【文章內(nèi)容簡介】 采用的 2MW 永磁直驅(qū)風力發(fā)電機模型參數(shù)具體如表 41 所示。 表 41 2MW 永磁直驅(qū)風力發(fā)電機模型具體參數(shù) 風電機組類型 陸上 永磁直驅(qū) 風電機組 葉輪直徑 80m 葉片數(shù) 3 輪轂高度 塔筒高度 60m 功率調(diào)節(jié)方式 變速變槳 葉輪布置方式 上風向 旋轉(zhuǎn)方向 順時針 額定功率 2021kW 風輪傾角 4deg 風輪錐角 0deg 切入風速 4m/s 額定風速 12m/s 切出風速 25m/s 傳動鏈模型 傳動鏈即機械傳動裝置，把風輪的旋轉(zhuǎn)運動傳動到發(fā)電機上。傳動鏈的結(jié)構(gòu)很大程度上取決于不同的風能轉(zhuǎn)換技術(shù)，對于直驅(qū)型風電機組來說，風輪與發(fā)電機經(jīng)過傳動軸直接相連，由于本文的建模目的并不重點關(guān)注傳動軸的詳細特性，因此本文采用最簡單的傳動鏈單質(zhì)量塊模型，但這個模型能夠反映變速風力發(fā)電機組的基本動態(tài)特性 ： ewt TTdtd ???eqJ 式中， eqJ —— 風電機組等效轉(zhuǎn)動慣量，由于風輪轉(zhuǎn)動慣量遠遠大于發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量，故也可近似等于風輪轉(zhuǎn)動慣量； ? —— 風輪旋轉(zhuǎn)角速度，等于發(fā)電機旋轉(zhuǎn)機械角速度； wtT —— 風輪的氣動切向轉(zhuǎn)矩； eT —— 發(fā)電機電磁力矩。 Bladed 軟件上 傳動鏈 模型參數(shù)設(shè)置在軟件中的 Power Train 模塊，實際界面如圖 43所示。 圖 43 Bladed 軟件上傳動鏈模型參數(shù)設(shè)置 實際操作界面 永磁同步發(fā)電機模型 為了分析永磁同步發(fā)電機的動態(tài)性能， 取永磁體轉(zhuǎn)自極中心線為 d 軸， 沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90176。為 q 軸， 建立 d、 q 軸下的數(shù)學模型。 電壓方程： sqesdssdsd iRdtdU ??? ??? sdesqssqsq iRdtdU ??? ??? 電磁轉(zhuǎn)矩方程為： ）( sdsqsqsde iipT ?? ?? 通過上述公式可以看出， 永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子 q 軸電流成正比， 調(diào)節(jié)電流即可調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩， 從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機和風力機的轉(zhuǎn)速， 使永磁同步發(fā)電機與風力機達到最佳輸出狀態(tài)。在仿真平臺中有封裝好的模塊， 直接調(diào)用即可。 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機模型參數(shù)設(shè)置在軟件中的 Power Train 模塊 中的Electrical，實際 操作 界面如圖 44 所示。 圖 44 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機模型參數(shù)設(shè)置實際操作界面 全功率變流器模型 直驅(qū)型風電 機組采用背靠背全功率變流器，由發(fā)電機側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器組成。其中機側(cè)變流器與發(fā)電機定子側(cè)直接相連，可以保證轉(zhuǎn)速在一個很大的范圍內(nèi)加以調(diào)整；網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)母線相連，將有功功率送入電網(wǎng)并消除 無功功率的損耗 。 根據(jù)本文的建模目的，本文所建變流器模型可以進行適當簡化：不考慮詳細的開關(guān)過程，忽略開關(guān)損耗，只考慮功率關(guān)系，建立功率模型；另外不考慮電感飽和，忽略線路電阻和其他傳輸功率損耗。變流器簡化功率模型如 圖 45 所示。 圖 45 變流器簡化功率模型 則根據(jù)能量守恒原理： outin PPP ??c ? ?sdsdsqsqg e nin iuiuPP ??? ? ?gdgdgqgqgridout iuiuPP ??? 式中 ， cP —— 直流電容波動功率，即充放電功率； inP 、 outP —— 分別為直流電容兩側(cè)的功率； genP —— 發(fā)電機輸出功率； gridP —— 并網(wǎng)功率； squ 、 sdu —— 分別為基于等量坐標變換時發(fā)電機定子輸出電壓的 q軸分量和 d軸分量； sqi 、 sdi —— 分別為基于等量坐標變換時發(fā)電機定子輸出電流的 q軸分量和 d軸分量； gqe 、 gde —— 分別為基于等量坐標變換時并網(wǎng)電壓的 q 軸分量和 d 軸分量； gqi 、 gdi —— 分別為基于等量坐標變換時并網(wǎng)電流的 q 軸分量和 d 軸分量。 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機模型參數(shù)設(shè)置在軟件中的 Power Train 模塊 中的Preliminary Electrical Data，實際界面如圖 46 所示。 圖 46 Bladed 軟件上永磁發(fā)電機模型參數(shù)設(shè)置實際操作界面 第五章 基于 Bladed 軟件 的電氣仿真 Bladed 軟件操作的簡要介紹 為了更加深入的研究風力發(fā)電機組的出力特性，將用 Bladed 軟件對不同風況下的風力發(fā)電機輸出特性進行模擬仿真與計算。打開 Bladed 后， Bladed 的主操作界面如圖 51 所示 ： 圖 51 Bladed 的主操作界面 在上圖的界面中，可以在帶有風電機各個組件圖片的模塊中對風電機組各個部分的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。而在下面的各個計算模塊中可以對風電機穩(wěn)態(tài)運行、急停狀態(tài)、正常停機、啟機狀態(tài)等各個情況進行計算。計算內(nèi)容包括功率、載荷等各項參數(shù)。以下將對風電機組電氣部分的參數(shù)設(shè)置進行具體的介紹，電氣部分設(shè)置的主操作界面如下圖 52所示。 圖 52 Bladed 軟件電氣部分設(shè)置的主操作界面 穩(wěn)態(tài)運行中的計算主要是在 Bladed 軟件中“ Steady Calculations”中的“ Electrical Performance”模塊來進行的 ，實際計算界面如圖 53 所示 。 圖 53 Bladed 軟件計算界面 在計算前，首先對電器模塊中 Generator 中的參數(shù)進行定義和設(shè)置，如要選擇發(fā)電機的類型、控制模式的類型等等。具體設(shè)置頁面如下圖 54所示。 54 Generator 的參數(shù)定義和設(shè)置 在 IGBT Converter 模塊中進行參數(shù)的設(shè)置時，需要定義和設(shè)置的參數(shù)有發(fā)電機變流器最大電壓、網(wǎng)側(cè)變流器最大電壓、網(wǎng)側(cè)變流器最大電流、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓等等，具體參數(shù)的設(shè)置如下圖 55所示 。 55 IGBT Converter 的參數(shù)定義與設(shè)置 在 Calculation Parameters 模塊中需要設(shè)置與定義參數(shù)包括發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩等等，具體參數(shù)的設(shè)置如下圖 56所示 。 56 Calculation Parameters 參數(shù)的定義與設(shè)置 在 Preliminary Electrical Data 模塊中是對最初的電氣數(shù)據(jù)進行設(shè)置，具體參數(shù)的設(shè)置如下圖 57所示 。 圖 57 Preliminary Electrical Data 參數(shù)的定義與設(shè)置 當設(shè)定的參數(shù)完畢并符合要求時，模塊右側(cè)的黃燈會變成綠燈，此時便可以對風電機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的有功無功功率的輸出進行計算。 穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的出力特性分析 最大功率追蹤原理 最大功率捕獲是變速恒頻風屯 機組控制系統(tǒng)的基本標，即調(diào)節(jié)風輪枝速跟隨風速變化，維持最佳葉尖速比，獲得最佳的功率系數(shù)，使風屯機組捕獲最大功率，所以也把最大功率捕獲控制稱為轉(zhuǎn)速控制。 圖 58 葉尖速比 ? 與風能轉(zhuǎn)換系數(shù) PC 關(guān)系曲線 因此風輪產(chǎn)生的力矩可以用 PC 模型表示為： ? ? 23 5wt ,21 ?????? ? ???? RCPT pwt 在風速給定的情況下 ,風輪捕獲的功率將取決于風能利用系數(shù) PC ,因此只要維持風力發(fā)電機都能在 maxPC 點運行 ,便可達到風能捕捉最大化。風力機的風能利用系數(shù) maxPC 受 槳距角 ? 和葉尖速比 ? 的共同影響 ,在風速低于額定風速時 ,通常保持槳距角 ? 為最小值不變 ,此時風力機的出力特性曲線一條單峰曲線。對于一臺確定的風力機 ,當槳距角 ? 確定時 ,總存在一個最佳葉尖速比 ? 對應(yīng)著一個最大風能利用系數(shù) maxPC ,此時風力機的能量轉(zhuǎn)換效率最高。因此對于一個特定的風速 ,風力機只有運行在一個特定的轉(zhuǎn)速下 ,才能使葉尖速比 ? 為最佳葉尖速比 ,從而對應(yīng)最大風能利用系數(shù) maxPC ,實現(xiàn)風能捕獲最大化 。當風速變化時只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,使葉尖速比始終保持在最佳葉尖速比 ? ,就可以始終保持風能捕獲最大化 ,從而實現(xiàn)最大功率追蹤。 風電機組功率輸出與控制過程分析 在 laded BGH 軟件上進行 2MW 永磁發(fā)電機模型仿真穩(wěn)態(tài)計算，可得最大功率捕獲曲線如圖 59所示。 圖 59 2MW 永磁發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行最大功率捕獲曲線 f : \ b i s h e [ R u n 39。 s p c u r v e 39。 ]Electrical power [W]H u b w i n d s p e e d [ m / s ]02 0 0 0 0 04 0 0 0 0 06 0 0 0 0 08 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 2 0 0 0 0 01 4 0 0 0 0 01 6 0 0 0 0 01 8 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 02 2 0 0 0 0 04 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 圖 510 穩(wěn)態(tài)運行功率 轉(zhuǎn)速曲線 （ 1） 機組自起動過程：（升轉(zhuǎn)速過程） 控制槳 距角以控制轉(zhuǎn)速風速達到切入風速并保持一定時間，風電機組解除制動裝置，由停機狀態(tài)進入起動狀態(tài)。這個工況下的主要控制目標就是實現(xiàn)風電機組的升速和并網(wǎng)，其中變槳距控制的任務(wù)就是使發(fā)電機快速平穩(wěn)升速，并在轉(zhuǎn)速達到同步范圍時針對風速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使其保持恒定或在一個允許的范圍內(nèi)變化以便于并網(wǎng)。 （ 2） 機組并網(wǎng)過程：（并網(wǎng)控制） 控制機組轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，通過合閘開關(guān)將發(fā)電機接入電網(wǎng)過程。直驅(qū)發(fā)電機通過控制全功率變流器完成并網(wǎng)過程。并網(wǎng)前首先起動網(wǎng)側(cè)變流器調(diào)制單元給直流母線預(yù)充電，接著起動電機側(cè)變流器調(diào)制單元并檢測機 組轉(zhuǎn)速，同時追蹤電網(wǎng)電壓、電流波形與相位。當電機達到一定轉(zhuǎn) 速時，通過全功率變流器控制的功率模塊和變流器網(wǎng)側(cè)電抗器、電容器的 LC 濾波作用使系統(tǒng)輸出電壓、頻率等于電網(wǎng)電壓、頻率，同時檢測電網(wǎng)電壓與變流器網(wǎng)側(cè)電壓之間的相位差，當其為零或相等（過零點）時實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。 （ 3） 欠功率運行狀態(tài)：（最大風能捕獲階段） 1) 恒 PC 控制 風速低于額定轉(zhuǎn)速，槳距角調(diào)整至 3176。附近，對發(fā)電機進行勵磁控制改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速 ? 使最佳葉尖速比 ? 對應(yīng)最佳 PC ，對于直驅(qū)式發(fā)電機，可以在10~22r/min 之間變化。此模型 的 轉(zhuǎn)速范圍是 r/min~~ r/min. 2) 恒 ? 控制 轉(zhuǎn)速達到極限，功率未達到額定功率時進入恒 ? 控制階段，勵磁控制使發(fā)電機轉(zhuǎn)速不再上升 ,而輸出功率依然增加。 f : \ b i s h e [ R u n 39。 s p c u r v e 39。 ]Electrical power [W]G e n e r a t o r s p e e d [ r p m ]01 0 0 0 0 02 0 0 0 0 03 0 0 0 0 04 0 0 0 0 05 0 0 0 0 06 0 0 0 0 07 0 0 0 0 08 0 0 0 0 09 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 01 2 0 0 0 0 01 3 0 0 0 0 01 4 0 0 0 0 01 5 0 0 0 0 01 6 0 0 0 0 01 7 0 0 0 0 01 8 0 0 0 0 01 9 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 02 1 0 0 0 0 02 2 0 0 0 0 08 10 12 14 16 18 20（ 4） 額定功率運行階段：（恒功率控制）（恒轉(zhuǎn)矩控制） 風速持續(xù)上升，高于額定風速，發(fā)電機組轉(zhuǎn)速受限，只有改變 PC 限制功率輸出，這時調(diào)節(jié)槳距角改變 PC 使功率始終保持在額定功率附近。 圖 511 穩(wěn)態(tài)運行時風電機定子和網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 由 圖 511 可見，定子側(cè)最開始向電網(wǎng)輸出有功功率，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，輸出的有功功率逐漸增大，在轉(zhuǎn)速為 時，有功功率瞬時升高到額定值。 網(wǎng)側(cè)變流器向 電網(wǎng) 饋入 有功功率，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，輸出的有功功率逐漸增大，在 轉(zhuǎn)速處瞬時升高到額定值。 此外，定子側(cè)有功功率曲線與變流器網(wǎng)側(cè)有功功率曲線大致一致，也驗證了功率守恒定律。此模型的搭建不僅符合機組本身穩(wěn)定運行的要求也符合電網(wǎng)穩(wěn)定性運行要求。 圖 512 穩(wěn)態(tài)運行時風電機定子和網(wǎng)側(cè)變流器的 無 功功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 d : \ d e m o [ R u n 39。 e l e s t d 39。 ]A c t i v e p o w e r f r o m g r i dc o n v e r t e rA c t i v e p o w e r f r o m s t a t o r [W]S p e e d [ r p m ]01 0 0 0 0 02 0 0 0 0 03 0 0 0 0 04 0 0 0 0 05 0 0 0 0 06 0 0 0 0 07 0