【正文】 外文翻譯 附錄 A 固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 緒論 抽象程度越來(lái)越高的風(fēng)力 發(fā)電 渦輪機(jī) ，在現(xiàn)代電力系統(tǒng) 中 需要 一項(xiàng) 準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定模式 . 因?yàn)樵S多風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往集合在一起， 其中 等價(jià)建模幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為關(guān)鍵 . 本文 介紹的 降階動(dòng)態(tài)固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型適合暫態(tài)穩(wěn)定模擬 . 該模型是使用一個(gè)模型還原技術(shù) 所構(gòu)建 的高階有限元模型 . 然后 ， 用等價(jià)方式 表明如何 將 幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力 合并成一個(gè) 單降階模型 . 用 模擬個(gè)案來(lái)說(shuō)明一些獨(dú)特性能的動(dòng)力系統(tǒng) ， 含風(fēng)力發(fā)電機(jī) . 所以說(shuō)， 本文著重于 介紹 水 平軸風(fēng)力渦輪機(jī)用異步電機(jī)直接連到電網(wǎng)作為 系統(tǒng)的 發(fā)電機(jī) . 用參 數(shù)計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定模擬 系統(tǒng) ， 計(jì)算 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的 建模 ，計(jì)算 風(fēng)力渦輪機(jī)造型 . 正文 一 .最近 ， 大家對(duì) 風(fēng)能 的 發(fā)展 展現(xiàn)出了濃厚 的興趣 . 伴隨著 使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱潮，現(xiàn)在 需要對(duì)電 力動(dòng)態(tài) 系統(tǒng) ， 電力傳輸規(guī)劃 的設(shè)計(jì)評(píng)估 . 本文 的第一個(gè)目的是 提出一個(gè)準(zhǔn)確的低階動(dòng)態(tài)模型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 ，它 是 符合現(xiàn)代機(jī)電暫態(tài)模擬 計(jì)算機(jī) 程式 的 . 本文中，開(kāi)發(fā)的模式 著重于水平軸 的風(fēng)力發(fā)電機(jī) ， 或 風(fēng)力機(jī)直接連到同步網(wǎng) 時(shí) 采用異步發(fā)電機(jī) . 這 其中還 包含許多現(xiàn)代大型 發(fā)電 系統(tǒng) . 由于大型風(fēng)力裝置 的 構(gòu)建 是由許多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的 ， 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的 建模是一個(gè)迫切 的 需 求 . 因此 ， 本文的 第二個(gè)目 的 是提供一種方法 ，它 結(jié)合數(shù)個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到 一個(gè) 電網(wǎng) 上，然后 通過(guò)一個(gè)共同 模式整合 成一個(gè)單一的等效模型 . 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為定速或變速 . 以最 小 單位 ， 渦輪驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)發(fā)電機(jī) 為例 ，它 是直接連接到電網(wǎng) 上的 . 渦輪轉(zhuǎn)速變化很小 ， 那是 由于陡坡的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 和 轉(zhuǎn)速 的 特性所制 ； 因此 ， 它被稱為 定 速系統(tǒng) . 還 有變速裝置 ， 發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的 技術(shù) 使 渦輪速度受到控制 ， 以最大限度地表現(xiàn) 出來(lái) (例如 ，電力 的控制 ) . 這兩種方法在 風(fēng)力工業(yè)均非常普遍 . 在 本文 中， 我們將目光集中在建模 定速 裝置和等效模 擬 幾個(gè)固定轉(zhuǎn)速 風(fēng) 力發(fā)電集成園 . 第一 種 典型的風(fēng)力 機(jī)械頻率 是在 0至 10 赫茲范圍 ； 這也是各種機(jī)電振蕩 的頻率 . 因此 ， 這涉及到 機(jī)械振動(dòng)的風(fēng)力互動(dòng) 學(xué) 與機(jī)電動(dòng)力學(xué) . 這方面的例子 參見(jiàn) 本文 . 因此 ，為了構(gòu)建 一個(gè)精確的模型 ， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)可用于暫態(tài)穩(wěn)定 的 研究 . 第 一種 渦輪機(jī)械動(dòng)力學(xué)必須 能準(zhǔn)確 的 代表 模型 . 這里的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型 建 出了導(dǎo)電模型 ， 減少了一個(gè)詳細(xì)的 650 階有限元模型的一個(gè)典型 的 橫向軸 . 氣動(dòng) 力 和機(jī)械動(dòng)力的減少 與 非線性四階雙渦輪慣性模型相結(jié)合 生 成了 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)模型 . 模擬計(jì)算表明了模型的精確性 .幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng) 上 通過(guò)一個(gè)單一的 模型 建模 ， 因?yàn)槊總€(gè)渦輪暫態(tài)穩(wěn)定 系統(tǒng)都 過(guò)于繁瑣 ， 我們的目 的 是整 和 風(fēng) 力發(fā)電 園成為 相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型 的極小系統(tǒng) . 我們對(duì)等價(jià)建模 的 風(fēng)園涉及 到 把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率 整和 成單一當(dāng)量的渦輪機(jī) . 模擬結(jié)果表明 ， 這種方法能夠提供準(zhǔn)確的結(jié)果 . 二 . 范例 關(guān)于 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 建模的代表范例是關(guān)于 暫態(tài)穩(wěn)定 系統(tǒng)的，它包括在 [2] [10] . 模擬結(jié)果 表明， 固定頻 率的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要集中在以下兩個(gè)主要方法 . 第一種方式是 把 汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為一個(gè)單一的慣性 體 從而忽 略 系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率 [2] [5] . 第二種方式是 把 渦輪葉片和樞紐之一 的 慣性 體 接上發(fā) 電機(jī) 加上 一個(gè) 彈簧 [6] [9] . 在所有這些論文 中 ，彈簧剛度的計(jì)算是從系統(tǒng)的 主要部分中提取的 . 我們的研究顯示 ， 較第一型機(jī)械頻率 來(lái)說(shuō)第二型才 是至關(guān)重要的一個(gè)精確的模型 . 有限元分析表明 ，第一 類 動(dòng)力 的變化 主要是因?yàn)殪`活的渦輪葉片不 夠精確 . 根據(jù) 建模方法 的算法 ， 我們得知的主要 事實(shí)是 ，小 而 靈活的機(jī)械部件是渦輪 上的 刀片 . 結(jié)果 [7]集中 表明了 幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 和 降階風(fēng)園模型 的 類型和與類型相 結(jié)合的方法 . 但是 ， 作者不 能 解決水輪機(jī) 和風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合時(shí) 采用這種方法保存的機(jī)械 要求 . 我們的研究結(jié)果表明 :這關(guān)鍵在于有一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)示范園 . [10]詳細(xì)討論了降階 變速渦輪機(jī)載 的建模 . 作者 稱渦輪 的 機(jī)械能 所 代表 的類型是 一個(gè)單一的 個(gè)體 ， 從動(dòng)態(tài)的機(jī)電動(dòng)力學(xué) 分析，那是 因?yàn)?機(jī)械的 慣性 使它的 變速 性能產(chǎn)生堵 塞 . 我們分析時(shí) 不考慮變速情況 .[2] [10]的工作闡述 著重于低階水輪機(jī)模型 ， 從而 可以容易地實(shí)現(xiàn)大型暫態(tài)穩(wěn)定代碼 的測(cè)量 .相當(dāng)多的研究集中在建模 定額 一個(gè)更 深入 的層次 . [17]是 一個(gè)很好的概況和 文獻(xiàn) . 從高度詳細(xì)的有限元模型 角度， 詳細(xì) 的闡述了 建模方法 ， 還 較簡(jiǎn)單的 敘述了 六 轉(zhuǎn) 五 轉(zhuǎn) ，三 轉(zhuǎn) 水輪機(jī)模型 .這些模型 中的大部分都 采用動(dòng)量理論 來(lái) 計(jì)算氣動(dòng)力 . 三 .我們對(duì)發(fā)展渦輪動(dòng)力 的一個(gè)降階模型 為出發(fā) 點(diǎn) ， 把所有機(jī)械和氣動(dòng)渦 輪機(jī) 動(dòng)態(tài)效果以 高度 詳細(xì) 的用 機(jī)電射程 的形式表示出來(lái) . 在這個(gè)還原過(guò)程中 ，是 以 消費(fèi)者的角度 來(lái)分析 渦輪軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī) 的 . 目的是為了準(zhǔn)確反映軸轉(zhuǎn)速和扭矩特性與最小模型 的 秩序和復(fù)雜性 . 數(shù)值調(diào)查表明 ， 機(jī)械 氣動(dòng)和機(jī)械效應(yīng) 的 一個(gè)例子 所展現(xiàn)的 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有限元建模環(huán)境 . 該系統(tǒng)是一種新興的橫向風(fēng)軸機(jī)床 ， 包括三個(gè) 米 葉片 ，葉片的 一套點(diǎn)俯仰角度 為 ， 一個(gè) 米 的 主軸 ， 它們的 額定功率 為 RPM 和 兆瓦 ， 在 15 米/秒的風(fēng) 速條件下 . 汽輪機(jī)是透過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的異步發(fā)電機(jī)模型直接連接到 60 赫茲 的機(jī)械 . 它還 利用 ADAMS 有限元軟件 (來(lái)自機(jī)械動(dòng)力學(xué) 公司 ) ， 加上毫微克 (即由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 )軟件 進(jìn)行模擬 . 這兩個(gè) 軟件 一起被稱為亞當(dāng)斯 . 所有 參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的 模型 研制 出一個(gè)現(xiàn)實(shí)的大型機(jī)器 . 整個(gè)系統(tǒng)包含 325 個(gè)自由度 ，包括非常詳細(xì)地模擬動(dòng)力和外部 作用力 . 由于機(jī)械設(shè)計(jì)中的大多數(shù)水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)極為 相似 ， 結(jié)果 使 該方法的適用面廣 . 研究者 在 用 亞當(dāng)斯 /分?jǐn)?shù)制進(jìn)行了研究 以后 ， 還 廣泛接觸了以一個(gè)制動(dòng)脈沖 對(duì) 該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng) 的研究方法 .為了模仿 長(zhǎng)達(dá) 毫米的 三相短路 ， 發(fā)電機(jī)軸 對(duì)電路的混亂 反應(yīng)進(jìn)行了分析 . 1 . 從 圖 1 ， 系統(tǒng) 的反應(yīng)是一個(gè)阻尼振蕩 的過(guò)程 . 詳細(xì)的 擬 態(tài)分析表明 ， 系統(tǒng)的振蕩是由于外層部分 的 葉片振動(dòng)對(duì)兩者的內(nèi)在部位的葉片 的作用 .這樣的結(jié)果是很典型的 . 1)亞當(dāng)斯仿真結(jié)果 . 現(xiàn)代風(fēng)力渦輪葉片非常大 ， 有彈性 ， 而且往往顫動(dòng) . 1表明 ， 它主要包含 4 Hz 分量 .這也是典型的大型渦輪機(jī) ， 它 通常有第一 型機(jī)械自然頻率在 0 至 10赫茲范圍內(nèi) . 因?yàn)檫@個(gè)范圍也是典型的機(jī)電振蕩 頻率范圍 ， 這 還 是 風(fēng)力渦輪機(jī) 的關(guān)鍵頻率范圍 .而研究者 會(huì)傾向 于研究 機(jī)電振蕩 的頻率 . 模態(tài)的第一振蕩模式 會(huì)產(chǎn)生一系列的 主導(dǎo)反應(yīng) . 從圖 1起見(jiàn) ， 該模型 的描圖 可以代表兩 標(biāo)準(zhǔn) 單彈簧阻尼系統(tǒng) ， 這是基礎(chǔ)的降階模型 和 一 個(gè) 的外部分的葉片 2 ) . 葉片尖端硬性 連 接 描圖 . 2 )刀環(huán) 葉片 的細(xì)片 (忽略質(zhì)量 )作為一個(gè)單一的慣性 體 ， 其 所有的瞬態(tài)干擾 行為通過(guò)發(fā)電機(jī)軸 的 所有刀片 .其他慣性 力的 代表 如 集聚效應(yīng)的葉根 ， 輪轂 ， 渦軸 ， 齒輪 ， 軸發(fā)電機(jī) ， 發(fā)電機(jī)的慣性 都很大 .一個(gè) 典型的系統(tǒng) ， 內(nèi)部慣性主導(dǎo)地位 取決于 葉根和發(fā)電機(jī)的慣性 量 .許多 研究者都 推 斷 整個(gè)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)成為一個(gè) 單一的惰性 體從而 忽 略 第一機(jī)械 型 動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)的作用 .別人都認(rèn) 同 第一動(dòng)態(tài)模式 ， 但不 認(rèn)同 模式葉片彈性 模式 .相反 ，這些作者都假設(shè)葉片是一個(gè)慣性 體而把 模型渦輪軸作為一個(gè) 彈簧體 . 但是 ， 在一個(gè)典型的系統(tǒng) 中 ， 軸上的 刀片 相比其他元件來(lái)說(shuō) 靈活得多 . 我們的研究表明 ， 第一機(jī)械模式 的葉片可以 與豎 軸 作為一個(gè)剛體 . 我們的研究還表明 ， 正確建模 是研究 力學(xué) 的 關(guān)鍵 ， 以獲取準(zhǔn)確的瞬態(tài)仿真結(jié)果 . 四 .單一風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型 由兩個(gè)基本部分組成 : 降階雙渦 輪慣性模型 和 驅(qū)使風(fēng)力 的力矩 .在 本文 中 ， 我們假設(shè)發(fā)電機(jī)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異步電機(jī)直接連接 起來(lái) 的網(wǎng) 絡(luò) ， 這 也 是最常見(jiàn)的配置 方法 . ( 1 )葉片數(shù)目 :有效傳動(dòng)比 =實(shí)際渦輪轉(zhuǎn)速 /額定渦輪轉(zhuǎn)速 ； 電氣頻率基 數(shù) ； 每個(gè)葉尖 惰性體 :每個(gè)葉片根部 惰性 +慣性 +慣性渦輪軸傳動(dòng) 力 /慣性 力 +發(fā)電機(jī)軸 轉(zhuǎn)子 的慣性力 ； 葉片剛度 ， 葉片阻尼 ， 氣動(dòng)風(fēng)力矩 .發(fā)電機(jī)電氣扭矩 和 葉尖角度通過(guò)齒輪傳動(dòng)反映 出 發(fā)電機(jī)軸 向 角 .計(jì)算 這個(gè)角 需要有 葉片斷裂的 慣性力和 彈簧減振器 的相關(guān)參數(shù) (見(jiàn) 圖 2).如果葉片 放置在 不破裂的正確位置 ， 然后 得到的 機(jī)械模態(tài)形狀 就會(huì) 正確 了 . 研究 的突破點(diǎn)主要 在一個(gè) 刀片力學(xué) 性能上 ， 可以從有限元分析或試驗(yàn)的葉片 得到相應(yīng)的數(shù)據(jù) ， 這個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)似乎發(fā)生在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)彎曲的葉片 上 .在 研究 實(shí)例個(gè)案 上 ， 降階系統(tǒng)的靈敏度放置不當(dāng)?shù)耐黄泣c(diǎn)是很大的 . 所幸的是 ， 最 先進(jìn) 的葉片或制成品設(shè)施 (如 在國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 的設(shè)施 )有所需的資料 用 以確定葉片 的 斷裂點(diǎn) .電力工程師只需要 這一信息 請(qǐng)求 便 可輕易計(jì)算出典型制造的數(shù)據(jù) .還 可以計(jì)算出 知識(shí)系統(tǒng)的第一型機(jī)械固有頻率 的 使用 剛度 . （ 2） 哪里第一模 型 機(jī)械 研究技術(shù) 領(lǐng)先 ， 其機(jī)械的 固有頻率與系統(tǒng)連接到 一起的幾率就大 . 例如 ， 在上一節(jié)系統(tǒng) 的系統(tǒng)情況就是這樣 .一般來(lái)說(shuō) ， 制成品可以提供這樣的頻率范圍 .它可以很容易 的 用制動(dòng)脈沖對(duì)水輪機(jī) 進(jìn)行計(jì)算 和分析 .在大多數(shù)情況下葉片阻尼很小 ， 并假定為零 .在旋轉(zhuǎn)機(jī) 中， 衡量葉片的剛度是 用彈簧剛度來(lái)計(jì)算的 .主要衡量 葉片的邊緣 剛度 .可以看出 ， 在 ( 3 )中 ， 計(jì)算剛度 是依靠俯仰 的 角度 的 . 這也僅限于從 零度至 10度 的 典型 情況 . （ 3） 根據(jù)這一限制表明 ， 差異很小 的 不同 位 置需要 設(shè)置 不同的 點(diǎn) .這意味著 ， 根據(jù) 實(shí)驗(yàn) 的 支持 ，這是水輪機(jī)模型 很小敏感性變異系統(tǒng)的 準(zhǔn)確的 俯仰角 . 假設(shè)一個(gè)理想的轉(zhuǎn)盤(pán) 來(lái)進(jìn)行 風(fēng)力矩 的 計(jì)算 . （ 4） 在葉尖部分反 映 出的實(shí)際速度 ， 加上 空氣密度 的影響 ， 通過(guò) 清掃面積的葉片 的磨合 ， 計(jì)算出了 機(jī)組的功率系數(shù) . 不幸的是 ， 這不是一個(gè)常數(shù) . 然而 ，大多數(shù)渦輪制成品的特性反映出 同一條曲線 . 曲線表示 ， 作為功能機(jī)組的葉尖速比 . 葉尖速比 的 定義是自由風(fēng)速度比渦輪葉片的冰山速度 . ( 5 )葉片掃描半徑單元葉尖速比 . 3 顯示了 一個(gè)典型的風(fēng)力渦輪機(jī) 曲線 . 我們的研究已表明 ，可以假設(shè)固定 情況下 極高的風(fēng)力條件 下進(jìn)行 暫態(tài)穩(wěn)定研究 . 這是因?yàn)榈湫偷淖儺惾~尖速比下一個(gè) 10 秒的瞬態(tài) 葉尖比 小 .假定風(fēng)并沒(méi)有顯 著的 改變 模擬時(shí)間 ， 實(shí)際上 ， 渦輪軸 的 扭矩 實(shí)際上 是一個(gè)調(diào)制版 . 調(diào)制是眾所周知的 ， 而且主要是 考慮 由于大樓遮蔽和力學(xué)失衡 的作用 ，在專業(yè)人員和 模式 上才能出現(xiàn) 典型的調(diào)制頻率 (注 : 1 人 ，是一 種模式 ， 每一個(gè)渦輪葉片 ).我們不把這些效應(yīng) 考慮在內(nèi) ， 我們假定扭矩引起的暫時(shí)性故障比調(diào)制扭矩的 多 . 許多其他研究者已進(jìn)行了 這個(gè)假設(shè) .今后的研究將側(cè)重于檢驗(yàn)這一假設(shè) . 在一般情況下 ， 雙渦輪慣性模型 在 這里是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)健的模式 ， 涵蓋 了 許多汽輪機(jī)運(yùn)行條件 . 所有模型參數(shù)相對(duì)恒定 ，缺 少敏感性的俯仰角度 . 因?yàn)橹饕M成部分能量 是 短暫的 ， 那是 由于汽輪機(jī)的慣性能量 的影響 ， 而且 失速型風(fēng)力渦 輪機(jī)可準(zhǔn)確模擬 這種方式 . 乙發(fā)電機(jī)模型中的標(biāo)準(zhǔn)做法是行之有效的建模發(fā)生器[1].標(biāo)準(zhǔn) 而 詳細(xì) 的 兩軸感應(yīng)機(jī)模型是用來(lái)代表異步發(fā)電機(jī) [1]的 .由此方程 ( 6A )可知， 凡是暫態(tài)開(kāi)路 的 時(shí)間常數(shù) ， 滑移速度 ， 都 是同步 的 電抗 ， 還是 暫態(tài)電抗 .而且 并在 D 軸和 q軸定子電壓 中 ， 并在 D 軸和 Q 軸 的 每單位定子電流 中 . 轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是從 ( 6B )及定子電流的計(jì)算 中得到的， 是 通過(guò) ( 6C )款的發(fā)電機(jī)模型參數(shù) ( 6 )計(jì)算出 (第 562 ) ( 106 ) ( 7C )的相關(guān)參數(shù) . 風(fēng)園造型 中的 風(fēng)園分為幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng) 中整和 為 一個(gè)單一 的系統(tǒng) .這需要 建模 ， 因?yàn)槊總€(gè)渦輪暫態(tài)穩(wěn)定 ， 可過(guò)于繁瑣 .我們的目標(biāo)是整 和 風(fēng)園成為一套最起碼的等效模型 .等價(jià)建模風(fēng)園涉及 到 把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率成一個(gè)單一相當(dāng)于渦輪機(jī) 的系統(tǒng) . 每個(gè)這些 等效的 渦輪然后連接到 異步發(fā)電機(jī) 上 .甲相當(dāng)于水輪機(jī)模型的前提 ， 我們的做法