风电机组建模与基本特性分析

1、风电机组建模与基本特性分析1、风电机组控制系统组成概述、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、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）其中M1-轮箍质量，M234-叶片质量，M5-机舱质量 M6塔架质量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： 式中 I风力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。、加控制力机组发电传动系统模型和动态特性当系统加入控制力TF后，其动态特性方程改变为 (1-4)假定控制力TC 是以比例加积分的方式作用在旋转轴上

2、的，即： (1-5)这时，微分方程可以写成 (1-6)其中阻尼系数从B增加到(Bki)，刚性系数从K 增加到(K+kp)。 kp=K1 Ki=K2 、讨论运动方程全解的物理意义写出特征根表达式 讨论系统的输出响应 0 、讨论运动方程全解的物理意义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1.1 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第三章 风电机组特性分析风轮的性能计算计算风机性能风轮半径r处叶素上的轴向推力、转矩和功率轴向推力、

3、转矩和功率 第三章 风电机组特性分析风轮的性能计算计算风轮性能系数、叶片的载荷分析风轮叶片受力分析空气动力使叶片承受弯曲和扭转力；离心力使叶片承受拉伸、弯曲和扭转力；重力使叶片承受拉压、弯曲和扭转力。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叶片转轴位于叶片的转轴位于叶片各剖面的翼弦处，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。压力中心升力作用线和弦线的交点焦点相对于该点俯仰力矩不随攻角发生改变。第三章 风电机组特性分析第三章 风电机组特性分析风轮叶片基本载荷空气动力引起的载荷

4、（记号a)单位长度空气动力空气动力剪切力空气动力弯矩空气动力扭矩P：压力中心C：扭转中心叶片的载荷分析第三章 风电机组特性分析重力引起的载荷(r0和F0是折算密度和面积）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）重力拉（压）力重力剪力重力弯矩叶片的载荷分析第三章 风电机组特性分析重力扭矩离心力引起的载荷单位长度离心力（翼剖面重心G）离心拉力离心剪力叶片的载荷分析第三章 风电机组特性分析离心力弯矩离心力扭矩合成载荷单位长度载荷叶片的载荷分析第三章 风电机组特性分析剪力和拉力（压力）弯矩扭矩阵风引起的弯曲力 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

5、性和风向实度对风电机组特性的影响第三章 风电机组特性分析CQ-曲线第三章 风电机组特性分析CT-曲线第三章 风电机组特性分析KP -1/曲线第三章 风电机组特性分析第三章 风电机组特性分析1、桨叶的翼型、桨叶的几何参数与空气动力特性功角升力角零升力角风向弦长AB攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力总的气动力，S 桨叶面积，Cr 总气动系数C压力中心升力，与气流方向垂直，Cl 升力系数阻力，与气流方向平行，Cd 阻力系数相对前缘点由F产生的力矩，Cd、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。变距调节第三章 风

6、电机组特性分析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

7、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，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：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

8、机转速之间的传递函数 柔性传动链第三章 风电机组特性分析当参数给定如下时：第三章 风电机组特性分析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1.基本工作原理 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）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，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120度电角度，因此三相对称的电势也在时间上相差120度

9、电角度。可表示为eOA,eOB,和eOC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。2.交流电势的频率频率取决于电机的极对数P和转子转速ns，即3.每相绕组的电势有效值4.同步发电机的额定值 1）额定容量：是指出线端的额定视在功率，以千伏安（kVA）、兆伏安(MVA)为单位；2）额定功率：是指发电机输出的额定有功功率，一般以干瓦（kW）或兆瓦（MW）为单位。 第三节、交流发电机风力驱动的同步发电机与电网并联 5 并网同步风力发电系统举例一 同步发电机1）注意并网条件第三节 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变

10、频器的变速恒频同步发电机风力发电系统5 并网同步风力发电系统举例一 同步发电机第三节 交流发电机 第三节 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。 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 同步发电机6.同步发电机的优缺点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。 二异步发电机第三节、交流发电机第三节 交流发电机 2.

11、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； f为电网频率；p 为绕组对数。 二异步发电机第三节 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； 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2.工作原理第三节 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

12、电机其转速的运行范围在ns与s之间。 1）异步电机的不同运行状态可用异步电机的转差率S来区别表示。异步电机的转差率定义为：二异步发电机3.转差率第三节 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4.优缺点3、普通异步发电机特性第三节 交流发电机 4、变距变速双馈发电机第三节 交流发电机 变速恒频发电系统第三节 交流发电机 变速恒频运行原理第三节 交流发电机 双馈发电机有功及无功调节第三节 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 交流发电机 永磁风电机的全功率驱动变流器第三节 交流发电机 永磁发电机等效电路第三节 交流发电机 Ps=3/2ri