第三章(1)风电机组建模和特性分析

1、第三章风电机组建模和特性分析 华北电力大学 可再生学院 邓英 158114548901、风电机组控制系统组成概述l1.1、风轮、传动链、发电机、调节器、执行机构组成发电运行控制系统。发电运行实现控制作用的系统组成框图1.2、机舱、塔架和基础组成支撑结构动力特性模型（模态子结构法） QqKqCqM 32100000000MMMM 32100000000CCCC 32100000000KKKK 321QQQQ其中M1-轮箍质量，M234-叶片质量，M5-机舱质量 M6塔架质量1.3.1未加控制力的发电机组传动系统模型和特性表示风力发电机组动态特性的微分方程通常写成如下形式：ATKBI 式中 I风力

2、发电机组的转动惯量；B阻尼系数；K传动系统刚度；TA驱动力；轴的旋转角度。1.3.2、加控制力机组发电传动系统模型和动态特性l当系统加入控制力TF后，其动态特性方程改变为l (1-4)l假定控制力TC 是以比例加积分的方式作用在旋转轴上的，即：l (1-5)l这时，微分方程可以写成l (1-6)l其中阻尼系数从B增加到(Bki)，刚性系数从K 增加到(K+kp)。 CTTKBIA ATkKkBI )()(pikp=K1 Ki=K2 ipckkT1.3.3、讨论运动方程全解的物理意义写出特征根表达式 IKKIKBKBr2)(4)()(p2ii)(4)(p2ikkIkB讨论系统的输出响应 0 pC

3、2)(22)(1ii)(KKTeCeCttIKBtIKB1.3.3、讨论运动方程全解的物理意义pC2)(21pC2)(21ii)()(0)()(0KKTetCCtKKTetSinCtCOSCtIKBIKB1.3.7研究变距控制系统的运动变距运动的稳定性分析-即微分方程的通解变距运动的动态响应-即微分方程的全解控制理论复习2阶时域系统复平面及时间函数的分布单位阶跃响应第一节、风力机风轮基本特性0.200.10.30.40.51310241568切出风速12141618切入风速额定风速26109875431恒定功率Cp1.1 风电机组叶片的输出特性第三章 风电机组特性分析 最佳尖速比功率系数161

4、41086402Cp0.10.20.30.40.512Cpmaxopt53max3352max23322pgoptoptpgoptoptgoptR CPGR CTkG第三章 风电机组特性分析风轮的性能计算1.2计算风机性能l风轮半径r处叶素上的轴向推力、转矩和功率l轴向推力、转矩和功率 第三章 风电机组特性分析1.3风轮的性能计算计算风轮性能系数计算风轮性能系数1.3、叶片的载荷分析风轮叶片受力分析l空气动力使叶片承受弯曲和扭转力；l离心力使叶片承受拉伸、弯曲和扭转力；l重力使叶片承受拉压、弯曲和扭转力。l风力叶片受力简图取风轮叶片轴为oz轴；取风轮旋转平面为oy轴。取风轮旋转轴为ox轴，方向

5、与气流方向一致；第三章 风电机组特性分析叶片的载荷分析l叶片转轴l位于叶片的转轴位于叶片各剖面的0.25-0.35翼弦处，与各剖面的气动中心的连线尽量接近，以减少作用在转轴上的转矩。l压力中心l升力作用线和弦线的交点l焦点l相对于该点俯仰力矩不随攻角发生改变。第三章 风电机组特性分析l风轮叶片基本载荷l空气动力引起的载荷（记号a)l单位长度空气动力l空气动力剪切力l空气动力弯矩l空气动力扭矩P：压力中心C：扭转中心第三章 风电机组特性分析叶片的载荷分析重力引起的载荷(0和F0是折算密度和面积）l单位长度重力（y是叶片旋转方位角,叶片转轴和水平面之间夹角）l重力拉（压）力l重力剪力l重力弯矩第三

6、章 风电机组特性分析叶片的载荷分析l重力扭矩l离心力引起的载荷l单位长度离心力（翼剖面重心G）l离心拉力l离心剪力第三章 风电机组特性分析叶片的载荷分析l离心力弯矩l离心力扭矩l合成载荷l单位长度载荷第三章 风电机组特性分析叶片的载荷分析l剪力和拉力（压力）l弯矩l扭矩l阵风引起的弯曲力 由于风速的增加和风向的变化，阵风在叶片中产生弯曲应力增加。由于风力机的惯性和风向第三章 风电机组特性分析1.41.4实度对风电机组特性的影响实度对风电机组特性的影响第三章 风电机组特性分析CQ-曲线曲线第三章 风电机组特性分析CT-CT-曲线曲线第三章 风电机组特性分析KP -1/KP -1/曲线曲线3321

7、)(PDPCRAPK第三章 风电机组特性分析1、桨叶的翼型、桨叶的翼型l1.5、桨叶的几何参数与空气动力特性、桨叶的几何参数与空气动力特性0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB攻角攻角：来流方向与弦线的夹角：来流方向与弦线的夹角零升力角零升力角：弦线与零升力线夹角：弦线与零升力线夹角升力角升力角：来流方向与零升力线夹角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力、桨叶上的气动力221SvCFr总的气动力总的气动力，S S 桨叶面积，桨叶面积，Cr Cr 总气动系数总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd升力升力，与气流方向垂直，与气流方向垂直，Cl Cl 升力系数升力系数阻力阻

8、力，与气流方向平行，与气流方向平行，Cd Cd 阻力系数阻力系数221SlvCMM相对前缘点由相对前缘点由F F产生的产生的力矩力矩，CdCd、Cl Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。第三章 风电机组特性分析变距调节第三章 风电机组特性分析风电机组的转矩转速特性风电机组的转矩转速特性第三章 风电机组特性分析第二节、传动系统特性 M uC uK uR式中:K是整体刚度矩阵,M是整体质量矩阵,C是整体阻尼矩阵,R是外载荷列阵,u、分别为节点的位移、速度、加速度列阵。第三章 风电机组特性分析 传动轴刚性系统22gea

9、rwtrgenechgearwtrwtrechwtrgenKJJJKTTdtdJTT上式中，Tgen为发电机转矩，Twtr为叶轮转矩，Jgen为发电机惯量，Jwtr为叶轮惯量，Kgear为齿轮箱速比。如欲建立更详细的模型，则可在发电机惯量上叠加高速轴联轴器和制动圆盘的惯量，在叶轮惯量上叠加低速轴的惯量。如欲简化计算，则因通常叶轮惯量折算到高速轴后也远大于发电机惯量，所以有时可以忽略计算发电机惯量。第三章 风电机组特性分析柔性系统图中Jwtr是叶轮折算到高速轴的惯量，Twtr是叶轮折算到高速轴的转矩，Tgen是发电机转矩，Jgen是发电机惯量，De为系统阻尼粘性系数，Kse为系统等效刚度。此外，

10、还可定义wtr为折算到高速轴的叶轮转速，gen为发电机转速，wtr为折算到高速轴的叶轮角位移，gen为发电机角位移。于是可建立模型如下：第三章 风电机组特性分析柔性轴模型认为低速轴和高速轴是柔性的，叶轮转子和发电机转子有各自的旋转自由度。叶轮转子的加速度依赖于气动转矩和低速轴转矩之间的不平衡。发电机转子的加速度依赖于高速轴转矩和发电机反转矩之间的不平衡。轴的转矩可以通过式子T来计算：BkT柔性传动链第三章 风电机组特性分析刚性轴模型的从气动转矩到发电机转速之间的传递函数 072. 11802958. 0S2346. 0000324S. 023ss)()()(ssTsHGA柔性传动链第三章 风电

11、机组特性分析当参数给定如下时：风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机，其输出连邻近三相电网或输配电线。第三节、交流发电机第三节、交流发电机1.1.基本工作原理基本工作原理 1 1）分定子和转子两部分。定子：电枢绕组，产生感应电动势和产）分定子和转子两部分。定子：电枢绕组，产生感应电动势和产生旋转磁场的部件。转子：可由励磁绕组调节，产生一个强磁场。生旋转磁场的部件。转子：可由励磁绕组调节，产生一个强磁场。2 2）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生磁极磁场）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生磁极磁场（主磁场或励磁磁场），风机拖动转子旋转时，得到一个机械旋转（主磁场或励

12、磁磁场），风机拖动转子旋转时，得到一个机械旋转主磁场，该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出对称的主磁场，该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出对称的交流电势。由于定于三相对称绕组在空间相差交流电势。由于定于三相对称绕组在空间相差120120度电角度，因此度电角度，因此三相对称的电势也在时间上相差三相对称的电势也在时间上相差120120度电角度。可表示为度电角度。可表示为e eOAOA,e,eOBOB, ,和和e eOCOC第三章 风电机组特性分析=2fs ,是励磁电流产生的每极磁通；K是一个与电机极对数和每相绕组匝数有关的常数。60sspnf01Ek2.2.交流电势的频率交流电势

13、的频率频率取决于电机的极对数频率取决于电机的极对数P P和转子转速和转子转速n ns s，即，即3.3.每相绕组的电势有效值每相绕组的电势有效值4.4.同步发电机的额定值同步发电机的额定值 1 1）额定容量：是指出线端的额定视在功率，以千伏安）额定容量：是指出线端的额定视在功率，以千伏安（kVAkVA）、兆伏安）、兆伏安(MVA)(MVA)为单位；为单位；2 2）额定功率：是指发电机输出的额定有功功率，一般以干）额定功率：是指发电机输出的额定有功功率，一般以干瓦（瓦（kWkW）或兆瓦（）或兆瓦（MWMW）为单位。）为单位。 第三章 风电机组特性分析第三节、交流发电机第三节、交流发电机风力驱动的

14、同步发电机与电网并联风力驱动的同步发电机与电网并联 5 5 并网同步风力发电系统举例并网同步风力发电系统举例一一 同步发电机同步发电机1 1）注意并网条件）注意并网条件第三节第三节 交流发电机交流发电机 带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统5 5 并网同步风力发电系统举例并网同步风力发电系统举例一一 同步发电机同步发电机第三节第三节 交流发电机交流发电机 1)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，它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要

15、。 2)同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本比异步发电机高。一一 同步发电机同步发电机6.6.同步发电机的优缺点同步发电机的优缺点第三节第三节 交流发电机交流发电机 1.结构：1)异步发电机称感应发电机，有鼠笼型和绕线型两种。2)风力发电系统中并网运行的异步电机，其定子与同步电机的定子基本相同，定子绕组为三相的，可接成三角形或星型接法；转子则有鼠笼型和绕线型两种。 二异步发电机二异步发电机第三节、交流发电机第三节、交流发电机2.工作原理：1)根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数，即：式中：ns为同步转速

16、； f为电网频率；p 为绕组对数。 60sfnp二异步发电机二异步发电机第三节第三节 交流发电机交流发电机 2）当异步电机连接到频率恒定的电网时，异步电机可以有不同的运行状态；l 转子转速小于异步电机的同步转速时（即nns），处于发电运行状态，此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网输出电能。二异步发电机二异步发电机2.工作原理工作原理第三节第三节 交流发电机交流发电机 2）当异步电机与电网并联后作为发电机运行时，转差率S为负值。 |s|取值越大，则系统平衡阵风扰动的能力越好，一般与电网并联运行的容量较大的异步风力发电机其转速的运行范围在ns与1.05ns之间。 二异步发电机二异步发电机3

17、.转差率转差率100%ssnnSn第三节第三节 交流发电机交流发电机 1）缺点：在向电网提供有功功率的同时，要从电网中吸收无功功率。2）优点：并网要求不像同步发电机那么严格，只要转速接近同步转速时就可并网。？并网方式结论 ：在与电网并联运行的定桨距风力发电系统中大多采用异步发电机 。为了充分利用低风速时的风能，广泛采用双速异步发电机。 二异步发电机二异步发电机4.优缺点优缺点第三节第三节 交流发电机交流发电机 3、普通异步发电机特性sRUfpmTrse2212第三节第三节 交流发电机交流发电机 4、变距变速双馈发电机第三节第三节 交流发电机交流发电机 变速恒频发电系统rsmrrrrrsmrrr

18、rrsmssssrsmssssIILILjsIRIIjsXIjsXRVIILILjIRIIjXIjXRV11rsmpeIjIXnT*Re23*Im23Re23ssssssIVQIVP*Im23Re23rrrrrrIVQIVP第三节第三节 交流发电机交流发电机 变速恒频运行原理第三节第三节 交流发电机交流发电机 双馈发电机有功及无功调节ssRIsusEq 轴rIsIsyd 轴d riq ri0/qsssmssdsUILyyyqrsmqsssdrmmdrsmdsiLLiLiLIiLLiydsmslipdrrslipdrrqrqsmslipqrrslipdrrdriLiLiRuiLiLiRudsdrmssmqsdsdsqssqsqrsmqsqsdsdssiuiiuLLiuiuQiuiuLLiuiuP1111232323232323第三节第三节 交流发电机交流发电机 5、永磁风电机组的运行特性永磁同步电机定子、转子空间布置的轴向示意图第三节第三节 交流发电机交流发电机 永磁风电机的全功率驱动变流器第三节第三节 交流发电机交流发电机 永磁发电机等效电路第三节第三节 交流发电机交流发电机 Ps=3/2risqffsdr2sdrsi23iL23Qy永磁风力发电机组运行控制运行与操作启动与并网、