變槳矩風(fēng)機(jī)并網(wǎng)仿真

變槳矩風(fēng)機(jī)并網(wǎng)仿真 摘要 利用風(fēng)力發(fā)電已越來越成為風(fēng)能利用的主要形式 受到世界各國的高度重視 而且發(fā)展速度最快 大力發(fā)展風(fēng)力發(fā) 電 補(bǔ)充和逐步代替部分常規(guī)能源 緩解電力供應(yīng)緊張的矛盾 應(yīng)以發(fā)展并網(wǎng)型中大型風(fēng)力發(fā)電場 本文利用 Matlab Simulink軟件建立風(fēng)電場模型 主要介紹建立仿真的原理 關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 模型 原理 CHANGE PROPELLER MOMENT WIND TURBINE SIMULATION Abstract Use of wind power has become the main form of the wind power use the fastest developing speed and more attention of the countries all over the world Developing wind power and Instead of conventional energy and relieve tension power supply so it need development of grid medium wind farm These paper use of Matlab Simulink to build wind farms model and Introduces the principle of the building simulation Key words wind driven generator model principle 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí) 文章編號(hào) 0 引言 變槳矩型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其優(yōu)越的性能越來 越受到人們的青睞 而變槳矩系統(tǒng)又是變槳矩風(fēng) 力機(jī)組的關(guān)鍵部分 為了使變槳矩系統(tǒng)能安全 穩(wěn)定的運(yùn)行 必須在變槳矩系統(tǒng)實(shí)施運(yùn)行前 對(duì) 其運(yùn)行特性和控制規(guī)律有充分的了解 本文主要 是通過Matlab Simulimk軟件對(duì)電力系統(tǒng)中的變槳 矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建立仿真模型并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn) 行研究和分析 在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性分析的 基礎(chǔ)上 討論了變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速 模型中的運(yùn)行特性 以及機(jī)組在低于額定風(fēng)速和 高于額定風(fēng)速階段的不同控制策略 Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的 模型接口 它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和 差分方程建模相比 具有更直觀 方便 靈活的 優(yōu)點(diǎn) 并且用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié) 構(gòu) 用戶可以用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建 模型 電力系統(tǒng)工具箱 Power System Blockset以 下簡稱PSB 在Simulink環(huán)境下使用 電力系統(tǒng)工 具箱提供了一個(gè)現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工具 它使科學(xué)家 工程師能迅速建立模型 并立即仿真 不但電路 模型能夠快速建立起來 而且與之相聯(lián)系的機(jī)械 熱力 控制系統(tǒng)及其它設(shè)備規(guī)律的分析均包含在 其中 采用變槳矩調(diào)節(jié)方式 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線平滑 在陣風(fēng)時(shí) 塔筒 葉片 基礎(chǔ)受到的沖擊較失速 調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)要小很多 可減少材料使用率 降低整機(jī)重量 1 MATLAB 軟件簡介 MATLAB語言是MathWorks公司在80年代推 向市場的一種數(shù)值型計(jì)算軟件 MATLAB具有編 程效率高 程序設(shè)計(jì)靈活 圖形功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 它已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科 多種工作平臺(tái)的功 能強(qiáng)勁的大型軟件 MATLAB提供的Simulink工具 箱是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模 仿真和分析 的軟件包 它支持連續(xù) 離散及兩者混合的線性 和非線性系統(tǒng) 也支持多種采樣速率的多速率系 統(tǒng) 由于在仿真實(shí)驗(yàn)中用到了大量的模塊 如果 不做專門的說明 這些模塊所表示的內(nèi)容是比較 不容易理解和閱讀的 所以需要專門的對(duì)電力系 統(tǒng)工具箱中的那些常用的模塊做一個(gè)簡單的介紹 利用開始 Start 導(dǎo)航區(qū)啟動(dòng)電力系統(tǒng)工具 箱 首先單擊開始按鈕 選擇仿真 Simulink 命 令 在彈出的子命令中選擇電力系統(tǒng)仿真 SimPowerSystem 然后在彈出的菜單中選擇 電力系統(tǒng)工具箱 單擊該命令即可啟動(dòng)電力系統(tǒng) 工具箱對(duì)話框 在電力系統(tǒng)工具箱對(duì)話框中包含了多種電力 系統(tǒng)元件的圖標(biāo) 按照類別的提示可以進(jìn)行各種 操作 電力系統(tǒng)工具箱包括10類庫元件 分別是 電源元件 Electrical Sources 線路元件 Elements 電力電子元件 Power Electronics 電機(jī)元件 Machines 電路測量 儀器 Measurements 應(yīng)用庫 Application Libraries 附加元件 Extras 演示教程 Demos 電力圖形用戶接口 Powergui 等 在應(yīng)用庫中 在本次設(shè)計(jì)中主要用到的是風(fēng) 力發(fā)電機(jī)模塊 該模塊存在與應(yīng)用庫中 如圖1 雙擊分布式電源 Distributed Resources Library 在該電源中顯示了風(fēng)力發(fā)電 Wind Generation 如圖2所示 應(yīng)用庫 分布式電源 在該圖中的Wind Generation內(nèi)包含了風(fēng)機(jī)模型 感 應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)模型和同步發(fā)電機(jī)模型三類模型 2 利用Matlab Simulink軟件建立風(fēng)電場模型 及變槳矩控制系統(tǒng)概述 風(fēng)輪機(jī)工質(zhì)是低速 低溫空氣 精確地講 風(fēng)輪機(jī)流場是一個(gè)可壓縮 有黏性的非定常流場 實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)不同的場合 還可對(duì)壓縮性 黏性 作某些簡化 流場的數(shù)值解可通過求解流體力學(xué) 的控制方程組完成 流體力學(xué)的控制方程包括連續(xù)方程 動(dòng)量方 程和能量方程 這些方程是流體力學(xué)三個(gè)基本物 理定律的數(shù)學(xué)描述 這三個(gè)基本的物理定律是質(zhì) 量守恒定律 牛頓第二定律和能量守恒定律 4 1風(fēng)速模型風(fēng)速模型 風(fēng)電機(jī)組以風(fēng)作為原動(dòng)力 風(fēng)速直接決定了 風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性 風(fēng)速模型一般包含3類即漸 變風(fēng) 陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng) 如圖4 1所示 迄今為止 對(duì)自然界風(fēng)能的研究已經(jīng)取得了 許多研究成果 能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測某地區(qū)風(fēng)能 的分布規(guī)律 根據(jù)對(duì)風(fēng)速觀測結(jié)果的統(tǒng)計(jì) 風(fēng)速 的分布規(guī)律接近于Raylieghl分布 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 V一風(fēng)速 m s V 一平均風(fēng)速 m s 2 2風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)模型 風(fēng)所具有的能量可近似表示為 式 4 2 風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā) 電機(jī)的型式而異 一般而言 風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中 捕獲的機(jī)械功率的表達(dá)式為 式中 為空氣密度 kg m 為風(fēng)輪機(jī)的掠風(fēng)面積 V為上游風(fēng)速 為風(fēng)能利用系數(shù) 由上述可見 風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能正比于掠風(fēng) 面積 風(fēng)速V立方和風(fēng)能利用系數(shù) 的乘積 風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài) 用槳葉的葉尖圓 周速度與風(fēng)速之比來衡量 其比值稱為風(fēng)力機(jī)的 葉尖速比 表達(dá)式如下 式中 為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪角速度 rad s R為葉片半徑 m 為葉尖線速度 m s Cp 風(fēng)能利用系數(shù) 是風(fēng)力機(jī)葉尖速比 的函數(shù) 如圖所示 風(fēng)力機(jī)的性能曲線 對(duì)定槳矩風(fēng)力機(jī) 用一條曲線就能表示它作 為 的函數(shù)的性能和表示從風(fēng)能中獲取的最大風(fēng)能 對(duì)變槳矩風(fēng)力機(jī) 曲線還是槳葉節(jié)矩角 的 函數(shù) 當(dāng)槳葉節(jié)矩角由零逐漸增加時(shí) 曲線 將顯著地縮小 當(dāng)風(fēng)速一定時(shí) 風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率 的大小取決于 的大小 與槳矩角 葉尖速率比 的非線性 Cp 關(guān)系如圖 與和的關(guān)系 Cp 本文采用六臺(tái)1 5 MW風(fēng)機(jī)組成一個(gè)風(fēng)電場 在仿真模型中 將六臺(tái)1 5 MW風(fēng)機(jī)用三組風(fēng)機(jī)模 型表示 每組代表實(shí)際的兩臺(tái)風(fēng)機(jī) 在風(fēng)機(jī)模型中 發(fā)電機(jī)為鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī) 采 用變槳距調(diào)速 且每組風(fēng)機(jī)都配有風(fēng)機(jī)保護(hù) 機(jī) 端處都安裝了電容器 并且經(jīng)過變壓器升壓到 35kv 下圖為該風(fēng)場在Matlab Simulink軟件平臺(tái)下建立的 模型 2 3 變槳矩控制系統(tǒng)概述 20 世紀(jì) 80 年代中期進(jìn)入風(fēng)電市場的定槳矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng) 問題和運(yùn)行的安全性和可靠性問題 采用了軟并 網(wǎng)技術(shù) 空氣動(dòng)力剎車技術(shù) 偏航與自動(dòng)解纜技 術(shù) 這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決 的最基本的問題 由于功率輸出是由槳葉自身的 性能限制 槳葉的節(jié)矩角在安裝時(shí)已經(jīng)固定 因 此 只要在允許的風(fēng)速范圍內(nèi) 定槳矩風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對(duì)由于風(fēng)速變化引 起輸出能量的變化是不作任何控制的 2 3 12 3 1變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn) 其中輸出功率特性 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與 定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比 具有在額定功率點(diǎn)以 上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn) 功率曲線的比較見下圖 變槳矩風(fēng)力機(jī)功率曲 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠 葉片的氣動(dòng)特性 當(dāng)功率在額定功率以下時(shí) 控 制器將葉片節(jié)矩角置于 0 附近 不作變化 可認(rèn) 為等同于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 發(fā)電機(jī)的功率根 據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化 當(dāng)功率 超過額定值時(shí) 變槳矩開始工作 調(diào)整葉片節(jié)矩 角 將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近 定槳矩風(fēng)力機(jī)功率曲線 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 相比 在相同的額定功率點(diǎn) 額定風(fēng)速比定槳矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要低 對(duì)于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 一般在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系統(tǒng)較高 當(dāng)風(fēng)速接 近額定點(diǎn)時(shí) 風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅下降 因?yàn)?這時(shí)隨著風(fēng)速的提高 功率上升已趨緩 而過了 額定點(diǎn) 槳葉已開始失速 風(fēng)速升高 功率反而 開始下降 對(duì)于變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 由于槳葉 節(jié)矩可以控制 無需擔(dān)心風(fēng)速超過額定點(diǎn)后的功 率問題 可以使得額定功率點(diǎn)仍然具有較高的功 率系數(shù) 由于變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)矩角是根 據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號(hào)來控制的 它不受 氣流密度變化的影響 無論是由于溫度變化還是 海拔引起空氣密度的變化 變槳矩系統(tǒng)都能通過 調(diào)整葉片角度 使之獲得額定功率輸出 這時(shí)對(duì) 于功率輸出完全依靠槳葉氣動(dòng)性能的定槳矩風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組來說 具有明顯的優(yōu)越性 它的起動(dòng)性能和制動(dòng)性能 變槳矩風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組在低風(fēng)速時(shí) 槳葉節(jié)矩可以轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角 度 使風(fēng)輪具有最大的起動(dòng)力矩 從而使變槳矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更容易起動(dòng) 在變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上 一般不再設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī) 起動(dòng)的程序 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫離電網(wǎng)時(shí) 變槳矩系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使之減小功率 在發(fā) 電機(jī)與電網(wǎng)斷開之前 功率減小至 O 這意味著 當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開時(shí) 沒有轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組 避免了在定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上每次脫 網(wǎng)時(shí)所要經(jīng)歷的突甩負(fù)載的過程 2 3 22 3 2變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài) 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)變矩系統(tǒng)所起的作 用可分為三種運(yùn)行狀態(tài) 即風(fēng)力發(fā)電的起動(dòng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)速控制 欠功率狀態(tài) 不控制 和額定功率狀態(tài) 功率控制 其中起動(dòng)狀態(tài) 變矩風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí) 節(jié)矩角為 90 這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 整 個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板 槳葉向 0 方向轉(zhuǎn)動(dòng) 直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角 風(fēng)輪開始起動(dòng) 在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)前 變槳矩系統(tǒng)的節(jié)矩給定值 由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制 轉(zhuǎn)速控制器按一定速度 上升斜率給出速度參考值 變槳矩系統(tǒng)根據(jù)給定 的速度參考值 調(diào)整節(jié)矩角 進(jìn)行速度控制 為 了確保并網(wǎng)平穩(wěn) 對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊 變槳矩系統(tǒng)可以在一定時(shí)間內(nèi) 保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速在同步速度附近并網(wǎng) 轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒 定的 即同步轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行 比較 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時(shí) 槳葉節(jié)矩就向迎 風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度 當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步 轉(zhuǎn)速附近保持一定時(shí)間后發(fā)電機(jī)即并入電網(wǎng) 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后 由于風(fēng) 速低于額定風(fēng)速 發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功 率狀態(tài)運(yùn)行 為了改善低風(fēng)速時(shí)槳葉的氣動(dòng)性能 采用了 Optitp 技術(shù) 即根據(jù)風(fēng)速的大小 調(diào)整發(fā) 電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上 以優(yōu)化功率輸出 這種優(yōu)化彌補(bǔ)了變槳矩風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的不足 額定功率狀態(tài)是當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速 時(shí) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài) 在傳統(tǒng)的 變槳矩控制方式中 將轉(zhuǎn)速控制切換到功率控制 變槳矩系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制 傳統(tǒng)的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制框圖 控制信號(hào)的給定值是恒定的 即額定功率 功率反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較 當(dāng)功率超過額 定功率時(shí) 槳葉節(jié)矩就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn) 動(dòng)一個(gè)角度 反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè)角度 3 風(fēng)電場中的模塊設(shè)置原理 3 1 發(fā)電機(jī)模塊發(fā)電機(jī)模塊 感應(yīng)發(fā)電機(jī)也稱異步發(fā)電機(jī) 即可作為發(fā)電 機(jī) 也可作為電動(dòng)機(jī) 由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu) 簡單 價(jià)格便宜 堅(jiān)固耐用 維修方便 啟動(dòng)容 易 并網(wǎng)簡單等特點(diǎn) 在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 得到廣泛應(yīng)用 在軟件環(huán)境中發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置 圖6 2 感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸入?yún)?shù) 3 2 風(fēng)速模塊風(fēng)速模塊 空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在風(fēng)輪上 引起風(fēng)輪的 轉(zhuǎn)動(dòng) 且風(fēng)速越大風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)越快 控制作用在 風(fēng)機(jī)模塊上風(fēng)速的大小 通常要用到風(fēng)速模塊 在該風(fēng)場模型中 作用在三臺(tái)風(fēng)機(jī)模塊上的風(fēng)速 分別由三個(gè)風(fēng)速模塊提供 下圖所示為一號(hào)風(fēng)機(jī) 上的風(fēng)速模塊 圖6 3 風(fēng)速模塊 在軟件環(huán)境中風(fēng)速設(shè)置 圖6 4 風(fēng)速輸入?yún)?shù) 由圖可知 風(fēng)速的起始值為8m s 在2秒后 開始作用在對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)上 在隨后的3秒內(nèi)達(dá)到 11m s 并一直穩(wěn)定在此狀態(tài)上 2號(hào)和3號(hào)風(fēng)速模 塊的參數(shù)設(shè)置相同 但它們作用在對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)上 的時(shí)間分別晚1號(hào)模塊2秒和4秒 3 3建立并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)模型建立并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)模型 幾臺(tái)甚至幾百臺(tái)千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成風(fēng)電 場聯(lián)合向電網(wǎng)供電 這是應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)大規(guī)模開 發(fā)利用風(fēng)能資源的一個(gè)壯舉 目前 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 主要以并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)為主 本設(shè)計(jì)就是建立一個(gè)并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)仿真模 型 并對(duì)其發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析 圖6 5 9 MW風(fēng)電場并網(wǎng)模型 9 MW風(fēng)電場并網(wǎng)模型的建立 利用上節(jié)已建的9 MW風(fēng)電場升壓到35kv 然 后并入35kv系統(tǒng)中 最后再通過25km輸電線路連 接到110kv電源 在該并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)模型中添加了 STATCOM 無功補(bǔ)償器 目的是用來補(bǔ)償電網(wǎng) 中無功的不足 4 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析 設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為20s 在系統(tǒng)中安裝下列 測量儀表 可以觀察到風(fēng)機(jī)在仿真過程中的運(yùn)行 情況 圖6 6 風(fēng)機(jī)測量儀表 開始仿真 觀察風(fēng)機(jī)示波器上的信號(hào) 4 1漸變風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性漸變風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性 下圖為風(fēng)機(jī)示波器 該示波器顯示了5項(xiàng) 分 別是每臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功功率 無功功率 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速 風(fēng)速 槳矩角 表格中綠 粉 藍(lán)三種不同 顏色曲線分別代表1 3號(hào)風(fēng)機(jī) 漸變風(fēng)輸出結(jié)果 仿真結(jié)果及分析 在該風(fēng)機(jī)示波器中 每項(xiàng)中的三條曲線變化 規(guī)律相同 但由于它們接受風(fēng)能的時(shí)間不同 三 條曲線依次相差兩秒 每臺(tái)風(fēng)機(jī)接受風(fēng)能規(guī)律如圖所示 隨著風(fēng)速 的增加 風(fēng)機(jī)輸出的有功功率增加 在接近8s的時(shí) 候 1號(hào)風(fēng)機(jī)的有功功率達(dá)到額定值3MW 并且穩(wěn) 定在此額定值上運(yùn)行 在此過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 1 0028pu增加到1 0047pu 變得穩(wěn)定 觀察風(fēng)機(jī)吸 收的無功功率 也隨著有功功率的增加而增加 最后每臺(tái)風(fēng)機(jī)的吸收功率穩(wěn)定在1 47Mvar 另外由圖可以看出 在8秒之前 風(fēng)機(jī)的功率 和轉(zhuǎn)速都是不穩(wěn)定的 其中輸出的有功功率已經(jīng) 超出額定值3MW 這主要是由于風(fēng)速超出了額定 風(fēng)速9m s 致使風(fēng)機(jī)輸出的功率超出額定值 這 樣運(yùn)行是不安全的 這時(shí)就需要調(diào)速裝置 使風(fēng)輪運(yùn)行在額定轉(zhuǎn) 速下 在該系統(tǒng)中配置了可變槳距調(diào)速裝置 當(dāng)輸 入風(fēng)速超過了額定值時(shí) 它通過增加槳距角 由 0 增加到8 使葉片接受的風(fēng)能減少 維持 風(fēng)輪運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 所以系統(tǒng)可以穩(wěn)定 的運(yùn)行 4 2陣風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性陣風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性 下圖為風(fēng)機(jī)示波器 圖 6 8 陣風(fēng)輸出結(jié)果 仿真結(jié)果及分析 由圖6 8可看出陣風(fēng)的特點(diǎn) 就像階躍信號(hào)一 樣 在某一時(shí)間突然有一個(gè)沖量 基于陣風(fēng)的這 個(gè)特點(diǎn) 可觀察到發(fā)電機(jī)的有功功率 無功功率 轉(zhuǎn)速的變化都呈階躍式變化 變槳風(fēng)機(jī)在靜止時(shí) 節(jié)矩角為90 此時(shí)氣 流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 整個(gè)槳葉相當(dāng)于一個(gè)阻尼 板 槳葉向0 方向轉(zhuǎn)動(dòng) 直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一 定的攻角 風(fēng)輪開始啟動(dòng) 當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí) 采用改變槳矩角來限制功率 陣風(fēng)時(shí) 葉片變槳 反應(yīng)滯后 會(huì)產(chǎn)生能量損失 以至于最佳攻角在 部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí) 無法達(dá)到穩(wěn)定的調(diào)節(jié) 風(fēng)機(jī)受 到陣風(fēng)作用時(shí)風(fēng)速超出了額定風(fēng)速 此時(shí)有功功 率和無功功率也超出了額定功率 這樣運(yùn)行很不 安全 變槳風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速及以上有很高的風(fēng) 能利用系數(shù) 由圖可知 此時(shí)變槳系統(tǒng)開始工作 它通過增加槳矩角 從0 連續(xù)增加到10 從而 使受到的風(fēng)力減小 以降低轉(zhuǎn)速 雖然轉(zhuǎn)速在起 始階段有階躍式的變化 但很快達(dá)到了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 1 0047pu 起始階段有功功率增加 為了保持功率 平衡 發(fā)電機(jī)吸收的無功功率也相應(yīng)增加 轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定后 有功功率和無功功率也相應(yīng)降低 當(dāng)槳 矩角降低到8 時(shí) 有功功率達(dá)到額定值3MW 風(fēng) 機(jī)在額定功率范圍穩(wěn)定的運(yùn)行 當(dāng)功率在額定功 率時(shí) 控制器將葉片節(jié)矩角置于8 附近 不作變 化 4 3混合風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性混合風(fēng)時(shí)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性 下圖為風(fēng)機(jī)示波器 圖6 9混合風(fēng)速模型輸出結(jié)果 如圖6 9中所示風(fēng)速模型是一個(gè)簡易的小陣風(fēng) 模型 其運(yùn)行時(shí)間只有10s 在這10s中 風(fēng)速從 4m s上升到20m s 又從20m s又減速到最初狀態(tài) 在4s到8s之間 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從1 pu上升到1 8 pu 然后又逐漸降低 此時(shí)有功功率逐漸上升到 5MW 在5s時(shí)降到0MW 在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)期間存儲(chǔ)能 量 無功功率也緩慢上升 同樣在5s時(shí)降到0 Mvar 槳矩角從0 增加到5 又從5 降到0 風(fēng)速明顯超出額定風(fēng)速 此時(shí)變槳矩風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)槳 矩角變化 以此來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化 將功率 限制在額定功率之內(nèi) 這樣運(yùn)行是安全的 可實(shí) 現(xiàn)無沖擊并網(wǎng) 由圖6 9可知在4s時(shí) 有功功率超出了額定功 率 轉(zhuǎn)速也很快 運(yùn)行很不穩(wěn)定 經(jīng)過變槳系統(tǒng) 的調(diào)節(jié) 風(fēng)機(jī)運(yùn)行幾乎趨于平穩(wěn) 總結(jié) 鑒于變槳矩 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 有功功率 無功功率 轉(zhuǎn)速和槳矩角隨風(fēng)速變化 的特點(diǎn) 對(duì)變槳矩風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特 性進(jìn)行了初步的研究 采用Matlab Simulimk建立 9MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型 通過將風(fēng)速改變?yōu)闈u變 風(fēng)模型 陣風(fēng)模型 以及隨機(jī)風(fēng)的模型對(duì)變槳矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性進(jìn)行分析 以及對(duì)啟機(jī) 時(shí)和達(dá)到穩(wěn)定時(shí)功率 轉(zhuǎn)速和槳矩角的變化的分 析 通過對(duì)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性的分析 得出變槳矩控制的規(guī)律 在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí) 利用變速恒頻技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制 是槳葉保持最優(yōu)捕風(fēng)位置 最大限度的捕獲風(fēng)能 當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí) 增大槳葉節(jié)矩角 使發(fā) 電機(jī)輸出功率降低 當(dāng)輸出功率低于額定功率時(shí) 減小槳葉節(jié)矩角 使輸出功率增大 最終維持功 率在額定功率左右 從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮 當(dāng) 風(fēng)速過高時(shí) 可以通過調(diào)整槳葉節(jié)矩 改變氣流 對(duì)葉片攻角 從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣 動(dòng)力轉(zhuǎn)矩 使輸出功率保持穩(wěn)定 采用變槳矩調(diào) 節(jié)方式 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線平滑 在陣風(fēng)時(shí) 塔 筒 葉片 基礎(chǔ)受到的沖擊較失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā) 電機(jī)要小很多 可減少材料使用率 降低整機(jī)重 量 其缺點(diǎn)是需要一套復(fù)雜的變槳矩機(jī)構(gòu) 要求 對(duì)陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快 減小風(fēng)的波動(dòng)引起的 功率脈動(dòng) 參考文