毕设论文初稿

摘 要 随着风力发电技术的不断革新和风电装机规模的不断增加 风电行业的发 展也不断的面临新的挑战 风电场环境的复杂性 风能资源的间歇性以及风况 的多样性对风力发电系统的运行及其控制提出了更高的要求 这就需求我们对 风电机的运行特性有更加深刻的了解 目的在于通过对风力发电机在模拟现实环 境的情况下进行建模与仿真 从而更加准确的把握风电机组的在不同风况下的 有功功率 无功功率出力特性 增强风电机组运行的稳定性与可靠性 使风力 发电技术的发展得到质的飞跃 主要研究了永磁直驱风力发电机组的有功功率 无功功率输出这一重要特 性 通过调整控制参数对变流器有效控制 使得发电机能够在不同风况下能够 最大限度的捕获风能 通过学习和使用 Bladed 软件 对风力发电机进行参数计 算和模拟仿真 得出风电机组的出力特性 最后提出一系列功率优化控制系统 控制策略 主要运用 Bladed 软件对 2MW 永磁同步风电机组进行建模 并使用建成的 模型对风电机在风切变 塔影效应以及不同的风况下的运行进行模拟和仿真 得出风电机组在风切变 塔影效应以及不同风况下的有功无功功率输出特性 更加准确的了解风电机组的出力特性 关键词 风力发电 Bladed 建模仿真 出力特性 永磁同步风力发电 机 ABSTRACT With the rapid development of renewable energy people are using the wind energy in a larger scale However people are also faced with new problems and challenges Because of the difficulty in using wind energy and the various conditions of different wind farms a higher standard is needed for the wind turbine and its controlling Through modeling and dynamic stimulation we can get a more profound understanding of the characteristics of wind turbines As a result we can improve the stability and reliability of wind turbines This article is mainly focused on the research of the active and reactive power of the electrical machinery Through vector control the wind turbine can make the most use of wind energy under different circumstances By modeling and dynamic stimulation based on Bladed we can get characteristics of the wind turbine We use bladed to model and stimulate and great emphasis will be put on the design of vector control Through stimulation in wind shear tower shadow effect and variable wind speeds we can understand the electrical machinery more about the active and reactive power As a result we can understand the wind turbine more thoroughly KEY WORDS wind energy modeling and dynamic stimulation Bladed Output characteristic permanent magnetic synchronous generator 第一章 绪论 1 1课题背景 当代世界经济飞速发展 环境 能源成为人类生存和发展所要解决的紧迫 问题 常规能源以石油 煤 天然气为主 它们不仅储量有限 而且其使用会造 成严重的大气污染和环境破坏 风能在转换成电能的过程中 仅降低了来流气体 的速度 不会给大气造成任何潜在污染 用风能发电可减少常规能源的损耗量 从而降低 的排放量 对维护环境和生态平衡 改善能源结构具有伟大 2 CO 2 SO 意义 因此 开发利用可再生能源 尤其对风能的开发利用显得更为重要 风力发电设备是风电产业的重要组成部分 也是风电产业发展扩张的基础 和保障 随着风电产业的不断发展 风电装机规模的不断增加 风电行业也不 断面临着新的问题和挑战 风能资源的间歇性 风电场的复杂环境以及风况的 多样性对风力发电机的性能提出了更高的要求 这就需要我们对风电机组的出 力特性有更加深入的了解 风力发电机出力特性曲线是风力发电机设计中最重 要的环节 它是评价风能利用率的有效手段 又是设计风力发电机控制系统的基 本依据 设计出风机叶片气动外形之后计算其气动性能曲线 可以作为对设计结 果的评价 反之 气动性能计算结果输出可以作为反馈依据 为修正叶片气动外 形提供参考数据 为了使得风机在各种工况下最大限度地吸收风能 控制系统 主要是指变桨系统 也需要借助风机出力特性功率曲线进行相应的参数设置 计算风力发电机出力性能曲线是以空气动力学为基础的 风电机组的有功功率和无功功率的输出是风力发电机的重要特性 其对风 力发电机组的切出与切入电网有着重要的影响 相对于双馈发电机 1500r min 的额定转速 多级对数的永磁同步电机以 10 r min 25 r min 低速运行 其在 几十米高空中没有高速旋转的部件 省去了齿轮箱等高频率故障元件 发电可 靠性得以有效提升 因此 大型永磁同步风力发电机组具有结构简单 直接驱 动 效率高等优点 直驱式风机在全国风电场中所占的比重越来越高 因此 对于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真分析机组有功与无功出力性 能越来越凸显其重要性 这对风电场的规划 设计提供指导 为电力系统稳定 性 可靠性和动态品质的研究提供帮助 并且能够为各种控制和保护策略的验 证提供支持 1 2国内外发展现状 依据 2014 中国风电发展报告 2013 年全国风电新增装机容量 16089MW 与 2012 年相比增加 3130MW 自 2010 年以来 风电装机数据首次企 稳回升 2013 年全国累计风电装机容量 91413MW 同时 2013 年全国新增风 电并网容量 14490MW 累计并网容量 77160MW 全国风力发电量 134 9TWh 是 继火电 水电之后的第三大电源 到 2013 年底 全国累计核准风电项目容量 137 65 GW 其中 2013 年全国新核准 413 个风电项目 新增核准容量 30 95GW 中国风电仍保持着持续发展的后劲 市场预期良好 随着风电产业的不断 发展 风电装机规模的不断增加 风电行业也不断面临着新的问题和挑战 风 能资源的间歇性 风电场的复杂环境以及风况的与多样性对风力发电机提出了 更高的要求 这就需要我们对风电机的电气特性有更加深入的了解 国外的风力发电技术起步较早 发展较为成熟 国内的产业升级加速了风电 技术的推进 相应标准和设计参考手册的制定标志着国内风电技术进人了高速发 展阶段 英国的 GL Garrad Hassan GH 公司是世界领先的风能咨询公司 它的 业务也包括离岸风电 海洋能和太阳能 GH 公司有 Andrew Garrad 博士和 Unsal Hassan 博士在 1984 年创建并已经在 18 个国家拥有 750 名雇员 公司已 经作为独立工程师为 21 000 MW 的风能项目并实施了超过 80 000 MW 的风能评 估 英国 GH 公司开发的 bladed 软件在风力发电机组的设计及认证过程中的载 荷分析 性能计算结果被德国劳埃船级社 Germanischer Lloyd 认可 现已成为 工业标准软件之一 GH Bladed 软件为用户提供了一个陆上 离岸风机性能和 负载的设计解决方案 Bladed 软件具有基于 Windows 的用户绘图界面以及在线 帮助功能 操作方便简洁 同时其风机设计计算采用的是实际工业标准 1 3本文的主要研究内容 本课题以 2MW 永磁直驱式风电机组为研究对象 对风力发电机的原理 系 统结构和发电机功率输出特性几个方面进行了由浅入深 逐渐递进的理论分析 对 2MW 直驱式风电机组进行建模仿真以及出力特性分析 针对仿真分析结果提 出可行的优化设计方案 得出结论 本文研究的主要内容有 1 对永磁直驱风力发电机组的各个环节进行数学分析 建立风速模型 风 力机模型 机械传动链模型 永磁同步发电机模型 全功率变流器模型 为后面的仿真研究做好准备 2 对 Bladed 软件进行深入的学习 了解和掌握该软件的功能和特点 运 用软件设定在不同风况下以及设置风切变和塔影效应对该模型进行仿真 在 Bladed 软件上设置风电机组的各项参数并通过计算得出机组模型的数据 和曲线 得出在风切变 塔影效应以及设定风况如基本风 渐变风 阵风 等情况下风电机的有功无功功率的出力输出特性 3 分析不同风况下直流电压波动情况 对风电机组的有功无功功率的出力 输出特性进行深入的分析和研究 提出优化控制系统控制策略 提高系统 最大风能捕获能力 改善有功功率与无功功率的输出 优化机组低电压穿 越能力 第二章 风力机理论基础 2 1风能捕获原理 由流体力学可知 气流的动能为 2 2 1 mE 其中 为气体的质量 为气体的速度 m 设单位时间内气流通过截面积为的气体的体积为 则 SV SV 如果以表示空气密度 该体积的空气质量为 SVm 这时气流所具有的动能为 3 2 1 SE 从风能公式可以看出 风能的大小与气流密度和通过风轮的面积成正比 与 气流速度的立方成正比 其中和随地理位置 海拔 地形等因素而变 理论假设风力机是理想的 即具有数量无限多的叶片 没有轮毂 来 Betz 流气体通过风力机时完全没有阻力影响 除此之外 假设来流气体经过整个风 轮的扫掠面积是均匀的 并且来流气体通过风力机前后的速度方向为风轮的轴 向方向 理想的风轮在流动大气中的情况 此处规定 为气流距离风轮一定距离 1 的上游速度 为气流通过风轮时的实际速度 为气流离风轮远处的下游速 2 度 经推导作用可得出来流气体在风力机上的力和风轮捕获的功率为 2 12 2 2 1 2 SP 4 1 21 2 2 2 1 SP 最大功率为 3 1max 27 8 SP 将上式除以来流气体通过扫掠面积时气流所具有的动能 可以推导得出风 S 力机的最大理论效率 或称为理想风能利用系数 为 593 0 27 16 2 13 1 max max S P 上式即为贝兹 理论的极限值 该式表明 风力机可以从自然风中所 Betz 捕获的风能是有限的 其能量损失的部分可以解释为留在尾流气体中的旋转动 能 能量转换将导致功率下降 它随所采用的风力机和发电机的形式与性能而 异 因此 风力机的实际风能利用系数 就是说无论外部与内部条 593 0 p C 件如何 风能的实际利用系数不可能高过 0 593 风力机实际能得到的有用功 率输出是 pS SCP 3 1 2 1 2 2动量 叶素理论 目前 运用于大型风力发电机的叶片气动分析理论包括 叶素理论 动量 理论 动量 叶素理论 贝兹理论等 其中动量 叶素理论给出了求解周向诱导 因子和轴向诱导因子的方法 并通过修正 普朗特修正 修正 WilsonGlauert 等方法对叶片气动模型进行修正 是当前最常用 最成熟的叶片设计方法 其 基本公式推导如下 根据动量理论 有 drrabdM rdraadT 3 1 2 1 1 4 1 4 根据叶素理论 有 rdrCcBdM drCcBdT t n 2 0 2 0 2 1 2 1 根据叶素理论 速度矢量可表示为 0 0 1 1 cos 1 sin rb a 令前两式中的与 相等 由三式可得 dTdM cossin81 sin81 2 t n C r Bc b b C r Bc a a 式中 为相对来流速度 为来流风速 为轴向诱导因子 为周向 0 1 ab 诱导因子 为空气密度 为叶素剖面弦长 为叶片数 为法向力系数 cBn C 为切向力系数 为阻力系数 为入流角 为修正系数 t C d C F cossin sincos dlt dln CCC CCC 式中 为升力系数 l C 若考虑普朗特叶尖损失修正因子 sin2 expcosa 2 r rRB rF 则控制方程可修正为 cossin81 sin81 2 F C r Bc b b F C r Bc a a t n 当风力机的叶片部分进入涡环状态时 动量方程不再适用 可用以下的经 验公式对动量 叶素理论进行修正 1 当时 采用修正方法 38 0 aWilson 将替代为 2 sin81F C r Bc a a n 22 sin8 1 96 0587 0 F C r Bc a a n 2 当时 采用修正方法 2 0 aGlauert 将替代为 2 sin81F C r Bc a a n 1 4a2 122 12 2 1 2 2 ccc kakaKa 式中 n C F Bc r k 2 sin8 2 0 c a 考虑风轮锥角的修正 在上述轴向诱导因子和周向诱导因子的计 ab 算中 都假设风轮的锥角为0 当风轮锥角不为0 时 将 替代为 2 sin81F C r Bc a a n cossincos81 sin cos 81 2 F C r Bc b b F C r Bc a a t n 式中 为风轮锥角 上述动量 叶素理论是进行风力机叶片气动分析与外形结构设计的理论基础 但同时考虑到大型风力机叶片的气动性能不仅与其自身翼型结构和风场环境有 关 而且与风力发电机组的结构形式和控制方式有关 考虑求取以上因素的理 论分析方程解析解非常困难 本文采用基于动量 叶素理论的软件进行 ladedB 数值求解与气动分析 2 3恒速恒频与变速恒频风力发电机 风力发电系统的结构主要可以分为四个部分 风轮机及调速装置 发电机 电力电子变流器和相关组件的状态监测设备 现在风力发电系统主要是按发电 机设备对应于风机转速的可调和不可调分为两种类型 一种是恒速恒频的风力 发电机 另一种是变速恒频的风力发电机 恒速恒频的风力发电机组在正常运行阶段 主要是靠调速系统调速使得发 电机的转速稳定在相应的同步频率 使得其输出电流也是同步频率 这是现在 使用的主要风电机型 恒速恒频风力发电系统的发电机普遍使用同步电机以及 鼠笼式感应电机 使用同步电机能够获得很高的电能质量而且并网性能好 频率稳定甚至能 够不使用无功补偿装置 同时还能向电网吸收和发出无功功率 但是因为风速 的变化随机性很强 使得电机的转矩有波动 这对调速箱要求很高 而且调速 系统也很容易损坏 恒速恒频同步发电机系统结构示意图如图 2 1 所示 图 2 1 恒速恒频风力发电机发电系统结构图 变速恒频风力发电机正常运作时 发电机转速随来流风速的大小变化而变 化 经整流逆变后并网 目前很大的优势在于其强大的风速适应能力和极高的 风能有效利用率 通过有效地结合变桨距控制方式能够保持风能的高效利用 而且通过改变电力变换器的控制方式 能够吸收或者发出无功功率使得其可以 在电网故障时有良好的适应能力 全面提高风机的低电压穿越能力 变速恒频 同步发电机系统结构示意图如图 2 2 所示 图 2 2 变速恒频永磁同步风力发电系统结构图 两种技术相对来说 恒速恒频风电技术目前更加成熟 产业链更加稳定 成本也更加低廉 但是存在其风能利用系数不够高 机械传动环节易发生故障 后期维护成本较高等问题 变速恒频风电技术其受到的风速限制范围小 发电 效率比恒速恒频风机能提高 5 到 10 低电压穿越能力优越 同时结构简单可 靠而且后期维护成本低 按照风场类别的划分 国内 50 的风场都是属于三类风区 这类风区的风 速比较低 因此 适用于低风速的永磁直驱风力发电机对我国具有更加重要的 意义 第三章 直驱式同步风力机基本构造与设计原理以及 发展现状 3 1直驱式风电系统基本结构 直驱型风力发电系统主要包含风力机 永磁同步发电机 电力电子变流系 统 控制系统等 其基本结构如图 3 1 所示 图 3 1 永磁直驱风力发电系统主要部件结构图 直驱式风力发电系统的风力机与发电机的转子直接藕合 所以发电机的输出 端电压 频率随来流风速的变化而变化 要实现风力发电机组的并网 需要保证 机组电压的幅值 频率 相位 相序与电网保持一致 其基本原理是首先将风 能转化为幅值和频率变化的交流电 再经整流之后变为交流 然后经逆变器变换 为三相频率恒定的交流电送入电网 通过中间的电力电子变换环节来对系统的 有功和无功功率进行控制 以达到最大风能追踪的目的 3 2直驱式风力运行发电原理 直驱式风力发电机由风的动能直接驱动发电机 这种发电机采用的方式就 是所谓的直驱式 风电机组通过将风轮吸收的风运动的动能转换成风轮旋转的 机械能 直接驱动永磁同步发电机 PMSG 的转子 永磁体转子旋转产生与发 电机定子有相对运动的磁场 定子切割旋转磁场 定子绕组中感应交流电动势 其频率 由于风速的不稳定性 也不是稳定的数值 这时 定子60np f n 交流感应电动势经由与定子相连的四象限背靠背双 PWM 全功率变流器整流转为 直流电 最后通过逆变器转换为与电网频率 相位 电压一致的交流电并入电 网 通过中间的电力电子变换环节来对系统的有功和无功功率进行控制 以达到 最大风能追踪的目的 3 3相比较传统风电系统而言 直驱系统有如下优点 1 发电效率高 直驱永磁风力发电机组为叶轮直接驱动永磁发电机发电 无需电励磁 减少了电能损耗 没有齿轮箱等中间部件 传动链短 减少 了传动损耗 提高了发电效率 在低风速环境下运行效率更高 2 可靠性高 齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件 直驱 技术省去了齿轮箱及其附件 简化了传动结构 提高了机组的可靠性 同 时 机组在低转速下运行 旋转部件较少 可靠性更高 3 并网性能优异 直驱永磁风力发电机组采用交流 直流 交流的全功率变 流模式 风机侧电能与网侧电能隔绝 可按用户需要提供性能稳定的高品 质电能 同时具有低电压穿越能力 可在电网干扰期间保持接入电网 更 加符合电网的要求 4 所需备件及消耗材料较少 采用无齿轮箱直驱技术可减少风力发电机组 零部件的数量 避免齿轮箱油定期更换 降低了运行维护成本 3 4永磁直驱风力发电机的发展 相对双馈式发电机来说永磁直驱风力发电机无论是叶片还是发电机本身其 体积都很大 而且其工作过程更加依靠风力机的空气动力性能 因此需要非常 良好的设计 但是这方面的研究难度比较大 永磁直驱风力发电机需要将频率变化的电流转换为频率等于电网频率的电 流 然后并入电网 因此永磁直驱风力发电机更多的关键技术在于变流器的设 计与控制 根据容量大小与适用情况的不同 变流器的拓扑结构也不同 如图 3 2 所示 主要分为四种结构 图 3 2 永磁直驱风力发电机四种变流器拓扑结构 1 二极管不可控整流加上晶闸管逆变器 这种方法 由于采用不可控整流 永磁同步发电机缺乏灵活的控制 发电机运行时容易造成功率因数低下 发电机定子谐波大和转矩脉动变化大等问题 但是不可控二极管与晶闸管 技术成熟 成本低下 这种并网拓扑方式适合成本低下 电流要求不高的 使用情况 2 二极管不可控整流加上 PWM 电压源型变换器 该种方式与第一种结构 主要区别在于采用了具有自关断能力且开关频率更高的 PWM 电压源型变换 器 因此电网侧变换器对于电网的谐波污染大大减少 而且 PWM 电压源 型变换器能够根据要求灵活的调节有功功率和无功功率 3 二极管不可控整流加上升压电路再加 PWM 电压源型变换器 相对第二 种拓扑结构 在直流环节加入了 BOOST 升压电路 使得直流环节的电压更 加稳定 PWM 电压源型变换器的输入输出也更加稳定 同时还能达到间接 对永磁同步发电机的转矩进行控制的目的 但是由于不可控整流环节的存 在 还是会引起永磁同步发电机产生定子谐波 转矩脉动等问题 4 双 PWM 电压源型变换器四象限整流 这种拓扑结构通过 PWM 技术可以 方便快捷的得到控制策略所需的电流波形 同时能够很好的控制谐波的产 生 而且能够在发出 吸收无功和发出 吸收有功这四种工作状态之间运 行 这也使发电机的控制变得非常灵活 可以采用更多的先进控制策略来 提高系统的性能 由于电机侧的 PWM 变换器自己就能够实现升压作用 因 此不用添加 BOOST 电路 发电机就能够有效的完成很宽风速范围内的风能 捕获 本文研究的内容就是采用这种拓扑结构的永磁直驱风力发电机 双 PWM 技术所具有的网侧单位功率因数 直流母线电压恒定可控以及 能量可双向流动等优点 但是电机状态变化的时候 容易引起较大的直流 母线电压波动 一般通过增加中间电容容量的方式来抑制 但是较大的中 间电容不仅降低了系统的响应速度 而且增加了系统的体积和成本 因此 有效抑制直流母线电压波动控制方式的研究得到了学者的广泛关注 有的 在电压 电流双闭环基础上采用负载电流前馈的控制方法 使电机状态突 变只改变整流侧电流内环的电流参考值 而不影响到直流电容电压 但是 由于负载电流是随开关状态变化的一个不规则的脉动波 对其采样比较困 难 而且须采用低通滤波器得到其平均值 降低了系统的动态响应速度 有的提出了交替采用有功功率表和无功功率表的双开关表控制新策略 提 高了系统的动 静态性能 减小了直流动态压降 还有的控制策略是对双 PWM 变换器中 PWM 整流器部分的独立控制 虽然单方面提高了网侧的动态响 应速度 但是没有对整个系统进行协调全面考虑 第四章 2MW 永磁直驱风力发电机组建模 4 1风速模型 为了精确地描述风能随机性和间歇性的特点 风速变化通常包括以下 四种模拟形式 1 基本风 在风力机正常运行中一直存在 描述风电场平均风速的变 化 1 1 k AvB 2 阵风 描述风速突然变化的特性 通常用来分析风电系统对电网电 压波动的影响 GG GGGS G G TTt TTtTV Tt V 1 11 1 0 0 其中 G G G S T T T t COS G V 1 21 2 max 3 渐变风 描述风速渐变的特性 RR RRR RRr R R TTt TTtTR TtTV Tt V 2 22 21 1 0 max 0 其中 RRRr TTTtRV 212 1max 4 随机风 描述在特定高度上风速变化的随机特性 N i iiiVN wwwSV 1 2 1 cos2 wiwi 5 0 其中 4 3 22 2 1 2 i iN iV Fw wFK wS 因此 实际风速为 NRGB VVVVV 本文将在 Bladed 软件上对 2MW 永磁直驱风力发电机建模 并在不同风况下 进行仿真分析 其中风速模型参数设置是在软件中的 Wind 模块 实际操作界面 如图 4 1 所示 图 4 1 Bladed 软件上风速模型参数设置实际操作界面 4 2风力机模型 根据贝兹定理 风力机捕获的风能不但与风速的立方成正比 还与风轮叶 片的旋转速度有关系 此外研究表明 与风轮结构也有一定的关系 风力机功 率输出如式所示 32 2 1 VCRP PM 风力机转矩输出公式为 3 2 5 2 1 m PM w RCT Bladed 软件上风力机模型参数设置在软件中的 Blades Aerofoil Rotor 模块 实际操作界面如图 4 2 所示 a b c 图 4 2 Bladed 软件上风力机模型参数设置实际操作界面 本文采用的 2MW 永磁直驱风力发电机模型参数具体如表 4 1 所示 表 4 1 2MW 永磁直驱风力发电机模型具体参数 风电机组类型2 0MW 陆上永磁直驱风电机组 叶轮直径80m 叶片数3 轮毂高度61 5m 塔筒高度60m 功率调节方式变速变桨 叶轮布置方式上风向 旋转方向顺时针 额定功率2000kW 风轮倾角4deg 风轮锥角0deg 切入风速4m s 额定风速12m s 切出风速25m s 4 3传动链模型 传动链即机械传动装置 把风轮的旋转运动传动到发电机上 传动链的结 构很大程度上取决于不同的风能转换技术 对于直驱型风电机组来说 风轮与 发电机经过传动轴直接相连 由于本文的建模目的并不重点关注传动轴的详细 特性 因此本文采用最简单的传动链单质量块模型 但这个模型能够反映变速 风力发电机组的基本动态特性 ewt TT dt d eq J 式中 风电机组等效转动惯量 由于风轮转动惯量远远大于发电机转动惯 eq J 量 故也可近似等于风轮转动惯量 风轮旋转角速度 等于发电机旋转机械角速度 风轮的气动切向转矩 wt T 发电机电磁力矩 e T Bladed 软件上传动链模型参数设置在软件中的 Power Train 模块 实际界 面如图 4 3 所示 图 4 3 Bladed 软件上传动链模型参数设置实际操作界面 4 4永磁同步发电机模型 为了分析永磁同步发电机的动态性能 取永磁体转自极中心线为 d 轴 沿转子旋转方向超前 d 轴 90 为 q 轴 建立 d q 轴下的数学模型 电压方程 sqesds sd sd iR dt d U sdesqs sq sq iR dt d U 电磁转矩方程为 5 1 sdsqsqsde iipT 通过上述公式可以看出 永磁同步发电机的电磁转矩与定子 q 轴电流成 正比 调节电流即可调节永磁同步发电机组的电磁转矩 从而调节永磁同步 发电机和风力机的转速 使永磁同步发电机与风力机达到最佳输出状态 在仿 真平台中有封装好的模块 直接调用即可 Bladed 软件上永磁发电机模型参数设置在软件中的 Power Train 模块中的 Electrical 实际操作界面如图 4 4 所示 图 4 4 Bladed 软件上永磁发电机模型参数设置实际操作界面 4 5全功率变流器模型 直驱型风电机组采用背靠背全功率变流器 由发电机侧变流器和电网侧变 流器组成 其中机侧变流器与发电机定子侧直接相连 可以保证转速在一个很 大的范围内加以调整 网侧变流器与电网母线相连 将有功功率送入电网并消 除无功功率的损耗 根据本文的建模目的 本文所建变流器模型可以进行适当简化 不考虑详 细的开关过程 忽略开关损耗 只考虑功率关系 建立功率模型 另外不考虑 电感饱和 忽略线路电阻和其他传输功率损耗 变流器简化功率模型如图 4 5 所示 图 4 5 变流器简化功率模型 则根据能量守恒原理 outin PPP c sdsdsqsqgenin iuiuPP 5 1 gdgdgqgqgridout iuiuPP 5 1 式中 直流电容波动功率 即充放电功率 c P 分别为直流电容两侧的功率 in P out P 发电机输出功率 gen P 并网功率 grid P 分别为基于等量坐标变换时发电机定子输出电压的 q 轴分量和 d 轴分量 sq u sd u 分别为基于等量坐标变换时发电机定子输出电流的 q 轴分量和 d 轴分量 sq i sd i 分别为基于等量坐标变换时并网电压的 q 轴分量和 d 轴分量 gq e gd e 分别为基于等量坐标变换时并网电流的 q 轴分量和 d 轴分量 gq i gd i Bladed 软件上永磁发电机模型参数设置在软件中的 Power Train 模块中的 Preliminary Electrical Data 实际界面如图 4 6 所示 图 4 6 Bladed 软件上永磁发电机模型参数设置实际操作界面 第五章 基于 Bladed 软件的电气仿真 5 1Bladed 软件操作的简要介绍 为了更加深入的研究风力发电机组的出力特性 将用 Bladed 软件对不同风 况下的风力发电机输出特性进行模拟仿真与计算 打开 Bladed 后 Bladed 的 主操作界面如图 5 1 所示 图 5 1 Bladed 的主操作界面 在上图的界面中 可以在带有风电机各个组件图片的模块中对风电机组各 个部分的相关参数进行设置 而在下面的各个计算模块中可以对风电机稳态运 行 急停状态 正常停机 启机状态等各个情况进行计算 计算内容包括功率 载荷等各项参数 以下将对风电机组电气部分的参数设置进行具体的介绍 电 气部分设置的主操作界面如下图 5 2 所示 图 5 2 Bladed 软件电气部分设置的主操作界面 稳态运行中的计算主要是在 Bladed 软件中 Steady Calculations 中的 Electrical Performance 模块来进行的 实际计算界面如图 5 3 所示 图 5 3 Bladed 软件计算界面 在计算前 首先对电器模块中 Generator 中的参数进行定义和设置 如要 选择发电机的类型 控制模式的类型等等 具体设置页面如下图 5 4 所示 5 4 Generator 的参数定义和设置 在 IGBT Converter 模块中进行参数的设置时 需要定义和设置的参数有发 电机变流器最大电压 网侧变流器最大电压 网侧变流器最大电流 电网频率 电网电压等等 具体参数的设置如下图 5 5 所示 5 5 IGBT Converter 的参数定义与设置 在 Calculation Parameters 模块中需要设置与定义参数包括发电机额定转 速 最小转速 额定转矩 最小转矩等等 具体参数的设置如下图 5 6 所示 5 6 Calculation Parameters 参数的定义与设置 在 Preliminary Electrical Data 模块中是对最初的电气数据进行设置 具体参数的设置如下图 5 7 所示 图 5 7 Preliminary Electrical Data 参数的定义与设置 当设定的参数完毕并符合要求时 模块右侧的黄灯会变成绿灯 此时便可 以对风电机稳态运行状态下的有功无功功率的输出进行计算 5 2稳态运行状态下的出力特性分析 5 2 1 最大功率追踪原理 最大功率捕获是变速恒频风屯机组控制系统的基本标 即调节风轮枝速跟 随风速变化 维持最佳叶尖速比 获得最佳的功率系数 使风屯机组捕获最大 功率 所以也把最大功率捕获控制称为转速控制 图 5 8 叶尖速比与风能转换系数关系曲线 P C 因此风轮产生的力矩可以用模型表示为 P C 2 3 5 wt 2 1 RCP T pwt 在风速给定的情况下 风轮捕获的功率将取决于风能利用系数 因此只要 P C 维持风力发电机都能在点运行 便可达到风能捕捉最大化 风力机的风能 maxP C 利用系数受桨距角和叶尖速比的共同影响 在风速低于额定风速时 通 maxP C 常保持桨距角为最小值不变 此时风力机的出力特性曲线一条单峰曲线 对于 一台确定的风力机 当桨距角确定时 总存在一个最佳叶尖速比对应着一个 最大风能利用系数 此时风力机的能量转换效率最高 因此对于一个特定 maxP C 的风速 风力机只有运行在一个特定的转速下 才能使叶尖速比为最佳叶尖速 比 从而对应最大风能利用系数 实现风能捕获最大化 当风速变化时只要 maxP C 调节转速 使叶尖速比始终保持在最佳叶尖速比 就可以始终保持风能捕获最 大化 从而实现最大功率追踪 5 2 2 风电机组功率输出与控制过程分析 在软件上进行 2MW 永磁发电机模型仿真稳态计算 可得最大功 laded BGH 率捕获曲线如图 5 9 所示 f bi she R un spcurve El ect ri cal pow er W H ub w i nd speed m s 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 2200000 468101214161820222426 图 5 9 2MW 永磁发电机稳态运行最大功率捕获曲线 f bi she R un spcurve El ect ri cal pow er W G enerat or speed rpm 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 1100000 1200000 1300000 1400000 1500000 1600000 1700000 1800000 1900000 2000000 2100000 2200000 8101214161820 图 5 10 稳态运行功率 转速曲线 1 机组自起动过程 升转速过程 控制桨距角以控制转速风速达到切入风速并保持一定时间 风电机组解除 制动装置 由停机状态进入起动状态 这个工况下的主要控制目标就是实 现风电机组的升速和并网 其中变桨距控制的任务就是使发电机快速平稳 升速 并在转速达到同步范围时针对风速的变化调节发电机转速 使其保 持恒定或在一个允许的范围内变化以便于并网 2 机组并网过程 并网控制 控制机组转速达到额定转速 通过合闸开关将发电机接入电网过程 直驱 发电机通过控制全功率变流器完成并网过程 并网前首先起动网侧变流器 调制单元给直流母线预充电 接着起动电机侧变流器调制单元并检测机组 转速 同时追踪电网电压 电流波形与相位 当电机达到一定转速时 通 过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器 电容器的 LC 滤波作 用使系统输出电压 频率等于电网电压 频率 同时检测电网电压与变流 器网侧电压之间的相位差 当其为零或相等 过零点 时实现并网发电 3 欠功率运行状态 最大风能捕获阶段 1 恒控制 P C 风速低于额定转速 桨距角调整至 3 附近 对发电机进行励磁控制改变发 电机转速使最佳叶尖速比对应最佳 对于直驱式发电机 可以在 P C 10 22r min 之间变化 此模型的转速范围是 10 2004 r min 18 0007 r min 2 恒控制 转速达到极限 功率未达到额定功率时进入恒控制阶段 励磁控制使发 电机转速不再上升 而输出功率依然增加 4 额定功率运行阶段 恒功率控制 恒转矩控制 风速持续上升 高于额定风速 发电机组转速受限 只有改变限制功率 P C 输出 这时调节桨距角改变使功率始终保持在额定功率附近 P C d dem o R un el est d Act i ve pow er f rom gri d convert er Act i ve pow er f rom st at or W Speed rpm 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 1100000 1200000 1300000 1400000 1500000 1600000 1700000 1800000 1900000 2000000 2100000 2200000 10111213141516171819 图 5 11 稳态运行时风电机定子和网侧变流器的有功功率与转速的关系 由图 5 11 可见 定子侧最开始向电网输出有功功率 且随着转速的增加 输出的有功功率逐渐增大 在转速为 18 0007rpm 时 有功功率瞬时升高到额定 值 网侧变流器向电网馈入有功功率 且随着转速的增加 输出的有功功率逐 渐增大 在 18 0007rpm 转速处瞬时升高到额定值 此外 定子侧有功功率曲线 与变流器网侧有功功率曲线大致一致 也验证了功率守恒定律 此模型的搭建 不仅符合机组本身稳定运行的要求也符合电网稳定性运行要求 d dem o R un el est d R eact i ve pow er t o gri d R eact i ve pow er f rom st at or kVAr Speed rpm 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0 10111213141516171819 图 5 12 稳态运行时风电机定子和网侧变流器的无功功率与转速的关系 直驱机组稳态运行时机组不向电网输出无功功率 无功功率值为零 定子 侧产生无功功率 且随着转速增大无功功率值越来越大 直到发电机达到额定 转速时无功功率值达到最大 5 3风切变和塔影效应对叶片的影响 5 3 1 理论基础 随机风电机组大型化的趋势 风力机塔架越来越高 叶片半径越来越长 使得风切变和塔影效应对风力机的影响越来越显著 因此 风速模型也要考虑 风切变和塔影效应的影响 风切变是指稳定状态下平均风速在垂直方向上随高度变化的现象 造成这 种情况的原因主要包括两个方面 一是地面的摩擦效应使得近地面的风速小于 远地面的风速 二则由于温度随高度变化而对空气流速的影响 塔影效应是指 由于风电机组塔架的存在而导致的稳态平均风场畸变的现象 二者本质上都是 一个周期性变化的过程 Bladed 软件中对风切变的定义有两种方式 即指数模型和对数模型 其目 的是能够对风切变进行建模 用来计算不同高度的风速 以及对风电机组的影 响 指数模型采用风切变指数 对风切变定义如下 式中 表示轮毂高度 huh Vh 处的平均风速 hub h h h VhV huh 很明显可以看出 若 则表示没有风切变 0 对数模型采用地面粗糙度来定义 0 V 0 0 log log zh zh VhV hub hhuh 图 5 14 风力机的风速分布基本结构图 Bladed 中可用三种不同的模型来描述塔影效应 即潜流模型 经验塔尾迹 模型和组合模型 第一种模型适合运行在塔架上风向的风轮 而后两种模型则 适用于下风向运行的风轮 故本文采用适用于上风向风轮的潜流模型如图 5 15 所示 图 5 15 影效应对于气流的影响 潜流模型中 假设圆柱状物体周围的气体不可压缩 设要计算风速的塔架 的直径为 为给定的修正因子 则修正后的塔架直径为 基 T D F FDD T 于以上假设 塔架上风的纵向风速分量可以被修正 在如图 3 所示的坐标系 0 V 中 对于塔中心线前方距离为与穿过该中心线的风向量的边相距为的一点 zx 来说 风速由下式给出 V 0 xAVzV 其中 22 22 2 2 1 zx zxD A 如果这一点的方位角在从底部最低点相对于坐标中心在 60 之间 上式 即成立 对所有其它方位 把因子修正成 A cos5 0cos5 0 A 5 3 2 风切变和塔影效应在 Bladed 软件中的建模 本文采用软件中搭建好的 2MW 水平轴永磁直驱风电机组模型 laded BGH 分别输出在有风切变和塔影效应及无风切变塔影效应两种情况下叶片力矩图谱 和发电机输出功率图谱 更直观地说明风切变和塔影效应对叶片的影响 为了 排除其他条件对叶片的影响 选用不随时间变化的定速风模型 风速设定为 12m s 如图所示 本文中采用潜流模型对塔影效应进行建模 在 GH Bladed 软件的主界面下 打开 Wind 模块 选择 Tower shadow 标签 为了效果明显 取修正因子取 2 如图 5 16 所示 为了进行对比 还应设定无风切变和塔影效应的模型 步骤同上 在 Wind Shear 和 Tower Shadow 标签下选择 None 即可 a 定速风模型b 风切变模型 c 塔影效应模型 图 5 16 风切变与塔影效应建模实际操作界面 5 3 3 计算结果及结论 方向的摆振载荷随时间呈现一种周期性变化 如图 5 17 黑线所示 而且 曲线光滑 说明叶片所受载荷均匀变化 在有风切变和塔影效应时 叶片所受 载荷虽然也呈现一种周期性变化 但是每个周期有很大波动 如图 5 17 红线所 示 所受载荷也比无风切变和塔影效应时大 其中摆振载荷更加明显 且摆振 载荷瞬时变化剧烈而出现毛刺 定速风 12m s 下的发电机输出功率 如图 5 18 a 所示 在 2MW 数值处趋 于平稳 曲线光滑 说明机组输出功率稳定不受影响 在有风切变和塔影效应 时 发电机功率输出 如图 5 18 b 所示 有明显的波动 且频率较高 平均 输出功率值也比定速风情况下要小 由此可见 风切变和塔影效应对风电机组影响巨大 随着风电机组向大型 化发展 塔架越来越高 风轮直径越来越大 风剪切和塔影效应对风电机组的 影响也越来越大 由于风剪切和塔影效应的存在 风速在整个风轮扫掠面上不 是固定不变的 叶片所受气动载荷呈一个周期性的变化过程 对风电机组功率 输出 振动 疲劳 动力稳定性等影响越发不容忽视 R un pow prod D i st ance al ong bl ade 0 m Bl ade 1 M x Pri nci pal axes N m Ti m e s 200000 400000 600000 800000 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 02468101214161820 a 叶片挥舞载荷 R un pow prod D i st ance al ong bl ade 0 m Bl ade 1 M xy Pri nci pal axes N m Ti m e s 1600000 1800000 2000000 2200000 2400000 2600000 2800000 3000000 3200000 02468101214161820 b 叶片摆振载荷 图 5 17 叶片挥舞载荷与摆振载荷对比图 f bi she R un pow prod El ect ri cal pow er W Ti m e s 1985000 1990000 1995000 2000000 2005000 2010000 2015000 2020000 2025000 0102030405060 a 定速风下的发电机输出功率 f bi she R un pow prod El ect ri cal pow er W Ti m e s 1954000 1956000 1958000 1960000 1962000 1964000 1966000 1968000 1970000 1972000 1974000 0102030405060 b 风切变塔影效应下发电机输出功率 图 5 18 不同工况下风电机组的功率输出特性 5 4湍流风况下的出力特性分析 首先要进行湍流风参数的设置 参数的设置及操作如下图所示 图 5 19 湍流风参数的定义与设置界面 湍流风的风速 2D 视图如下图 5 20 所示 图 5 20 湍流风的风速随时间的 2D 变化曲线 经计算 可得风速与电功率随时间的变化曲线如下图 5