風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2024-10-02 20:06 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 —— 空氣密度（ 3/mkg ）； R—— 風(fēng)機(jī)葉輪半徑（ m ）； ?—— 葉尖速比，定義為eqturvR??? ，其中 tur? 為風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速（ srad/ ），eqv 為等效風(fēng)速（ sm/ ）； ? —— 槳距角（ deg ）； PC —— 風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比 ? 和葉片槳距角 ? 的函數(shù)；對(duì)于給定的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)， PC 的表達(dá)式是一定的。 一種變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率系數(shù)： ? ? ????? , ??????? ??? eC P 10 3 ???? ???? （ 210） 風(fēng)力機(jī)獲得轉(zhuǎn)矩為： turww PT ?? （ 211） 風(fēng)力機(jī) 傳動(dòng)裝置 發(fā)電機(jī) 槳距角控制 風(fēng)速 wv aeT mT g? ? ?E 定義 ? ???,TC 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， ? ? ? ?? ???? , PT CC ? （ 212） 注： 由eqturvR??? 推出 eqopttur vR?? ? （ 213） ① 對(duì)于給定的葉片槳距角 ? ，不同的葉尖速比所對(duì)應(yīng)的 PC 值相差較大； ② 對(duì)于給定的 ? ，有且 僅有一個(gè)固定的 opt??? 能使 PC 達(dá)到最大值； ③ 在風(fēng)速不斷變化的情況下 ,要保持 opt? 、 tur? 必須隨著風(fēng)速按照 Ropt? 的比例變化，才能保證風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能最大、效率最高。 這是采用變速風(fēng)電機(jī)組代替固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的初衷之一。 圖 27 風(fēng)機(jī) PC ? 特性曲線 對(duì)于變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組， PC 特性可近似表示為： ??? fRCfP eRCC 2 ????????? ??? （ 214） 式中， fC 為葉片設(shè)計(jì)常數(shù)，一般取 1~3。 風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū) 空間曲面雖然能包含風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的所有狀態(tài)點(diǎn)，但是對(duì)于分析不太方便，所以在實(shí)際應(yīng)用中多是取幾個(gè)離散的 ? 值，畫出平面圖的方法，如下圖所示，取 6組 ? 值，繪制如下： 圖 28 風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)曲線圖 在 ? ?vT ,? 曲線中，以轉(zhuǎn)矩 T 的最大值為頂點(diǎn)連成的一條線 AB，將曲線簇分成了兩部分，其中右側(cè)為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，左側(cè)部分為不穩(wěn)定工作區(qū)域。 ]6[ 對(duì)比? ?vP ,? 和 ? ?vT ,? 曲線，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng) T 達(dá)到最大時(shí)， P 并沒有達(dá)到最大，具體而言，就是最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值要大于最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。如圖 26 所示，曲線CD 是由最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的連線而成的，曲線 EF 則是由最大功率點(diǎn)的連線而成。這樣一來(lái)，在 ? ?vP ,? 曲線簇中， CD 曲線和 EF 曲線之間的部分也是穩(wěn)定區(qū)域。 基于葉素理論的風(fēng)力機(jī)建模 基于葉素理論的風(fēng)輪建模是將葉片分為若干個(gè)微元，稱為葉素，通過對(duì)葉素的受力分析求得微元轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩 ]75,5[ ，在風(fēng)輪半徑 r 處取一長(zhǎng)度為 dr 的葉素，其弦長(zhǎng)為 l ，節(jié)距角為 ? 。 圖 29 葉素微元受力分析圖 如上圖所示，來(lái)流方向的風(fēng)速為 v ，在半徑為 r 處的風(fēng)輪機(jī)速度為 ru t ???（ t? 為風(fēng)輪機(jī)角速度），氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為 w ，則有： uvw ?? （ 215） 葉素 dr 在相對(duì)速度為 w 的氣流作用下，受到一個(gè)方向斜向上的氣動(dòng)力 dF的作用。將 dF 沿與相對(duì)速度 w 垂直及水平方向可分解為升力 dL 和阻力 dD ，當(dāng)dr 很小時(shí)，可以近似的將葉素面積看成弦長(zhǎng)與葉素長(zhǎng)度的乘積，可得如下計(jì)算公式： ???????drlwCdDdrlwCdLdl222121?? （ 216） 氣動(dòng)力 dF 按垂直和平行于旋轉(zhuǎn)平面方向分解為法向力 adF 和切向力 udF ，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩 dT 由切向力 udF 產(chǎn)生，則有轉(zhuǎn)矩微元： ? ?IdDIdLrdFrdT u c o ss in ?????? （ 217） 令 ld CC /?? ，得總轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式： ? ??? ??????? Rr ldrIICr lwndTnT0c o t1s i n21 2 ?? （ 218） 式中， 0r —— 輪轂半徑； n—— 風(fēng)輪包含的槳葉個(gè)數(shù)； I —— 傾斜角 (槳距角 ? 與攻角 i 之和 )。 上式為基于葉素理論的風(fēng)輪模型函數(shù)，可以寫為如下形式： ? ??,uvfT ? ，即風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩為風(fēng)速 v ，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 u ，槳距角 ? 的函數(shù)。 基于 PSCAD 風(fēng)力機(jī)模型與仿真 基于 PSCAD 的風(fēng)力機(jī)模型如下： 圖 210 風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化模型 基于上面的原理及理論公式，仿真結(jié)果如下： 圖 211 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置 圖 212 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩 模擬仿真結(jié)果
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