【正文】 輸出模塊 — 機械傳動 — 永磁發(fā)電機 整流 /逆變一電網(wǎng) 圖 23風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)的原理框圖 風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)核心是風力機模擬算法，一套成熟的、完善的模擬算法可以 真實的展示實際風力機的運行特性，轉矩輸出模塊根據(jù)模擬算法的轉矩計算值控制電機 輸出轉矩，配合發(fā)電機和變流設備等風電機組設備完全可以模擬風力發(fā)電機組運行。 風速可分解為緩慢變化的分量和快速變化的分量，在一定的時間尺度上，風速的平 均值可認為是不變的，是緩慢變化的分量。 PSCAD 軟件正是使用了這種模型，但它只能模擬非常簡審的情形，不能包括整個風頻帶的所有 風速成分，作為風速數(shù)值模擬方法不夠完善。通過比較和分析眾多風速建模方法，不難看出各類風速模擬的目的無非是盡可能 全面精確地描述風的隨機性和間歇性的特點，使模擬的風速能夠完整的反映自然風速特 性。 研究風速模型的變化過程，風速序列在時間上如何變化顯得非常重要，可用功率譜 密度來描述風速的這種時變性質(zhì)。 下面介紹用數(shù)值方法獲得 ARMA模型參數(shù)的過程。由式 (32)、（ 35)和 (36)即可解出 ARMA模型的 n個自回歸系數(shù)。代入式 (33)，即得 到短期風速序列。風力機不僅決定了整 個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響到機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風 力發(fā)電系統(tǒng)中核心部件之一。 13 風力發(fā)電機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) 碩士論文 下面分析討論下風能利用系數(shù) : 最大極限值。由于風輪的機械能量從空氣的動能中獲取，因此 V2必然低于 V,， V2 ^ y V/ y Sv V2 V 1 V/ — ‘ V2 圖 34風輪氣流簡圖 風力機葉片處單位時間內(nèi)通過的風的質(zhì)量 w = (315) 根據(jù)能量守恒定律，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，葉片吸收的動能等于 風損失的動能，于是得到風力機的獲得的動能： E/=；（ 316) 將式 (315)代入式 (316)，得到風力機的獲得的動能： =|aS(V,+V2)(V,2V22) (317) 由風能計算公式，風力機的吸收的動能 (318) 那么汁算風能利用系數(shù) Cp: Cp = ^ = ]il+^i^y(?3) (319) E, 2 V| V 丨 V, 山此 T見 (： 為么的三次函數(shù)，將式 (319)微分： 14 風力發(fā)電機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) 碩士論文 進而可利用平均風速與瑞流分量的疊加計算風速序列 v(/) = v+ v,(A:r) (312) 此種風速的數(shù)值模擬主要包括以下幾個步驟： (1)根據(jù)風電場中實測風速數(shù)據(jù)提煉風速的統(tǒng)計特性，需確定采樣周期，平均風 速，瑞流強度，風速序列的標準差和瑞流積分尺度； (2)計算實際風速的功率譜； (3)求解 ARMA模型參數(shù)； (4)實現(xiàn) ARMA差分方程，即可得到短期風速序列。 4! v=4m/s \ 1 . 1 0 咖丨丨丨 _I_ 丨郵 1 1 ‘ ‘ . 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 w rad/s 圖 38風力機轉矩輸出特性曲線 風力機轉矩輸出特性如圖 38所示，與功率特性曲線相似，風力機力矩輸出隨轉速 變化曲線形狀也為向下開口的拋物線，并在同一風速僅有一個轉速點使得風力機輸出最 大轉矩。風力機的動態(tài)特性主要包括風力機的大轉動慣量特性、 風的剪切效應 (Wind Shear)和塔影效應 (Tower Shadow)。在機電運動控制系 18 碩士論文 風力發(fā)電機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) 風力機功 率和轉矩模型不難得出。圖 37為槳距角 。 X lo 3 I 1 1 1 1 1 1 1 / 10m/s 2丨 —— .? / / 5 15k . . :/ ..8m/s ?： / ‘ I 4 1 ^ 」 I 卜 / 1 i Z ： ！ / 6m/s ！ / / y ^ 1 ： / 4m/s Q I || I 丨 i ■ . . 0 2 4 6 8 10 12 14 16 W rad/s 圖 37風力機功率輸出特性曲線 風力機的機械轉矩輸出特性為 T = ^ = ~pnR39。 風力機有定槳距和變槳距兩種結構，定槳距和變獎距的區(qū)別在于槳葉節(jié)距角是否可 調(diào)。 圖 36所示，槳距角 /?是用來控制風機輸出功率，在同一風速下，隨著獎距角的增 力口，風力機的風能利用系數(shù) (： 變化比較平坦。 / \/ / X / (3=10^\ / / \ Q ！ \ ? 。丨曲線 而在未知風力機輸出特性的情況下，國內(nèi)外許多文獻都采用一種風能利用系數(shù)的經(jīng) 驗公式來求収風能利用系數(shù)曲線，從而建立風力機模型。 = 1或 1時 C/7取極值。對于定槳距風力機， Cp只與 A有 關，典型 CA曲線如圖 35所示。 0 2 4 6 8 10 12 入 圖 35風能利用系數(shù) (： /7與葉 ?速比 /1的關系（定獎距） 從圖 35中可以看出，在 隨著 。大轉動慣量和小轉動慣量的風機的動態(tài)特性不同，其 MPPT 控制算法也截然不同，那么研究風機大轉動慣量的 MPPT控制算法必須在具有大轉動慣 量特性的風機上開展研究，小轉動慣量的風機上做的 MPPT控制算法不適用于大轉動慣 量風機。每個葉片旋轉一周將會經(jīng)歷一個最大風速和一 個最小風速，所以對于三葉片的風力 機來說，其風剪切效應的轉矩脈動頻率為旋轉頻率 的三倍 [2627]。的是由于風切變添加到輪轂高度的風速午擾。圖 311是輪轂處風速對風剪切的風速擾動影響， = 。 11 I ^ 1。 圖 312風剪經(jīng)驗指數(shù)對風剪切影響 r : _ \ / w ： \ / ? 1。 40I 丨 丨 I 丨 丨 丨 丨 丨 ！ 35 I —— ： ：小轉動慣 3o|： ......丄?丄 .大轉動慣量?」 _ 25 I…. —— ： ： ； i ： 0 X 2 OQ / _ S “ … X ■ 丨 ： ： ‘ 15 ： / ： ： i 10 —— / : ■ — 0 [ 1__ II 1 I I I I I 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 時間 S 圖 39不同轉動慣量轉速特性 。 _(y,x)可以變成槳葉半徑 r和方位角 0的函數(shù)，如下式： ” / n 、 T, 2 sin^ _(r， )=。f () 上式只有槳葉在塔影范圍內(nèi)有效，即方位角為胃? 270176。 ！ 24 ！ 碩士論文 風力發(fā)屯機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) 一 :b::善 I —— 丨?? .—— ? V 、。 ； ri?2 上 2H39。代入式 (331),可得塔影效應的風速擾動標么 值： V,{r,e,x)=願 2 (義 :::::)2 (334) 式中爪 =1 + ，為空間平均風速與輪轂處風速 v,j之比。 0,1 I T 1 1 1 1 1 義 。 閣 318槳葉正面到塔架中心線的距 1?對塔影效應影響 另外，我們注意到當葉片處于塔的兩側（ 90176。 )時，風速 變大了。 圖 3M槳葉半徑 r對風剪切影響 塔影效應是指由于塔架的存在使得風經(jīng)過風機時進行了局部的重新分布，塔架正前 方的風速有所減小，導致風機的輸出出現(xiàn)轉矩和功率脈動現(xiàn)象。文獻 [13]利用潛流理論建立了經(jīng)過塔架的風速特性模 型如式 (330)。) = (r)[l + W^(r, e)][\ + V, it, r,e)] (335) v(/， r, 0) = Vh (0[1 + Wg (r, 0) + V (/, r, 9) + Wg (r, 0)V {t, r, 6)] (33 6) 考慮到上式中的的項相對于其他項是比較小的，為分析方便，在計 算風速擾動模型時，忽略這個影響較小的項，將風速模型做近似處理 [11]: v{t,r,e) + %ir,6) + V(t,r,0)] (337) 將上面兩節(jié)的風速擾動計算公式代入 (337)，展開可以得到完整的風速模型： v(/, r, 0) (/)[! + a(^) cos 0 + cos〗 0 2 2 2 2 (338) a(a\)(a2) . r 3 ? ma (r sin 0x + — (—) cos 0+——— TT^] 6 H (r39。 27 風力發(fā)電機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) 碩士論文 4風機轉動慣量補償 按照上述風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)原理和構成形式，在實驗室搭建了 lOkW的永磁風 力發(fā)電機組模擬實驗平臺，如圖 41所示，從左到右分別是變頻器、異步電動機、減速 齒輪箱、增速齒輪箱、永磁同步發(fā)電機和整流逆變并網(wǎng)裝置，另外還有一臺上位機。 這套永磁風力發(fā)電機組模擬 實驗平臺改變輸入風速后，能夠很快調(diào)整輸出轉矩，跟 蹤風速變化帶來的轉矩輸出變化，能夠很好的模擬風力機的靜態(tài)特性。所以模擬平臺在風速變化時，其轉速會快速跟隨風 速變化，沒有緩慢變化的過程，與實際風力機的特性不符。圖 42中加速度一直在 較大范圍振蕩波動，沒有趨于穩(wěn)定，實際的加速度變化是很小的，受加速的影響，模擬 的轉速也是出于不斷變化中，與實際的轉速不同。? V . , 39。 + : [ o| I , ::: : L .? I； 1 I j inn u ? i ? , I ‘ 11 ( !39。模擬系統(tǒng)的加速度是兩次轉速的采 樣值除以時間差計算的，模擬系統(tǒng)的轉速變化影響下一次加速度計算值，這樣模擬系統(tǒng) 的加速度就在較大值和較小值之間產(chǎn)生了振蕩。但另一些試驗來說，風機的動態(tài)特 性就非常重要，如風機的主控系統(tǒng)試驗。 在風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模擬中，風電機組的轉動慣量模擬的準確程度直接關系到所研 究的風力發(fā)電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程的真實性。為準確模擬風力機在風速變化情況下的運行特性，使模擬系統(tǒng)實際系 31 碩士論文 風力發(fā)電機組模擬實驗平臺的設計與實現(xiàn) A 0 ?/齒輪箱 )Q ? 發(fā)電機 1 li 圖 45風力發(fā)電機組簡化模型 根據(jù)上圖建立風力發(fā)電機組仿真模型，模型有兩部分組成：風力機模型 (Wind Turbine)和發(fā)電機模型 (Generator)。 發(fā)電機的電磁轉矩按最佳功率曲線設定 7； ,: T * p7rR39。 為了能準確反映實際風力機在變風速下的運行特性，需在模擬系統(tǒng)中補償轉動慣量 以消除電動機拖動系統(tǒng)和實際風力機風輪轉動慣量不同所帶來的影響，使其能符合實際 風力機的運行特性。帶有慣性質(zhì)量的制動機構試驗機雖然可以比較充分和準確的再現(xiàn)制 動機構的工作狀況，但是它存在飛輪組的重量大，占面積大，振動大，飛輪組造價貴等 缺點。另外，制動器試驗機實驗條件是驅動力矩為零，恒定轉矩制動， 即試驗過程是勻減速運動；風力機的轉動慣量模擬在實時變化的風速下進行，風速