术中是目前最成熟的一种利用方式。现代 并网型风力发电机组的发展是几十年来采用最高新技术的结果：自从1 9 8 1 年建成 第一台采用高新技术的风力发电机以来，发电成本有了大幅的下降，向电网供电 的大规模风力发电场得到了迅速的发展。国外风力发电机组已经大量商品化生产， 其使用故障率由8 0 年代初的超过5 0 降低到现在的不到2 。人们对风电场中运 行的全部机组实现了互联网络的中央控制和跨地区的远程控制。近年来，随着 m w 级的机组广泛的推向市场，风力发电设备向着大型化的方向发展。风力发电 机组的研究与制造以欧洲国家最具代表性，如丹麦、德国、荷兰和比利时等国家， 其中丹麦的生产和销售量居世界第一，德国的技术和规模发展的速度最快。从应 用和管理的角度看，美国是全世界风电装机容量和发电量最大的国家。风力发电 发展由两个明显的趋势：第一、单机容量的大型化，目前德国已经开发出5 兆瓦 的风力发电机组；第二、风力发电应用的规模化，建立大型的风力发电场，以降 低风电的成本。1 9 8 0 年世界风力发电装机容量为4 m w ，1 9 8 5 年达到了6 9 4 m w ， 到2 0 0 0 年已经达到了1 8 0 0 0 m w 。据专家预测，到2 0 1 0 年风力发电量将在一些 重视风电的发达国家的发电总量中占相当大的比重，其中德国约8 、荷兰1 0 、 瑞士1 2 风力发电在经济发展中的作用也就越来越大。 我国有丰富的风能资源，可以开发利用的风能约在2 5 亿k w 以上，今年来 已经建成2 6 处风力发电场。1 9 9 4 年并网的风电机组装机总容量为3 0 m w ，年发 电量7 5 0 0 万k 、孙，到2 0 0 0 年底，并网风电机装机总容量已经达到3 4 4 m w ，年 发电量约为8 6 亿k w h ，同时还有1 3 万台小型独立运行的风力发电机在广大的 牧区、海岛等边远地区运行。风力发电作为我过电力结构中新型分布式供电系统， 以其灵活、实用的方式为经济发展注入了活力，已经取得了很大的经济效益和客 观的社会效益。 为满足对可持续新能源，尤其是对风电发展越来越高的要求，“十五”期间， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 我国新增风电1 1 9 2 m w 。其中达坂城及阿拉山口地区新增9 8 7 m w ，内蒙古辉腾 锡勒及赤峰地区新增1 3 8 5 m w ，吉林通榆地区新增9 2 8 m w ，黑龙江富锦及木兰 地区新增6 1 8 m w ，河北张北、黄骅及承德地区新增9 1 8 m w ，江苏如东和启东 地区新增9 0 m w ，辽宁营口、大连、沈阳等地新增9 7 6 m w ，广东南澳、惠来和 港江等地新增9 0 4 m w ，上海崇明和南汇等地新增8 0 m w ，其余省份“十五”期 间合计新增3 5 0 4 m w 。 今后，风力发电发展重点是：一是新建设1 0 0 m w 风电场约3 5 座( 包括海上 风电场) ，并取得规模效益；二是鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电 力企业或非电力企业开发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上网电价也较易 分摊，更需加快速度开发风电。 1 2 风电技术的研究和发展现状 早在2 0 世纪7 0 年代，美国和欧洲就开始研制兆瓦级风力发电机组，如美国 的m o d 一5 b 风力发电机组，风轮直径9 7 5 4 m ，在1 3 4 m s 风速下输出功率 3 2 m w ，由于当时技术的原因，兆瓦级风力发电机组未能商品化生产。到了二十 世纪8 0 年代，欧洲又开始投入兆瓦级风力发电机组的开发，其中丹麦的2 m w e l s a m 风力发电机组和英国的1 m w h o w d e n 风力发电机组正式投入商业运行。成 功的原因之一是风能技术的进步和吸取了许多中型风力发电机组成功的经验。到 了二十世纪9 0 年代，兆瓦级风力发电机组得到了进一步的发展，荷兰、德国、丹 麦、瑞典、意大利、英国都先后研制成功了1 4 m w 的风力发电机组，其中最大 的是德国e n e r c o n 公司研制的e 一1 1 2 风力发电机组，风轮直径1 1 2 m ，额定输出 功率4 5 m w 。现有许多种型号的大型风电机组在商业化的运行，大体上可分为四 种类型：第一种为双绕组定桨矩恒速机型，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 c s t a sv 6 3 、v e s t a s v 6 6 、v e s t a sv s 0 ；第三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变矩运行的 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 - - 1 5 、1 w 一2 0 风电机组和n o r d e x 8 0 。再有一种类型风电机组类型就是采用直 接驱动的永磁电机，通过交直交功率变换系统送电。如德国的e n e r c o n e 6 6 ，意大利g a m m a6 0 型风电机组等。目前国外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，而运行成本越来越低。 我国对现代风力发电机的研究工作开始于8 0 年代。从“六五”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”、“八五”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 力发电机空气动力学、结构动力学、电机、控制和材料等。我国早在8 0 年代中期 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 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通过了辽宁省科委的坚定，但是与国外的技术发展水平相 比单机容量较小。目前国内风电场的主导机型基本上都是引进的国外机组，主要 有丹麦( 占7 0 7 ) 、德国( 占1 2 8 ) 、美国( 占6 9 ) 西班牙( 占5 ) 、荷兰 ( 占0 7 ) ，机型主要是定桨矩失速或变桨矩主动失速机组，兆瓦级变速恒频机 组属于空白。而且国内大型风电机组生产厂家都是合资公司，我们还没有完全掌 握风电机组的关键部件的生产技术和核心控制技术，我们与国外先进水平相比还 由很大的差距，需要更多的风力人的不懈努力。 1 3 风力发电机结构动力学得发展与现状 大型风力发电机动力学分析是一个涉及多个方面因素的综合性问题。目前进 行其运动学和动力学形态分析的方法，主要是用多刚体动力学方法分析叶片挥舞 和塔架前后弯曲的耦合振动等问题；用有限元方法或假设模态方法，分析部分结 构如叶片、塔架和传动轴等的动力特性或力学响应。这种方法没有考虑风力发电 机各构件的空间运动与其弹性变形的互相耦合及其对风力发电机整机运动形态的 影响。现代大型风力发电机随着叶片和塔架柔性的逐渐增加，这种运动和变形的 耦合对风力发电机运动形态分析、对系统动力响应分析、气动弹性稳定性分析等 变得越来越重要。p a l u e h 等人利用多体动力学的递推组集建模方法，建立了树状 动力学模型，并对其载荷预测的计算机辅助设计方法进行了研究。h o d g e s 等和 m o l e n a a r 等在利用柔性多体动力学的理论和方法进行风力发电机动力学建模和方 程求解的方法学上进行了探讨。c e s n i k 等引入变分渐近截面分析方法( v a r i a t i o n a l a s y m p t o t i cb e a ms e c t i o n a lm e t h o d ，v a b s 方法) ，结合一维梁单元进行柔性体结构 有限元分析，既获得叶片截面信息，如三心位置、惯性距和截面刚度等，又将三 维问题简化为一维问题处理，降低了分析自由度；同时，通过选择合理的广义速 度，用凯恩方法( k a n e sm e t h o d ) 导出了刚性系统的简洁的动力方程。但h o d g e s 等 研究者的工作仍有不足：选择广义速度需要一定的技巧，风力发电机构型稍有改 变，这种繁杂而又容易出错的工作又得重新做起。 1 4 风力发电机气动弹性问题的研究现状 叶片是风力发电机中的核心，是风力发电机捕捉风能的关键部件，叶片能否 正常工作直接影响着风力发电机组的正常工作。主要有以下一些因素对叶片工作 产生作用：风轮在旋转过程中，当叶片由上方转至下方时受力改变，并且这个现 象不停的发生；风速风况的不稳定因素引起风力发电机叶片振动；叶片在工作中 一般受到较高的离心负荷、气动载荷以及振动的交变载荷等作用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 叶片的振动是其产生破坏的主要原因：振动加速了叶片材料的疲劳，减少了 它们的有效寿命，甚至直接导致叶片的断裂。叶片长期工作在野外条件下，特别 是在各种不断变化风速条件下工作，流体激振是叶片主要振源之一，叶片长期工 作在变工况的状态下。因此，对风力发电机叶片进行振动稳定性分析，不论是对 风力发电机的设计还是对风力发电机的运行都是非常重要的。 风力发电机叶片由于本身的结构和来流特性的影响，在空气动力作用下是否 会出现不稳定的振动，以及是否会形成自激振动的现象，属于气动弹性的范畴。 颤振是气动稳定性的一个重要的内容。影响风力发电机叶片振颤的因素很多，主 要包括风轮叶片的结构参数、来流特性叶片受到的气动载荷。这些因素耦合作用 就产生颤振，这种颤振是叶片的自激振动。当弹性体在流场作用下产生变形或运 动，而弹性体的变形或运动又反过来影响到流场，从而改变了流场作用在弹性体 表面的载荷的大小和分布情况。这种由流体诱发的振动问题，要从结构动力学与 流体动力学两方面来展开研究。叶片颤振机理不单纯是流体力学的问题，而是气 动弹性问题。颤振分析是涉及风力发电机运行安全性的重要问题，尽管目前的知 识对颤振的作用机理已经有了较多的认识，但是针对具体的风力发电机叶片的实 际现象仍然很难给出很准确的预测。 水平轴风轮桨叶作为弹性体在运行中由于气动力、弹性力和惯性力的耦合作 用而引起的不稳定振动，常常是导致结构破坏的重要原因之一。因此，单桨叶的 气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。叶片气动弹性计算大都采用 类似直升机螺旋翼计算所采用的经典方法，考虑旋转面外的挥舞、面内的振动和 扭转模态的组合。h o u b o l t 和b r o o k s 推导了没有预锥的扭转非均匀桨叶的挥舞一 一扭转自由度耦合微积分运动方程。某些非线性项对气动弹性的影响是很重要的， 国内外研究者根据一定的物理假设对这个复杂的物理问题进行了简化，发展了许 多简化解法和工程计算模型。w e n d e l t 推导了适用于风轮桨叶的气动载荷，用非 耦合的非旋转模态研究了其气动弹性稳定性问题。k o t t a p a u i 等用非耦合的旋转模 态对该问题进行了研究，在计算过程中，忽略了叶片和塔架的耦合效应，对非线 性方程进行了线性化处理，得出了风力发电机叶片的静态响应及其稳定性边界， 与实验结果相比偏于保守。m i l l e r 等用半刚性模型研究风轮的气动弹性稳定性问 题。c h o p r a 和d u g u n d j i 用非线性半刚性模型研究了桨叶气动弹性响应和稳定性问 题。李立本和安玉华建立风力发电机转子叶片的非线性运动方程，采用模态法求 解挥舞、摆振、扭转微分方程并应用了数值结果对风力发电机的气动弹性稳定性 进行了分析。曹人靖、刘冥建立了基于压力表示法的水平轴风力发电机风轮气动 弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型，综合考虑了风力发电机风轮的气 动与结构参数对气动弹性稳定性的影响。 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 5 论文研究的意义和主要内容 研究意义：如前所述，环境和能源是当今全人类面临的两大亟待解决的问题， 开发绿色能源、实行可持续发展的战略是世界各国解决能源问题、优化能源结构 的正确选择。风能是一种普遍的绿色能源，储量巨大，世界各国对此都比较重视。 经过多年的努力，世界风力发电技术越来越成熟，但是我国落后的风电技术和丰 富的风能资源很不相称，国内主要风场的主流风力发电机基本都是引进欧美国家 的。所以加大风电技术的开发研究力度，加速风力发电机的国产化进程迫在眉睫。 本文主要研究内容： 利用动态入流理论，在a d a m s 软件中进行计算程序的开发进行风力发电机 气动载荷的计算。第四章建立的虚拟样机模型载荷还包括电机的反扭矩。 建立风力发电机叶片模型，并对其进行合理的简化，分别计算强度和振动 特性，对结果进行比较证明证明简化模型的正确性，并建立风轮系统的简化模型。 建立风机模型的柔性动力学模型。风机模型由风轮、机舱和塔架等关键部 件组成。其中，风轮、塔架的采用柔性体模型，对振动影响不大的机舱等部件采 用刚性体模型。 利用所建立的动力学模型，在不同的风况下，对叶片的气弹振动进行计算， 并把计算结果和b l a d e d 的计算结果进行对比，验证了该模型在风力发电机整体设 计中的正确性。 5 重庆大学硕士学位论文 2 风力发电机系统载荷 2 风力发电机系统的载荷 2 1 风能资源 风是风力发电机能量获取的来源，由于自然界的风是在不断变化的，因此， 建立的风力发电机模型必须将风力发电机在运行过程中可能会出现的各种风况都 考虑到，这样分析出的结果才能更加可靠、完善。 风能 风能是空气运动的动能，或每秒钟在面积爿上从以速度v 自由流动的气流中 所获得的能量，即获得的功率矾它等于面积、速度、气流动压的乘积，即 形卅阶洋) = 丢矿3 ( 2 1 ) 式中 p 一空气密度( k g m 3 ) ； 肛风能( w ) ； 矿- 来流速度( n l s ) ； 彳一面积( m 2 ) 。 实际上，对于一个地点来说空气密度为常数，当面积一定时，则风速是决定 风能多少的关键因素。 式( 2 1 ) 就是常用的风能公式。 风功率密度是气流垂直通过单位面积( 风轮面积) 的风能。它是表征一个地方 风能资源多少的指标。因此在与风能公式相同的情况下，将风轮面积定为1 平方 米( f = l m 2 ) 时，风能具有的功率为： w = 去p 矿3 ( w m e ) ( 2 2 ) 衡量一地风能大小，要视常年平均风能的多少而定。由于风速是一个随机性很 大的量，必须通过一定长度的观测来了解它的平均状况。因此，在一段时间( 如 一年) 长度内的平均风功率密度可以将上式对时间积分后平均，即： 一一瓢耖廊 眩s ， 式中： 面一平均风能( w ) ； 卜总时数( h ) 。 而当我们知道了在r 时间长度内风速矿的概率分布p ( 功后，平均风功率密度 便可计算出来。 6 重庆大学硕士学位论文2 风力发电机系统载荷 在研究了风速的统计特性后，风速分布政功可以用一定的概率分布型式来拟 合，这样就大大简化了计算的过程。 风功率密度 1 ) 空气密度 从风能公式可知，p 的大小直接关系到风能的多少，特别是在海拔高的地区， 影响更突出。所以，计算一个地点的风功率密度，需要掌握的量是所计算时间区 间下的空气密度和风速。在近地层中，空气密度础量级为1 0 0 ，而风速( 矿) 的 量级为l o 乙1 0 3 。因此，在风能计算中，风速具有决定性的意义。另一方面，由于 我国地形复杂，空气密度的影响也必须要加以考虑。空气密度p 是气压、气温和温 度的函数，其计算公式为 p = 式中： p 一气压( 1 l p a ) ； f 一气温( ) ； 1 2 7 6 ( p o 3 7 8 e ) l + 0 0 0 3 6 6 t1 0 0 0 ( 2 4 ) p 一水汽压( ”a ) 。 2 ) 风速的统计特性 由于风的随机性很大，因此在判断一个地方的风况时，必须依靠各地区风的 统计特性。在风能利用中，反映风的统计特性的一个重要形式是风速的频率分布， 根据长期观察的结果表明，年度风速频率分布曲线最有代表性。为此，应该具有 风速的连续记录，并且资料的长度至少有三年以上的观测记录，一般要求能达到 5 1 0 年。 风速频率分布一般为偏态，要想描述这样一个分布至少要有三个参数，即平均 风速、频率离差系数和偏差系数。 关于风速的分布，国外有过不少的研究，近年来国内也有探讨。风速分布一 般均为正偏态分布，一般说，风力愈大的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移。 这说明风力大的地区，一般大风速所占比例也多。如前所述，由于地理、气候特 点的不同，各种风速所占的比例有所不同。 通常用于拟合风速分布的线型很多，有瑞利分布、对数正态分布、r 分布、双 参数威布尔分布、三参数威布尔分布等，也可用皮尔逊曲线进行拟合。但威布尔 分布双参数曲线，普遍认为适用于风速统计描述的概率密度函数。 威布尔分布是一种单峰的，两参数的分布函数簇。其概率密度函数可表达为 脚矧“斗( 训 眩s ， 7 重庆大学硕士学位论文2 风力发电机系统载荷 式中： k 和c 为威布尔分布的两个参数，k 称作形状参数，c 称作尺度参数。当c = 1 时，称为标准威布尔分布。形状参数k 的改变对分布曲线型式有很大影响。当0 0 3 5 3 9 ，日：一一丝坚二型。 返回步骤2 ，进行迭代，直到精度满足要求。 微元的升力阻力为： d l = 1 2 p w 2 c q ) 毋 d d = i 2 p w 2 c c d ( a ) d r v m 图2 5 翼形剖面上的气动载荷 f i g 2 5p n e u m a t i cl o a d t h es e c t i o no f t h eb l a d e d ( 2 6 0 ) 佗6 1 ) ( 2 6 2 ) f 2 6 3 ) 风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速度情况下的受力分析。在叶片局部剖面上， w 是来流速度v 和局部线速度u 的矢量和。速度w 在叶片局部剖面上产生升力 d l 和阻力d d ，通过把d l 和d d 分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的 轴向推力d f n 和旋转切向力d f t 。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切 向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮。 2 4 动力学模型中的载荷实现方法 本次研究采用在软件中编写p c l 程序的方法，来计算动力学模型的空气载 荷。具体的做法和思路是：首先把叶片分成微段( 为了提高计算速度，这里划分 重庆大学硕士学位论文2 风力发电机系统载荷 成2 5 段) ，每个微段上加载初始值0 ， 叶片的参数和风况作为计算参数， 2 6 所示。 利用动态入流理论计算实时的风载。 由用户作为初始设计参数进行输入，如图 图2 6 计算参数输入对话框 f i g 2 6i n p u td i a l o g - b o xo f t h ep a r a m e t e r 实现方法：首先在叶片上节点处设立m a r k e r 点，其作用相当于空气载荷 计算方法( 2 3 2 ) 中提到的叶片坐标，m a r k e r 点上施加随点运动的初始载荷， 设置循环时间，计算实时气动力，见图2 7 。 i 图2 7 计初始力 f i g 2 7o r i g i n a lf o r c e m a r k e rc r e a t em a r k e r _ n 锄e = m o d e l _ 1 b l a d e d ( e v a l ( ”m a r k r ”饷什1 ) ) & l o c a t i o n = ( e v a l ( i p ) + 0 7 0 + 2 5 ) ，0 ，0 & o r i e n t a t i o n = 1 8 0 ，9 0 ，1 8 0 & 重庆大学硕士学位论文2 风力发电机系统载荷 r e l a t i v e t 0 = m o d e l 一1 b l a d e d f o r c ec r e a t ed i r e c ts i n g l e _ c o m p o n e n t _ f o r c e & s i n g l e _ c o m p o n e n t _ f o r c e _ n a m e = ( e v a l ( ”f o r c w i p + 1 ) ) & a d a m si d = ( e v a l ( i p + 2 8 ) ) 计算加载后的载荷如图2 8 所示。 图2 8 加载后的模型 f i g 2 8t h em o d e la f t e rl o a d e d 2 5 风力发电机负载 把风轮传动系统看作封闭的系统，把发电机扭矩作为风力发电机仿真系统的 负载。风力发电机组采用的发电机有多种形式。根据发电机的转速特性，可以把 发电机分为两类：恒速发电机直接与电网连接，转速由电网频率限制；变速发电 机通过变频装置与电网连接，转速独立于电网频率。( 双速风力发电机本质上可以 看成由两个恒速发电机组成的) 。 2 5 1 恒速发电机 恒速风力发电系统一般比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发电 机和鼠笼型感应发电机。同步发电机运行于由电机极数和频率所决定的同步转速， 感应发电机以稍高于同步速的转速运行。 同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功率，不仅可以并网运 行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。它的缺点是结构和控制系统比 较复杂，并网较困难，成本相对于感应发电机也比较高。因此，恒速风力发电系 统很少采用同步发电机。 感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线型两种。鼠笼型异步发电机 重庆大学硕士学位论文2 风力发电机系统载荷 不需要外加励磁，没有滑环和电刷，结构简单、坚固，基本上不需要维护，因而 在风力发电系统中得到了广泛应用。感应电机既可作为电动机运行，也可作为发 电机运行。当作发电机运行时，其转速巩总是低于同步速形= n 。，w 0 为电 网频率，1 为极对数。这时电机中产生的电磁转矩与转向相同。感应电机高于同 步速时，则电磁转矩的方向与旋转方向相反，电机作为发电机运行，其作用是把 机械功率转变为电功率。发电机的转差率s 为式( 2 4 0 ) ，s