風力發(fā)電機組動力學建模與分析

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1、第３９卷第５期２０１５年３月１０日Vol．３９No．５Mar．１０,２０１５DOI:１０．７５００/AEPS２０１４０６１２００５風力發(fā)電機組動力學建模與分析劉先正１,王興成１,溫家良２,于坤山２(１．大連海事大學信息科學技術(shù)學院,遼寧省大連市１１６０２６;２．國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院,北京市１０２２００)摘要:為研究并網(wǎng)型風力發(fā)電機組暫態(tài)過程對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,建立準確有效的機組機電暫態(tài)模型是展開分析研究的基礎(chǔ).文中根據(jù)風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)將機械暫態(tài)模型劃分為空氣動力學模型、轉(zhuǎn)子及塔筒動力學模型、傳動鏈模型三部分,并利用理論力學的經(jīng)典方法對該

2、三部分進行了詳細分析,在充分考慮各環(huán)節(jié)之間的相互影響后對模型接口進行了修正,從而完成機械子系統(tǒng)的建模.在MATLAB/Simulink下對３MW雙饋風電機組進行了建模,將模型線性化后利用ControlSystemToolbox工具箱進行根軌跡提取,從而分析出影響傳動鏈轉(zhuǎn)速動態(tài)特性的主要因素.最后,在時域下與常規(guī)機械暫態(tài)模型進行了仿真對比,驗證了所述模型具有更高的精度.關(guān)鍵詞:風力發(fā)電;暫態(tài)模型;動力學模型;非線性模型;電能質(zhì)量０引言葉片柔性的三質(zhì)量塊模型,但仍忽視了塔架振動造成的相對風速偏差問題.實際工程中,風電設備制隨著風電在電力系統(tǒng)

3、中所占比例逐步增加,其造商常使用GHbladed仿真軟件計算疲勞、極限載對電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)不可忽視.據(jù)中國可再生能荷,其允許用戶在設置好工作點參數(shù)后直接導出源學會的統(tǒng)計,截至２０１３年中國風電總裝機容量已MATLAB格式的模型狀態(tài)矩陣,但其建模機理卻達９１GW,全球風電裝機容量更是達到３１８GW.不透明.然而,風電作為一種清潔的可再生能源,對電網(wǎng)出力本文提出利用理論力學中拉格朗日方法對風輪卻呈現(xiàn)出電能質(zhì)量差、能源隨機性大的問題,對電網(wǎng)及塔架建立五自由度動力學模型,并充分考慮這些[１Ｇ３]穩(wěn)定性、安全性及可靠性等方面產(chǎn)生負面影響.角位移

4、與傳動鏈及葉片之間的耦合關(guān)系后建立機組因而,近年來各國電網(wǎng)對風電并網(wǎng)也提出了越來越機械暫態(tài)模型.在MATLAB環(huán)境中實現(xiàn)該模型后高的要求,如機組高、低電壓穿越的要求,對公共連利用ControlSystemToolbox中模型線性化工具提接點閃變干擾的要求.取根軌跡,并分析出對傳動鏈低頻振動影響最大的水平軸風力發(fā)電機組是一個復雜的機械系統(tǒng),零極點.該動力學模型描述了風輪在旋轉(zhuǎn)過程中各和任何柔性結(jié)構(gòu)一樣,風力發(fā)電機組也呈現(xiàn)出許多環(huán)節(jié)相對運動的暫態(tài)過程,可為分析機電耦合機理[４Ｇ６]振動模態(tài).其中,包含３個葉片在內(nèi)的風輪在旋以及設計非線性控制

5、器提供依據(jù).轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動模態(tài)將直接與傳動鏈耦合,而風輪面外方向振動及塔架沿驅(qū)動側(cè)方向的前后振動將對１風力發(fā)電機組機械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對風速產(chǎn)生修正作用,從而進一步增加葉片所吸目前并網(wǎng)運行的兆瓦級風力發(fā)電機組主要包括收風能的波動性.因此,在分析風力發(fā)電機組閃變雙饋異步式機組、永磁直驅(qū)式機組、全功率異步式機問題,以及研究風力發(fā)電機組在高、低電壓穿越中的組以及采用鼠籠電機直接并網(wǎng)的異步機組等.其機電暫態(tài)過程時,都需要建立準確的機理模型.文中,除直驅(qū)式機組沒有齒輪箱結(jié)構(gòu)以外,其余風電機獻[７]所提出的暫態(tài)仿真模型采用激盤理論建模的組機械子系統(tǒng)均可

6、由圖１所示結(jié)構(gòu)等效.風輪模型與二質(zhì)塊等效的傳動鏈組成機械子系統(tǒng),其中:空氣動力學模型由激盤理論或葉素理論沒有考慮葉片、塔架實為柔性結(jié)構(gòu).文獻[８]所提出對葉片受力進行描述,根據(jù)實時槳距角、風速將能源的傳動鏈等效模型采用等效集中質(zhì)量法提出了考慮轉(zhuǎn)換升力、阻力,再通過坐標變換分解為旋轉(zhuǎn)面內(nèi)、面外的力矩;轉(zhuǎn)子及塔筒動力學模型將塔筒、輪轂、收稿日期:２０１４Ｇ０６Ｇ１２;修回日期:２０１４Ｇ０７Ｇ１７.葉片視為一個有５個自由度的整體,通過求解拉格國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(９７３計劃)資助項目朗日方程來得到在這些自由度上的角位移及轉(zhuǎn)矩;(２０１２

7、CB２１５２００).傳動鏈動力學模型的作用是將低速旋轉(zhuǎn)的輪轂轉(zhuǎn)矩http://www．a(chǎn)epsＧinfo．com１５２０１５,３９(５)?綠色電力自動化?傳遞給高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子,并通過與以電磁轉(zhuǎn)３倍、６倍于轉(zhuǎn)速的干擾,其影響因素包括風力發(fā)電矩為主的阻力矩相互作用而致使轉(zhuǎn)速變化;由于塔機組偏航對風角度誤差、平均風速隨高度遞增而變[１１Ｇ１２]筒沿驅(qū)動側(cè)前后搖擺造成相對風速偏差,因而引入化等.考慮這些影響時可采用下式對式(２)進該角位移以修正風速,由于塔筒沿非驅(qū)動側(cè)左右搖行修正:擺造成齒輪箱轉(zhuǎn)速偏差,因而需引入該角位移以修１ρπC(,λ

8、)v２R３pβTin＝＋ξ１cos３ωt＋ξ２cos６ωt正傳動軸旋轉(zhuǎn)角位移,但由于該方向振動模態(tài)并不２λ引起空氣動力學模型變化,因而考慮將該部分動力(３)方程包含到傳動鏈動力學模型之中.式中:ξ１和ξ２為