第三章(1)風(fēng)電機(jī)組建模和特性分析

1、第三章風(fēng)電機(jī)組建模和特性分析 華北電力大學(xué) 可再生學(xué)院 鄧英 158114548901、風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成概述l1.1、風(fēng)輪、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)。發(fā)電運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制作用的系統(tǒng)組成框圖1.2、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性模型（模態(tài)子結(jié)構(gòu)法） QqKqCqM 32100000000MMMM 32100000000CCCC 32100000000KKKK 321QQQQ其中M1-輪箍質(zhì)量，M234-葉片質(zhì)量，M5-機(jī)艙質(zhì)量 M6塔架質(zhì)量1.3.1未加控制力的發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)模型和特性表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的微分方程通常寫成如下形式：ATKBI 式中 I風(fēng)力

2、發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B阻尼系數(shù)；K傳動(dòng)系統(tǒng)剛度；TA驅(qū)動(dòng)力；軸的旋轉(zhuǎn)角度。1.3.2、加控制力機(jī)組發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)模型和動(dòng)態(tài)特性l當(dāng)系統(tǒng)加入控制力TF后，其動(dòng)態(tài)特性方程改變?yōu)閘 (1-4)l假定控制力TC 是以比例加積分的方式作用在旋轉(zhuǎn)軸上的，即：l (1-5)l這時(shí)，微分方程可以寫成l (1-6)l其中阻尼系數(shù)從B增加到(Bki)，剛性系數(shù)從K 增加到(K+kp)。 CTTKBIA ATkKkBI )()(pikp=K1 Ki=K2 ipckkT1.3.3、討論運(yùn)動(dòng)方程全解的物理意義寫出特征根表達(dá)式 IKKIKBKBr2)(4)()(p2ii)(4)(p2ikkIkB討論系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 0 pC

3、2)(22)(1ii)(KKTeCeCttIKBtIKB1.3.3、討論運(yùn)動(dòng)方程全解的物理意義pC2)(21pC2)(21ii)()(0)()(0KKTetCCtKKTetSinCtCOSCtIKBIKB1.3.7研究變距控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變距運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性分析-即微分方程的通解變距運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)-即微分方程的全解控制理論復(fù)習(xí)2階時(shí)域系統(tǒng)復(fù)平面及時(shí)間函數(shù)的分布單位階躍響應(yīng)第一節(jié)、風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪基本特性0.200.10.30.40.51310241568切出風(fēng)速12141618切入風(fēng)速額定風(fēng)速26109875431恒定功率Cp1.1 風(fēng)電機(jī)組葉片的輸出特性第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析 最佳尖速比功率系數(shù)161

4、41086402Cp0.10.20.30.40.512Cpmaxopt53max3352max23322pgoptoptpgoptoptgoptR CPGR CTkG第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析風(fēng)輪的性能計(jì)算1.2計(jì)算風(fēng)機(jī)性能l風(fēng)輪半徑r處葉素上的軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率l軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率 第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析1.3風(fēng)輪的性能計(jì)算計(jì)算風(fēng)輪性能系數(shù)計(jì)算風(fēng)輪性能系數(shù)1.3、葉片的載荷分析風(fēng)輪葉片受力分析l空氣動(dòng)力使葉片承受彎曲和扭轉(zhuǎn)力；l離心力使葉片承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)力；l重力使葉片承受拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)力。l風(fēng)力葉片受力簡(jiǎn)圖取風(fēng)輪葉片軸為oz軸；取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面為oy軸。取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸為ox軸，方向

5、與氣流方向一致；第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析葉片的載荷分析l葉片轉(zhuǎn)軸l位于葉片的轉(zhuǎn)軸位于葉片各剖面的0.25-0.35翼弦處，與各剖面的氣動(dòng)中心的連線盡量接近，以減少作用在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩。l壓力中心l升力作用線和弦線的交點(diǎn)l焦點(diǎn)l相對(duì)于該點(diǎn)俯仰力矩不隨攻角發(fā)生改變。第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析l風(fēng)輪葉片基本載荷l空氣動(dòng)力引起的載荷（記號(hào)a)l單位長(zhǎng)度空氣動(dòng)力l空氣動(dòng)力剪切力l空氣動(dòng)力彎矩l空氣動(dòng)力扭矩P：壓力中心C：扭轉(zhuǎn)中心第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析葉片的載荷分析重力引起的載荷(0和F0是折算密度和面積）l單位長(zhǎng)度重力（y是葉片旋轉(zhuǎn)方位角,葉片轉(zhuǎn)軸和水平面之間夾角）l重力拉（壓）力l重力剪力l重力彎矩第三

6、章 風(fēng)電機(jī)組特性分析葉片的載荷分析l重力扭矩l離心力引起的載荷l單位長(zhǎng)度離心力（翼剖面重心G）l離心拉力l離心剪力第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析葉片的載荷分析l離心力彎矩l離心力扭矩l合成載荷l單位長(zhǎng)度載荷第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析葉片的載荷分析l剪力和拉力（壓力）l彎矩l扭矩l陣風(fēng)引起的彎曲力 由于風(fēng)速的增加和風(fēng)向的變化，陣風(fēng)在葉片中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力增加。由于風(fēng)力機(jī)的慣性和風(fēng)向第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析1.41.4實(shí)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組特性的影響實(shí)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組特性的影響第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析CQ-曲線曲線第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析CT-CT-曲線曲線第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析KP -1/KP -1/曲線曲線3321

7、)(PDPCRAPK第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析1、槳葉的翼型、槳葉的翼型l1.5、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性0i功角升力角零升力角風(fēng)向弦長(zhǎng)vivAB攻角攻角：來流方向與弦線的夾角：來流方向與弦線的夾角零升力角零升力角：弦線與零升力線夾角：弦線與零升力線夾角升力角升力角：來流方向與零升力線夾角：來流方向與零升力線夾角2、槳葉上的氣動(dòng)力、槳葉上的氣動(dòng)力221SvCFr總的氣動(dòng)力總的氣動(dòng)力，S S 槳葉面積，槳葉面積，Cr Cr 總氣動(dòng)系數(shù)總氣動(dòng)系數(shù)C壓力中心221SvCFll221SvCFdd升力升力，與氣流方向垂直，與氣流方向垂直，Cl Cl 升力系數(shù)升力系數(shù)阻力阻

8、力，與氣流方向平行，與氣流方向平行，Cd Cd 阻力系數(shù)阻力系數(shù)221SlvCMM相對(duì)前緣點(diǎn)由相對(duì)前緣點(diǎn)由F F產(chǎn)生的產(chǎn)生的力矩力矩，CdCd、Cl Cl 是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動(dòng)力計(jì)算的原始依據(jù)。是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動(dòng)力計(jì)算的原始依據(jù)。第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析變距調(diào)節(jié)第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析第二節(jié)、傳動(dòng)系統(tǒng)特性 M uC uK uR式中:K是整體剛度矩陣,M是整體質(zhì)量矩陣,C是整體阻尼矩陣,R是外載荷列陣,u、分別為節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度列陣。第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析 傳動(dòng)軸剛性系統(tǒng)22gea

9、rwtrgenechgearwtrwtrechwtrgenKJJJKTTdtdJTT上式中，Tgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Twtr為葉輪轉(zhuǎn)矩，Jgen為發(fā)電機(jī)慣量，Jwtr為葉輪慣量，Kgear為齒輪箱速比。如欲建立更詳細(xì)的模型，則可在發(fā)電機(jī)慣量上疊加高速軸聯(lián)軸器和制動(dòng)圓盤的慣量，在葉輪慣量上疊加低速軸的慣量。如欲簡(jiǎn)化計(jì)算，則因通常葉輪慣量折算到高速軸后也遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)慣量，所以有時(shí)可以忽略計(jì)算發(fā)電機(jī)慣量。第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析柔性系統(tǒng)圖中Jwtr是葉輪折算到高速軸的慣量，Twtr是葉輪折算到高速軸的轉(zhuǎn)矩，Tgen是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Jgen是發(fā)電機(jī)慣量，De為系統(tǒng)阻尼粘性系數(shù)，Kse為系統(tǒng)等效剛度。此外，

10、還可定義wtr為折算到高速軸的葉輪轉(zhuǎn)速，gen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，wtr為折算到高速軸的葉輪角位移，gen為發(fā)電機(jī)角位移。于是可建立模型如下：第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析柔性軸模型認(rèn)為低速軸和高速軸是柔性的，葉輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)自由度。葉輪轉(zhuǎn)子的加速度依賴于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度依賴于高速軸轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。軸的轉(zhuǎn)矩可以通過式子T來計(jì)算：BkT柔性傳動(dòng)鏈第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析剛性軸模型的從氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù) 072. 11802958. 0S2346. 0000324S. 023ss)()()(ssTsHGA柔性傳動(dòng)鏈第三章 風(fēng)電

11、機(jī)組特性分析當(dāng)參數(shù)給定如下時(shí)：風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機(jī)絕大部分是三相同步電機(jī)，其輸出連鄰近三相電網(wǎng)或輸配電線。第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)1.1.基本工作原理基本工作原理 1 1）分定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子：電樞繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)）分定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子：電樞繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的部件。轉(zhuǎn)子：可由勵(lì)磁繞組調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)。生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的部件。轉(zhuǎn)子：可由勵(lì)磁繞組調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)。2 2）具體：勵(lì)磁繞組外接直流電源得到勵(lì)磁電流，產(chǎn)生磁極磁場(chǎng)）具體：勵(lì)磁繞組外接直流電源得到勵(lì)磁電流，產(chǎn)生磁極磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)或勵(lì)磁磁場(chǎng)），風(fēng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，得到一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)（主磁場(chǎng)或勵(lì)

12、磁磁場(chǎng)），風(fēng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，得到一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)主磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)定子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在定子繞組中感應(yīng)出對(duì)稱的主磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)定子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在定子繞組中感應(yīng)出對(duì)稱的交流電勢(shì)。由于定于三相對(duì)稱繞組在空間相差交流電勢(shì)。由于定于三相對(duì)稱繞組在空間相差120120度電角度，因此度電角度，因此三相對(duì)稱的電勢(shì)也在時(shí)間上相差三相對(duì)稱的電勢(shì)也在時(shí)間上相差120120度電角度?？杀硎緸槎入娊嵌?。可表示為e eOAOA,e,eOBOB, ,和和e eOCOC第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析=2fs ,是勵(lì)磁電流產(chǎn)生的每極磁通；K是一個(gè)與電機(jī)極對(duì)數(shù)和每相繞組匝數(shù)有關(guān)的常數(shù)。60sspnf01Ek2.2.交流電勢(shì)的頻率交流電勢(shì)

13、的頻率頻率取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)頻率取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)P P和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n ns s，即，即3.3.每相繞組的電勢(shì)有效值每相繞組的電勢(shì)有效值4.4.同步發(fā)電機(jī)的額定值同步發(fā)電機(jī)的額定值 1 1）額定容量：是指出線端的額定視在功率，以千伏安）額定容量：是指出線端的額定視在功率，以千伏安（kVAkVA）、兆伏安）、兆伏安(MVA)(MVA)為單位；為單位；2 2）額定功率：是指發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率，一般以干）額定功率：是指發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率，一般以干瓦（瓦（kWkW）或兆瓦（）或兆瓦（MWMW）為單位。）為單位。 第三章 風(fēng)電機(jī)組特性分析第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的

14、同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián) 5 5 并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例一一 同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)1 1）注意并網(wǎng)條件）注意并網(wǎng)條件第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 帶調(diào)速系統(tǒng)的恒速恒頻同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶調(diào)速系統(tǒng)的恒速恒頻同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶變頻器的變速恒頻同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶變頻器的變速恒頻同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)5 5 并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例一一 同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 1)同步發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以向電網(wǎng)或負(fù)載提供無功功率，它不僅可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行，滿足各種不同負(fù)載的需要

15、。 2)同步發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本比異步發(fā)電機(jī)高。一一 同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)6.6.同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 1.結(jié)構(gòu)：1)異步發(fā)電機(jī)稱感應(yīng)發(fā)電機(jī)，有鼠籠型和繞線型兩種。2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)運(yùn)行的異步電機(jī)，其定子與同步電機(jī)的定子基本相同，定子繞組為三相的，可接成三角形或星型接法；轉(zhuǎn)子則有鼠籠型和繞線型兩種。 二異步發(fā)電機(jī)二異步發(fā)電機(jī)第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)第三節(jié)、交流發(fā)電機(jī)2.工作原理：1)根據(jù)異步電機(jī)理論，異步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由定子三相繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電網(wǎng)的頻率及電機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)，即：式中：ns為同步轉(zhuǎn)速

16、； f為電網(wǎng)頻率；p 為繞組對(duì)數(shù)。 60sfnp二異步發(fā)電機(jī)二異步發(fā)電機(jī)第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 2）當(dāng)異步電機(jī)連接到頻率恒定的電網(wǎng)時(shí)，異步電機(jī)可以有不同的運(yùn)行狀態(tài)；l 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)（即nns），處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)異步電機(jī)吸收由原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能而向電網(wǎng)輸出電能。二異步發(fā)電機(jī)二異步發(fā)電機(jī)2.工作原理工作原理第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 2）當(dāng)異步電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)后作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率S為負(fù)值。 |s|取值越大，則系統(tǒng)平衡陣風(fēng)擾動(dòng)的能力越好，一般與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的容量較大的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)速的運(yùn)行范圍在ns與1.05ns之間。 二異步發(fā)電機(jī)二異步發(fā)電機(jī)3

17、.轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率100%ssnnSn第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 1）缺點(diǎn)：在向電網(wǎng)提供有功功率的同時(shí)，要從電網(wǎng)中吸收無功功率。2）優(yōu)點(diǎn)：并網(wǎng)要求不像同步發(fā)電機(jī)那么嚴(yán)格，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)就可并網(wǎng)。？并網(wǎng)方式結(jié)論 ：在與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的定槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大多采用異步發(fā)電機(jī) 。為了充分利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，廣泛采用雙速異步發(fā)電機(jī)。 二異步發(fā)電機(jī)二異步發(fā)電機(jī)4.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 3、普通異步發(fā)電機(jī)特性sRUfpmTrse2212第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 4、變距變速雙饋發(fā)電機(jī)第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)rsmrrrrrsmrrr

18、rrsmssssrsmssssIILILjsIRIIjsXIjsXRVIILILjIRIIjXIjXRV11rsmpeIjIXnT*Re23*Im23Re23ssssssIVQIVP*Im23Re23rrrrrrIVQIVP第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 變速恒頻運(yùn)行原理第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 雙饋發(fā)電機(jī)有功及無功調(diào)節(jié)ssRIsusEq 軸rIsIsyd 軸d riq ri0/qsssmssdsUILyyyqrsmqsssdrmmdrsmdsiLLiLiLIiLLiydsmslipdrrslipdrrqrqsmslipqrrslipdrrdriLiLiRuiLiLiRudsdrmssmqsdsdsqssqsqrsmqsqsdsdssiuiiuLLiuiuQiuiuLLiuiuP1111232323232323第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 5、永磁風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性永磁同步電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空間布置的軸向示意圖第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 永磁風(fēng)電機(jī)的全功率驅(qū)動(dòng)變流器第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) 永磁發(fā)電機(jī)等效電路第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī) Ps=3/2risqffsdr2sdrsi23iL23Qy永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制運(yùn)行與操作啟動(dòng)與并網(wǎng)、