风力发电机组动力学建模与分析

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1、第３９卷第５期２０１５年３月１０日Vol．３９No．５Mar．１０,２０１５DOI:１０．７５００/AEPS２０１４０６１２００５风力发电机组动力学建模与分析刘先正１,王兴成１,温家良２,于坤山２(１．大连海事大学信息科学技术学院,辽宁省大连市１１６０２６;２．国网智能电网研究院,北京市１０２２００)摘要:为研究并网型风力发电机组暂态过程对电力系统产生的影响,建立准确有效的机组机电暂态模型是展开分析研究的基础.文中根据风力发电机组结构将机械暂态模型划分为空气动力学模型、转子及塔筒动力学模型、传动链模

2、型三部分,并利用理论力学的经典方法对该三部分进行了详细分析,在充分考虑各环节之间的相互影响后对模型接口进行了修正,从而完成机械子系统的建模.在MATLAB/Simulink下对３MW双馈风电机组进行了建模,将模型线性化后利用ControlSystemToolbox工具箱进行根轨迹提取,从而分析出影响传动链转速动态特性的主要因素.最后,在时域下与常规机械暂态模型进行了仿真对比,验证了所述模型具有更高的精度.关键词:风力发电;暂态模型;动力学模型;非线性模型;电能质量０引言叶片柔性的三质量块模型,但仍忽

3、视了塔架振动造成的相对风速偏差问题.实际工程中,风电设备制随着风电在电力系统中所占比例逐步增加,其造商常使用GHbladed仿真软件计算疲劳、极限载对电力系统的影响已经不可忽视.据中国可再生能荷,其允许用户在设置好工作点参数后直接导出源学会的统计,截至２０１３年中国风电总装机容量已MATLAB格式的模型状态矩阵,但其建模机理却达９１GW,全球风电装机容量更是达到３１８GW.不透明.然而,风电作为一种清洁的可再生能源,对电网出力本文提出利用理论力学中拉格朗日方法对风轮却呈现出电能质量差、能源随机性大的

4、问题,对电网及塔架建立五自由度动力学模型,并充分考虑这些[１Ｇ３]稳定性、安全性及可靠性等方面产生负面影响.角位移与传动链及叶片之间的耦合关系后建立机组因而,近年来各国电网对风电并网也提出了越来越机械暂态模型.在MATLAB环境中实现该模型后高的要求,如机组高、低电压穿越的要求,对公共连利用ControlSystemToolbox中模型线性化工具提接点闪变干扰的要求.取根轨迹,并分析出对传动链低频振动影响最大的水平轴风力发电机组是一个复杂的机械系统,零极点.该动力学模型描述了风轮在旋转过程中各和任何

5、柔性结构一样,风力发电机组也呈现出许多环节相对运动的暂态过程,可为分析机电耦合机理[４Ｇ６]振动模态.其中,包含３个叶片在内的风轮在旋以及设计非线性控制器提供依据.转平面内的振动模态将直接与传动链耦合,而风轮面外方向振动及塔架沿驱动侧方向的前后振动将对１风力发电机组机械子系统结构相对风速产生修正作用,从而进一步增加叶片所吸目前并网运行的兆瓦级风力发电机组主要包括收风能的波动性.因此,在分析风力发电机组闪变双馈异步式机组、永磁直驱式机组、全功率异步式机问题,以及研究风力发电机组在高、低电压穿越中的组以

6、及采用鼠笼电机直接并网的异步机组等.其机电暂态过程时,都需要建立准确的机理模型.文中,除直驱式机组没有齿轮箱结构以外,其余风电机献[７]所提出的暂态仿真模型采用激盘理论建模的组机械子系统均可由图１所示结构等效.风轮模型与二质块等效的传动链组成机械子系统,其中:空气动力学模型由激盘理论或叶素理论没有考虑叶片、塔架实为柔性结构.文献[８]所提出对叶片受力进行描述,根据实时桨距角、风速将能源的传动链等效模型采用等效集中质量法提出了考虑转换升力、阻力,再通过坐标变换分解为旋转面内、面外的力矩;转子及塔筒动力

7、学模型将塔筒、轮毂、收稿日期:２０１４Ｇ０６Ｇ１２;修回日期:２０１４Ｇ０７Ｇ１７.叶片视为一个有５个自由度的整体,通过求解拉格国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目朗日方程来得到在这些自由度上的角位移及转矩;(２０１２CB２１５２００).传动链动力学模型的作用是将低速旋转的轮毂转矩http://www．aepsＧinfo．com１５２０１５,３９(５)?绿色电力自动化?传递给高速旋转的发电机转子,并通过与以电磁转３倍、６倍于转速的干扰,其影响因素包括风力发电矩为主的阻力矩相互作用而致使转速

8、变化;由于塔机组偏航对风角度误差、平均风速随高度递增而变[１１Ｇ１２]筒沿驱动侧前后摇摆造成相对风速偏差,因而引入化等.考虑这些影响时可采用下式对式(２)进该角位移以修正风速,由于塔筒沿非驱动侧左右摇行修正:摆造成齿轮箱转速偏差,因而需引入该角位移以修１ρπC(,λ)v２R３pβTin＝＋ξ１cos３ωt＋ξ２cos６ωt正传动轴旋转角位移,但由于该方向振动模态并不２λ引起空气动力学模型变化,因而考虑将该部分动力(３)方程包含到传动链动力学模型之中.式中:ξ１和ξ２为