变桨距风力发电机组的模拟

《变桨距风力发电机组的模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第四编!风力发电机的控制与供电质量技术#######################################第四章!变桨距风力发电机组的模拟建立风力发电机组模拟系统，主要是对风力发电机组进行实验研究，因为它可以不受气象条件的限制。本章将介绍风力发电机组的模拟方法和算法，对变桨距风力发电机组给出各种静态和动态特性，并通过风力发电机组实时模拟系统的实验，说明各种算法在动态模拟过程的有效性。第一节!模拟系统的结构实时变桨距风力发电机组模拟系统包括：（"）一个实时软件模拟器，用以执行风力机的数学模型。（#）一个机电随动系统，用以

2、接受来自实时软件模拟器的给定信号，提供一个可测量的输出变量，作为系统对实时软件模拟器的响应。图$%"给出了实时风力发电机组模拟系统结构的简化框图。其中，用于实时软件模拟器的风力机的状态模型为{&’()（&，*）)+(,（&，*）（$%"）图$%"!实时风力发电机组模拟器的控制结构输出变量+是机电随动系统的参考信号。当+是转速参考值时，模拟器可执行速度控制策略，这时了，是转速传感器；当+是转矩参考值时，模拟器可执行转矩控制策略，这时-.是转矩转感器。图中/是控制器，0是电动机，,是发电机。在风力发电机组模拟的试验研究中，存在两种可

3、能实现实时软件模拟器的情况：（"）制造商给出转矩系数特性。·321·第四编#风力发电机的控制与供电质量技术#######################################（!）在没有静态特性的情况下，风力发电机组通过制造商提供的参数来确定。在以上两种情况中，制造商参数均被采用。为了得到风力机的数学模型，通常采用两种方式：（"）通过实验确定风力机模型。（!）通过分析建模。风力机模型的实验确定方法，需要在所有运行风况下风力机的试验结果，这一方法虽然能给出一个尽可能真实的物理模型，但很难实现。分析建模不如前者那么精确，但

4、根据物理结构和制造商提供的设计参数，可以给出一个模型，本章将采用这一方法建模。第二节#风力发电机组特性的数学模型一、给定转矩系数的情况风力机的静态特性可以通过数值查表得到，但为了便于软件模拟器的执行，我们更希望能得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。为此，设风力机特性的数学模型为一个$次多项式，于是转矩特性由下式给出*’$*%（&!）’"()#"*!（+,!）*’"式中，-*参数（*’(，"，!⋯，$）由.-/0-1计算程序确定。用以下关系式可以计算转矩：2$!’（+,3）%"!3&’&’%（&!）%2（+,+-）!该方法

5、给出了任一时刻定桨距风力机的气动转矩，它是风速%和转速$的函数：&’&（$，%）4（+,+1）(’%式中#%———常数，表示定桨距。如果考虑与发电机相连，则风力发电机组最简单的动态模型由以下的运动方程给出：6$5’&（$，%）,&（0$，70）（+,8）6/式中#5———总的惯性矩；&（$，%）———由式（+,3）和式（+,+）表达的气动转矩特性，&（0$，70）———发电机的静态特性；70———发电机负载系数。风力发电机组的静态运行点处于两个特性的交叉点，无论是负荷的改变还是风速的改变，系统将通过合适的动态过程过渡到对应新交叉

6、点的静态运行点。二、转矩系数未知的情况这种情况是经常发生的，既使转矩系数已经给出，静态特性%（&!）描述的仅仅是节·89+·第四编0风力发电机的控制与供电质量技术#######################################距是恒定的情况。在这种情况下，风力机的起动状态和速度调整状态（节距角为变化量）不能用这一特性模拟。因此，我们要做的是，在我们仅仅知道风力发电机组设计参数的情况下，开发一种方法和算法，以模拟变桨距风力发电机组，该算法可以给出：!）功率系数特性曲线，"#$"（#!，"）；%）转矩系数特性曲线族，"

7、&$"（&#，$，"’）；（’$!，%⋯，(）；)）转矩系数"&作为风速$，转速#和节距角"的函数计算值。（一）计算变桨距风力机静态特性的方法假定已知：%风轮半径*；&轴毂半径+,，’叶片廓线形状，即桨叶弦长对于距风轮轴线距离（当地半径）+的变化；(叶片的特定扭角，即节距角对于当前半径+的变化"（,+）；)输入变量，包括风速$、风轮角速度#、相对于毂轴的叶片节距角"。考虑长度-+的叶片微元处于距离风力机转轴+处，桨叶节距角"和其轮廓如图./%所示。图中也描述了速度和叶片的受力情况。图./%0叶片微元受力和速度图我们注意到：微元所

8、受的力有-1———作用于叶片单元的总力；-2———升力；-3———阻力；-14———在转动方向上的微元升力；-15———微元的阻力。速度$———风速；6，6,———相对于叶片的风速，分别为考虑到涡流和未考虑涡流的情况；*$———由涡流运动引起的轴向风速分量；·7