【正文】 用電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)?zāi)軌蚍浅１平苿?dòng)曲線，試驗(yàn)驗(yàn) 證電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬可行，只是在開始時(shí)和結(jié)束時(shí)誤差較大，與原制動(dòng)曲線有差別。目前，關(guān)于風(fēng)機(jī)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性模擬研究大多處于理論研究，而汽 車工業(yè)類似的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬已經(jīng)比較成熟，如制動(dòng)器試驗(yàn)機(jī)，風(fēng)力機(jī)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬可 以從汽車工業(yè)參考、對(duì)比和借鑒。 T?^Xco) = KCO^ (41) 八 — z V 式中 7；為風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 7_為處于最佳葉尖速比下的轉(zhuǎn)矩，為比例系數(shù)， R 為風(fēng)輪半徑， A為葉尖速比， 6；為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， q■為最佳葉尖速比下的風(fēng)能利用率，又叩 , 為最佳葉尖速比。 發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩參考風(fēng)機(jī)控制策略功率曲線法，功率曲線法是以最佳功率或轉(zhuǎn)矩 曲線和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)確定發(fā)電功率或電磁轉(zhuǎn)矩，從而通過改變風(fēng)輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn)速，使其保持運(yùn)行于最佳葉尖速比。丨、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J(丨及其電機(jī)軸的 摩擦系數(shù)決定。 綜上所述，此風(fēng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只能夠模擬風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性模擬效果 較差，只能作為部分試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)特性要求高的試驗(yàn)尚不能滿足試驗(yàn) 要求。 未進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在動(dòng)態(tài)特性模擬方面效果不如人意，但還 是能很好的模擬風(fēng)機(jī)的靜態(tài)特性，根據(jù)模擬試驗(yàn)的要求不同，仍然能作為一些風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài) 特性要求不高試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如風(fēng)機(jī)逆變器的試驗(yàn)。II, II ；丨 I:丨 i ！丨丨：： ... . I丨 I丨丨丨丨 i i M II I. : . ！丨丨 ii l|i| I III丨丨 i j iii丨丨丨丨； I. . I .. “ ?? I , I i I I j j I I i i 1 M I I ! 39。 39。fjk., ]V39。從實(shí)驗(yàn)室條件和便于實(shí)現(xiàn) 出發(fā)，釆用了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量軟 模擬的方式，即風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的轉(zhuǎn)矩影響在風(fēng)力機(jī)模型計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)進(jìn)行合算，將 這個(gè)轉(zhuǎn)矩影響在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出前就考慮進(jìn)去，那么合算出來的轉(zhuǎn)矩作為控制電動(dòng)機(jī) 的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出，這樣模擬的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)特性將與實(shí)際風(fēng)力機(jī)比較接近。整套模擬實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要山電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng) W輪筘和發(fā)屯機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組成，基本都很小， 沒存大動(dòng)慣量器件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比，大概相差 45個(gè)數(shù)量 級(jí)，這導(dǎo)致同樣的力知 I作川，兩者轉(zhuǎn)速變化 ?個(gè)快一個(gè)慢，如閣 39所示不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 28 碩士論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 的加速度曲線。異步電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)接永磁同步發(fā)電機(jī)， 發(fā)電機(jī)三相輸出接整流器和逆變器并網(wǎng)。沒 + x2)2 在已知轉(zhuǎn)轂處風(fēng)速風(fēng)剪經(jīng)驗(yàn)指數(shù) a和風(fēng)力機(jī)具體參數(shù)的情況下可以確定風(fēng)力 機(jī)旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速模型?！?2《 (330) (x +y) 式中是空間平均風(fēng)速， a是塔架半徑， X是槳葉正面到塔架中心線的距離，； ^是 槳葉側(cè)面到塔架中心線的距離，風(fēng)機(jī)參數(shù)示意如圖 315所示。下面以三葉片風(fēng)力 機(jī)為例，分析由塔影效應(yīng)引起的風(fēng)速變化 [29]。同時(shí)因?yàn)樗艽嬖谑沟盟苤行木€附近風(fēng)速最小，塔影效應(yīng)的作用最明顯。 220176。 圖 317風(fēng)機(jī)的槳葉半徑 r對(duì)塔影效應(yīng)影響 01 _ 一 1 r X ..y . 0 —…… \ / ‘ ‘ V x=3m 3 h x=4m 9 39。風(fēng)機(jī)的槳葉 25 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 碩士論文 半徑 r對(duì)塔影效應(yīng)風(fēng)速擾動(dòng)的如圖 317所示，半徑越大塔影效應(yīng)的風(fēng)速擾動(dòng)影響越小。 兀 8//2 (333) 廠。 0 1 風(fēng)剪切經(jīng)驗(yàn)指數(shù) a 圖 316空間平均風(fēng)速與輪轂處的風(fēng)速廠 //關(guān)系 為了計(jì)算空間平均風(fēng)速 1^0，我們將風(fēng)速變化在整個(gè)槳葉平面內(nèi)積分可得： r f Vh [1 + Ws (r,0)ydrde (332) 將外用式 (328)代入，并定積分計(jì)算可得： 廠。這兩者的關(guān)系如圖 316 所示，為方便風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)分析和比較，有必要將兩個(gè)參考風(fēng)速換算成一個(gè)。sm39。 yy 90176。 圖 3丨 3輪轂高度 //對(duì)風(fēng)剪切影響 22 碩士論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 統(tǒng)中，大慣量的部件決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，故用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)實(shí)際風(fēng)力機(jī)可以忽略不 計(jì)的電動(dòng)機(jī)直接模擬風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性顯然是有問題的。 .i 丨： ?? ■ “ 十： I ■‘‘ ? — 97: 1 i V ！ a= r 0= ^39。圖 313為輪轂高度對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)的影響，輪轂高 度越高對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)影響越小。我們將 ^^； (^,的進(jìn)行三階泰勒展幵 W, (r, 0) ? a(— ) cos e + (丄 )2 cos39?！?(z)為高度為 Z處的風(fēng)速。 風(fēng)速是隨著高度的增加而增加的，風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片的高度發(fā)生變化 導(dǎo)致所受的風(fēng)力不同，這就是風(fēng)剪切效應(yīng)。通常采丨丨彳的風(fēng)機(jī)最大 丨 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 碩士論文 別非常大，經(jīng)過 10s時(shí)間，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)穩(wěn)定，而大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 處于持續(xù)上升。I是風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，為葉片的葉尖線速 度與風(fēng)速之比，可以表示為 A = ^ (322) V 式中，如為風(fēng)輪角速度，尺為葉片的半徑， V為風(fēng)速。但由于能量的轉(zhuǎn)換過程中風(fēng)能不可能完全吸收利 用，存在能量損失，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際 Cp遠(yuǎn)達(dá)不到 ，一般在 ?。 (323) 中 M變量與葉尖速比 /1 和槳距角之問的關(guān)系如下： 1 1 … — ：： — ~ ■ ■ ■ ■ (324) 又? 1 + 39。 ‘■ .? _ / \ 01 Z N. (3=30。葉片的結(jié)構(gòu)、 長度、形狀、槳距角不同都會(huì)使 Cp曲線不同。I和槳距角 /?的函數(shù)，改變會(huì) 影響升力和阻力在葉片上的作用，從而改變了風(fēng)能利用系數(shù) C和風(fēng)輪的輸出功率。 1由十本義研究車：點(diǎn) 1h槳距允，下文 SM、加說叫，均指槳距 ft為 0。在 轉(zhuǎn)速相同時(shí)，風(fēng)力機(jī)所捕獲的功率與風(fēng)速有關(guān)；而在風(fēng)速相同時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)所 捕獲的功率不同，且對(duì)同一風(fēng)速僅有一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)使得風(fēng)力機(jī)捕獲最大功率，該點(diǎn)即為該 風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)。 =^pAv39。 實(shí)驗(yàn)室搭建風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本采用直流電機(jī)、異步屯機(jī)或者永磁屯機(jī)作為 原動(dòng)機(jī)，模擬風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)斯。也就是說盡管功率曲線和 轉(zhuǎn)矩曲線有類似的形狀，但風(fēng)力機(jī)的功率最大點(diǎn)非轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)，在研究風(fēng)力機(jī)最大功率 點(diǎn)跟蹤和最大轉(zhuǎn)矩控制時(shí)需要分別考慮 [30_311。 I . ！ 40 ? 30 1 .....— 20 \ I V 10 ‘ I 20 0 1 2 f/HZ 閣 32 ARMA模別產(chǎn)生的風(fēng)逨序列的功率譜密度 12 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 碩士論文 2500 . ■ ‘ — r 1 1 1 T “ ““““~ v=10m/s i 2020 ； / X —— ：： / \ ? n / v=8m/s N 1500 / i*39。其次，假定氣流經(jīng) 過整個(gè)風(fēng)力機(jī)掃掠面時(shí)是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，并且氣流通過風(fēng)輪前后都是沿著風(fēng)力機(jī)軸線方向 的。 風(fēng)能是一種能量密度較低、穩(wěn)定性較差的能源。一 I」一 _1 5 i i i i i i i i i 0 1 2 f/HZ 圖 33 Von Karman功率譜密度 ARMA風(fēng)速模型建立在風(fēng)速序列功率譜密度的基礎(chǔ)上，充分反映了一定時(shí)間尺度內(nèi) 風(fēng)速變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和相關(guān)特性，仿真結(jié)果表明，該模型得到的風(fēng)速序列所具有的功率 譜密度與 Von Karman型功率譜基本一致，所得風(fēng)速序列基本能夠反映實(shí)際風(fēng)速的特性， 能夠滿足電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的要求 [24_25]?！?，?，冊(cè) (310) H 其中 A) 二 1, cr〗為白噪聲的方差。 將 YuleWalker方程展 Jp即為： 10 I 碩士論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) R^{m + 1) = a^R^{m) + a2R^{m 1) + ... + a^R^im n + 1) R^(m + 2) = a^R^im + 1) + a^R^im) + ...+ a^R^im n \ 2) (35) R^(m + n) ~ oCiRjjn + ^1) + a^^R^im + 2) + ... + a^R^im) 如果式 (35)中的都可以得到，那么代入公式就可以解出 ARMA模型的 n個(gè) 自回歸系數(shù)。 為了能夠讓 ARMA模型符合式 (32)所表示的功率譜風(fēng)速序列，將平穩(wěn)隨機(jī)序列的 ARMA模型用以下公式表示： xik) = ^ CC丨 x(Jc /) + e{k) + J j) (33) ,=1 i=i 式中， x(A)為模型輸出的序列， e(A： )為零均值白噪聲，其方差是 0； ?, a丨、分別 是自回歸系數(shù)和滑動(dòng)平均系數(shù)， m為滑動(dòng)平均階數(shù)，《為自回歸階數(shù)。在這種風(fēng)速模型中，風(fēng)速的變化主要由瑞流分量產(chǎn)生，平均風(fēng)速 般認(rèn)為十到幾十 分鐘的時(shí)間尺度內(nèi)保持不變 [2223][25]。文獻(xiàn) [5]在文獻(xiàn) [21]的基礎(chǔ)上，給出了兩種用數(shù)字方法實(shí) 現(xiàn)濾波器的過程。所以在動(dòng)態(tài)仿真研究中需要對(duì)風(fēng)速的快速變化 分量進(jìn)行研究和建模。目前，風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)己經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室研究風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為了模擬風(fēng)機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出特 性，能量輸出隨風(fēng)速變化狀況，多種風(fēng)速模型被引入模擬應(yīng)用。發(fā)電機(jī)功率由變頻器 控制，在運(yùn)行階段變頻器接收機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終隨著 風(fēng)速的變化而輸出最大的額定功率 _。 風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作過程為風(fēng)速風(fēng)向傳感器實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)或者根據(jù)風(fēng) 速仿真模擬信號(hào)，獲取實(shí)時(shí)等效風(fēng)速。發(fā)電機(jī)以及并網(wǎng)控 制模塊包含發(fā)電機(jī)、整流逆變?cè)O(shè)備以及變流并網(wǎng)控制。爲(wèi) 圖 22風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控模塊、風(fēng)力機(jī)特性模擬模塊、轉(zhuǎn)矩輸出 模塊和發(fā)電機(jī)以及并網(wǎng)控制模塊四部分組成，風(fēng)力發(fā)電模擬示意圖如圖 22所示。 6 I 碩士論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) WIND 11 嶺發(fā)電網(wǎng)丨 I 轉(zhuǎn)矩指令 I ■ — ： )— I ——— _— .————— ...— .:.,—— ■變頻器 |?一電動(dòng)機(jī) |^39。 I I 「 i 風(fēng)能 機(jī)械能 機(jī)械能 I 屯能 風(fēng)力機(jī) ； ^ 傳動(dòng)系統(tǒng) 1 ‘ 發(fā)電機(jī) ^ ? 令 一 ‘ ^ 偏航、變來距控制 變轉(zhuǎn)速控制 圖 21風(fēng)能的獲取與傳遞過程 由于 ，風(fēng)力機(jī)部分很難在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下真實(shí)搭建。風(fēng) 能的獲取與傳遞過程如圖 21所示。 (6)介紹風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)，為搭 建完成的風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改造升級(jí)提供了有價(jià)值的參考。 (2)簡(jiǎn)要介紹風(fēng)力發(fā)電的基本原理，進(jìn)而介紹風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成以及風(fēng)力發(fā) 電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理。 1 碩士論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為模擬電機(jī)的目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩，采用先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，使