風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型研究

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型研究

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越大。隨著能源一次能源的逐漸匱乏，清潔能源越來(lái)越受到重視。隨著其豐富的儲(chǔ)量，風(fēng)力裝置也得到了迅速發(fā)展。根據(jù)中國(guó)可支配能源學(xué)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)測(cè)量專業(yè)委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2011年中國(guó)的風(fēng)景設(shè)計(jì)為6422.10。在風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的同時(shí),制約我國(guó)風(fēng)力發(fā)展的主要因素也突顯出來(lái).主要有兩方面的因素,一個(gè)是技術(shù)因素,一個(gè)是人員因素.技術(shù)因素是因?yàn)槲覈?guó)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造能力并不高,核心技術(shù)需要引進(jìn)國(guó)外技術(shù).人員因素是因?yàn)轱L(fēng)電建設(shè)過(guò)快,需要大量的風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)行值班員,人員的培訓(xùn)跟不上風(fēng)電發(fā)展的速度,制約風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展.所以,建立一個(gè)與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境類似的風(fēng)電仿真裝置用于風(fēng)電值班員的培訓(xùn),可以培養(yǎng)大量的風(fēng)電運(yùn)行人員,提高運(yùn)行值班員的水平,能有效解決這一制約因素.國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電仿真有著廣泛的研究,最早在1983年美國(guó)AndersonPM等人將仿真方法用于MOD-2型風(fēng)力發(fā)電的研究1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理風(fēng)電仿真機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組1∶1全范圍仿真,模擬風(fēng)速變化,風(fēng)機(jī)變漿、偏航、電控、剎車、保護(hù)等系統(tǒng),以及模擬風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、并網(wǎng)和停機(jī)過(guò)程,真實(shí)反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組故障現(xiàn)場(chǎng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng).圖1為雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖,根據(jù)機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為如下幾個(gè)部分,并分別建立數(shù)學(xué)模型:1)風(fēng)機(jī).捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,當(dāng)風(fēng)以一定的速度和攻角作用在風(fēng)機(jī)槳葉上,使風(fēng)機(jī)槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)組軸承的旋轉(zhuǎn).變槳距風(fēng)機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流和葉片之間的攻角,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)了額定風(fēng)速后,輸出功率可以通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)定在額定功率上,特別是在風(fēng)速過(guò)大的情況下,風(fēng)機(jī)處于順槳狀態(tài),使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善.由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起停頻繁,風(fēng)輪又具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通常風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速都設(shè)計(jì)在20~30r/min,機(jī)組容量越大,轉(zhuǎn)速越低.2)電機(jī).將風(fēng)力機(jī)軸承的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能.發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)相連,輸出與電網(wǎng)頻率相同的電能,本文所研究的電機(jī)為雙饋異步發(fā)電機(jī).3)傳動(dòng)系統(tǒng).大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)一般水平放置,通過(guò)聯(lián)軸器或者變速箱將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接在一起.風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn).4)變槳距機(jī)構(gòu).對(duì)于槳葉可調(diào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,槳葉和輪轂不再采用剛性聯(lián)接,而通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的推力軸承或?qū)ｉT為變槳距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接,此即為變槳距機(jī)構(gòu).5)偏航機(jī)構(gòu).風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中需要時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,同時(shí)當(dāng)電纜纏繞到一定圈數(shù)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)解纜.偏航機(jī)構(gòu)根據(jù)測(cè)量結(jié)果,驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng),使風(fēng)輪對(duì)風(fēng),并控制自動(dòng)解纜的實(shí)現(xiàn).6)制動(dòng)系統(tǒng).包括氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)和機(jī)械剎車機(jī)構(gòu).風(fēng)力機(jī)在停機(jī)時(shí),將葉尖擾流器打開,形成氣動(dòng)剎車,負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)葉尖擾流器的機(jī)構(gòu)即氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu).當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到一定值,需要投入剎車盤,形成機(jī)械剎車.7)控制系統(tǒng).控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程,包括啟動(dòng)、并網(wǎng)、發(fā)電和停機(jī)等,通過(guò)不同的控制策略保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行.根據(jù)以上系統(tǒng)劃分,建立一個(gè)完整的風(fēng)電廠數(shù)學(xué)模型,需要建立風(fēng)速模型、風(fēng)機(jī)模型、電機(jī)模型和控制模型等.2清風(fēng)模仿真機(jī)數(shù)學(xué)模型2.1風(fēng)速模型建立組合型的風(fēng)速模型式中:V1基本風(fēng)分量v式中C為常量.22矩陣分量v式中:V3v漸進(jìn)風(fēng)式中:V43隨機(jī)風(fēng)v式中:V2.2軸模型利用貝茲(Betz)理論建立風(fēng)機(jī)模型式中:P風(fēng)能利用系數(shù)可以表示式中k風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩定義為式中ω2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)模型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、變速箱(聯(lián)軸器)和發(fā)電機(jī),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)軸承和電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)屬于定軸傳動(dòng),對(duì)于任何定軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常都可以用慣性負(fù)載、阻尼負(fù)載和彈性負(fù)載風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)由于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度較大,通常可以簡(jiǎn)化為質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)來(lái)分析,模型為:式中:T由式(9)、(10)聯(lián)立消去中間變量T,并用傳遞函數(shù)表示為定義變量為:式(11)簡(jiǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速表示為2.4溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響本文所研究的風(fēng)電發(fā)電機(jī)為雙饋異步發(fā)電機(jī),雙饋發(fā)電機(jī)一般有兩套繞組1)忽略空間諧波,設(shè)三相繞組對(duì)稱,所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙正弦分布;2)磁場(chǎng)飽和及鐵心損耗忽略不計(jì),并忽略鐵心和導(dǎo)線的集膚效應(yīng),各繞組的自感和互感都是線性對(duì)稱的;3)不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響;4)轉(zhuǎn)子各參數(shù)都折算到定子側(cè),折算后定、轉(zhuǎn)子各相繞組匝數(shù)相等;5)忽略鐵芯損耗.雙饋異步發(fā)電機(jī)等值電路如圖2所示.雙饋異步發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型具有非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),分析和求解非常困難.為了簡(jiǎn)化分析和應(yīng)用于矢量變換控制,通過(guò)坐標(biāo)變換的方法將三相靜止坐標(biāo)系的矢量變換到兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下,在變換中采用功率不變或幅值不變的原則.雙饋異步發(fā)電機(jī)在兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電壓方程(從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系方程)為式中:ω磁鏈方程為式中:L發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為式中p本文中發(fā)電機(jī)模型是按照上述電機(jī)方程組建模,其中發(fā)電機(jī)模型由轉(zhuǎn)子模塊、交互磁鏈模塊、定子模塊、機(jī)電運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)成.2.5變槳距控制原理風(fēng)機(jī)控制包含轉(zhuǎn)速控制(最優(yōu)功率控制)和變槳距控制.轉(zhuǎn)速控制根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量值,通過(guò)查找轉(zhuǎn)速-功率曲線得出轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的功率,作為功率參考值送入控制器中,轉(zhuǎn)速-功率曲線由廠家提供.變槳距控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度,使風(fēng)輪具有最大的啟動(dòng)力矩,從而使變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更容易啟動(dòng).當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫離電網(wǎng)時(shí),變槳距系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使之減少功率,起剎車作用.當(dāng)發(fā)電機(jī)功率超過(guò)額定功率時(shí),變槳距調(diào)整葉片節(jié)距角,將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近.發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí),使轉(zhuǎn)速維持并網(wǎng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)間,然后并網(wǎng).變槳距控制主要根據(jù)轉(zhuǎn)速給定值與轉(zhuǎn)速實(shí)際值的差值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié),本文中通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)進(jìn)行控制.3模擬結(jié)果3.1仿真對(duì)象的確定本文以國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為仿真對(duì)象,機(jī)組參數(shù)為:1)風(fēng)機(jī)參數(shù).風(fēng)輪半徑R=42m,空氣密度ρ=1.213kg/m2)電機(jī)參數(shù).額定功率P3.2風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的影響在JSCC仿真支撐系統(tǒng)下編制Fortran算法,采用模塊化建模方法對(duì)風(fēng)力機(jī)組在風(fēng)速?gòu)?~20m/s逐步變化的過(guò)程進(jìn)行了仿真.在風(fēng)速變化過(guò)程中,主要物理量的變化如圖3所示.在0~2s時(shí),處于低風(fēng)速條件下,風(fēng)輪槳距角保持不變,始終等于風(fēng)輪安裝角1.5,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制來(lái)取得最大功率系數(shù)以獲得最大風(fēng)能,功率系數(shù)CP最大值為0.44,此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率維持最大值1.3MW.從2~4s開始風(fēng)速逐漸增大,并且逐漸等于并超過(guò)額定風(fēng)速,隨著風(fēng)速超過(guò)額定值,變槳機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作進(jìn)行變槳,此時(shí)要一直增加槳距角,葉片的攻角隨著風(fēng)速的變大而變大,從而改變了風(fēng)機(jī)獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,減少了風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能,功率系數(shù)下降至0.33,使風(fēng)機(jī)輸出功率保持穩(wěn)定,維持發(fā)電機(jī)工作在額定功率上.在6s時(shí)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速,機(jī)組收到停機(jī)指令,功率系數(shù)下降至0,發(fā)電機(jī)功率下降至0,機(jī)組安全停機(jī).4典型機(jī)組仿真系統(tǒng)應(yīng)用本文在JSSS仿真支撐平臺(tái)上通過(guò)模塊化建模方法建立了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型,包括風(fēng)速模型、風(fēng)機(jī)模型、電機(jī)模型和控制模型.并對(duì)國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)2MW風(fēng)機(jī)機(jī)組的典