風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)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(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)過程對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,建立準(zhǔn)確有效的機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型是展開分析研究的基礎(chǔ).文中根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)將機(jī)械暫態(tài)模型劃分為空氣動(dòng)力學(xué)模型、轉(zhuǎn)子及塔筒動(dòng)力學(xué)模型、傳動(dòng)鏈模型三部分,并利用理論力學(xué)的經(jīng)典方法對(duì)該

2、三部分進(jìn)行了詳細(xì)分析,在充分考慮各環(huán)節(jié)之間的相互影響后對(duì)模型接口進(jìn)行了修正,從而完成機(jī)械子系統(tǒng)的建模.在MATLAB/Simulink下對(duì)３MW雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了建模,將模型線性化后利用ControlSystemToolbox工具箱進(jìn)行根軌跡提取,從而分析出影響傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性的主要因素.最后,在時(shí)域下與常規(guī)機(jī)械暫態(tài)模型進(jìn)行了仿真對(duì)比,驗(yàn)證了所述模型具有更高的精度.關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;暫態(tài)模型;動(dòng)力學(xué)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(dòng)造成的相對(duì)風(fēng)速偏差問題.實(shí)際工程中,風(fēng)電設(shè)備制隨著風(fēng)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(jì)算疲勞、極限載對(duì)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(shè)置好工作點(diǎn)參數(shù)后直接導(dǎo)出源學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì),截至２０１３年中國風(fēng)電總裝機(jī)容量已MATLAB格式的模型狀態(tài)矩陣,但其建模機(jī)理卻達(dá)９１GW,全球風(fēng)電裝機(jī)容量更是達(dá)到３１８GW.不透明.然而,風(fēng)電作為一種清潔的可再生能源,對(duì)電網(wǎng)出力本文提出利用理論力學(xué)中拉格朗日方法對(duì)風(fēng)輪卻呈現(xiàn)出電能質(zhì)量差、能源隨機(jī)性大的問題,對(duì)電網(wǎng)及塔架建立五自由度動(dòng)力學(xué)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(fù)面影響.角位移

4、與傳動(dòng)鏈及葉片之間的耦合關(guān)系后建立機(jī)組因而,近年來各國電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)也提出了越來越機(jī)械暫態(tài)模型.在MATLAB環(huán)境中實(shí)現(xiàn)該模型后高的要求,如機(jī)組高、低電壓穿越的要求,對(duì)公共連利用ControlSystemToolbox中模型線性化工具提接點(diǎn)閃變干擾的要求.取根軌跡,并分析出對(duì)傳動(dòng)鏈低頻振動(dòng)影響最大的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),零極點(diǎn).該動(dòng)力學(xué)模型描述了風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中各和任何柔性結(jié)構(gòu)一樣,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也呈現(xiàn)出許多環(huán)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的暫態(tài)過程,可為分析機(jī)電耦合機(jī)理[４Ｇ６]振動(dòng)模態(tài).其中,包含３個(gè)葉片在內(nèi)的風(fēng)輪在旋以及設(shè)計(jì)非線性控制

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

6、由圖１所示結(jié)構(gòu)等效.風(fēng)輪模型與二質(zhì)塊等效的傳動(dòng)鏈組成機(jī)械子系統(tǒng),其中:空氣動(dòng)力學(xué)模型由激盤理論或葉素理論沒有考慮葉片、塔架實(shí)為柔性結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[８]所提出對(duì)葉片受力進(jìn)行描述,根據(jù)實(shí)時(shí)槳距角、風(fēng)速將能源的傳動(dòng)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(biāo)變換分解為旋轉(zhuǎn)面內(nèi)、面外的力矩;轉(zhuǎn)子及塔筒動(dòng)力學(xué)模型將塔筒、輪轂、收稿日期:２０１４Ｇ０６Ｇ１２;修回日期:２０１４Ｇ０７Ｇ１７.葉片視為一個(gè)有５個(gè)自由度的整體,通過求解拉格國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(９７３計(jì)劃)資助項(xiàng)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(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)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(dòng)化?傳遞給高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)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(fēng)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(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角度誤差、平均風(fēng)速隨高度遞增而變[１１Ｇ１２]筒沿驅(qū)動(dòng)側(cè)前后搖擺造成相對(duì)風(fēng)速偏差,因而引入化等.考慮這些影響時(shí)可采用下式對(duì)式(２)進(jìn)該角位移以修正風(fēng)速,由于塔筒沿非驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角位移,但由于該方向振動(dòng)模態(tài)并不２λ引起空氣動(dòng)力學(xué)模型變化,因而考慮將該部分動(dòng)力(３)方程包含到傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型之中.式中:ξ１和ξ２為