风机动态模拟与仿真研究

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1、风机动态模拟与仿真研究卢磊，杨淑英，谢震(合肥工业大学电气与自动化工程学院)摘要：为了满足实验室中研究风力发电系统的特性及验证其控制方案的需要，本文建立了兆瓦级风机发电系统的动态模拟仿真模型，气动特性上综合考虑了风剪、塔影效应引起的转矩、功率脉动，并建立风力发电系统的传动轴的柔性体模型，进而搭建了基于大型风机的模拟仿真平台。仿真结果表明，风电机组的动态特性与实际系统想吻合，适用于实验室条件下研究风力发电系统。关键词：风力发电系统；风剪；塔影屮图分类号：TK89dynamicsimulationresearchonwindturbinegeneratorsystemLuLei

2、,YangShuying,XieZhen(SchoolofElectricEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,HeFei,China)Abstract:Tostudydynamicperformancesofwindturbinegeneratorsystem、andtodeterminethecontrolstructuresinlaboratory・Thedynamictorquegeneratedbywindturbine(WT)mustbesimulated.Intherepaper,adynam

3、icMWwindturbineemulatorisdesigned,whichconsiderwindshearandtowershadoweffect,andresulttheoscillationsintheoutputofpowerandtorqueofathreebladedwindturbine.Theshaftsystemofwindturbinegeneratorismodeledwithequivalentlumpmassmethodanddynamiccquations.Thcsimulationresultsshowthissimulationsyste

4、misfeasibleandefficient.Thewindturbinesimulatorclosetoactualonesandcanbeusedasasubstituteforactualwindturbineinexperiment.Keywords:windturbinegenerator;windshear;towershadow为了研究风力发电系统的特性及验证其控制策略，就需要建立一个详细的，能真实反映实际风电机组的动态模型，以便于高效、高质量地进行风力发电系统的研究。现有的机组模型卜2],要么在风机气动特性上仅关注其静态特性，即利用空气动力学基本公式计算风

5、机的气动特性，忽略了风机特有的风剪、塔影等效应⑴，要么对系统中的机械轴系进行忽略或者仅采用简单的运动学公式，针对现有风机模拟的不足之处，本文提出了综合考虑风剪、塔影效应和轴系扭振的风机动态模拟方案。并建立了基于兆瓦级风屯机组的仿真模型，该模型更接近实际系统并能反映系统的动、静态特性，仿真结果验证了理论模型的正确性。1风机的气动特性木文模拟的风机静动态特性，以等效风速的概念综合风剪、塔影效应得出风机的动态气动输出转矩⑶，复现了实际风机中存在的转矩脉动，更加真实的反映了风机的动态气动特性,有利于后续工作(例如风力发电的电网谐波污染)的开展。基金项目：教育部高等学校博上学科点专项

6、基金(200803591042)作者简介：卢磊(1987・)，男，硕士研究生，主耍研究方向：风力发电技术通信联系人：谢震(1976-),男，副教授，主耍研究方向：风力发电大功率并网变流器.E-mail:ppsd2003xie@sina.com1.1风机的静态气动特性根据空气动力学可知，风力机的输出功率和转矩为：1p二一G(九邛(1)2其中5(入,0)采用经验公式：(116)5(人卩)=0.5176、入-0.4卩-5e-2UL+0.0068X(2)其屮：丄一I_0.035、IX+0.()8p(T+f式中3为风机角速度，R为桨叶半径，p为空气密度，九为叶尖速比，P为桨距角，V

7、为风速。1.2风剪、塔影效应风剪效应是指风速随海拔高度变化而造成的对风机捕获转矩和功率的影响；塔影效应是指由于塔架对风分布的影响所形成的对风机捕获转矩和功率的影响，风剪、塔影所引起的风发电系统的输出转矩、功率脉动造成了电网电能质量的污染⑷。图1风机的静态气动转矩•转速输出特性Fig.1Torque-speedcurvesofawindturbine图2风剪、塔影效应示意图Fig.2thediagramofwindshearandtowershadow风剪、塔影效应对于输出转矩的影响可以转化为相对应的动态风速变化［3