第三章(1)風(fēng)電機組建模和特性分析

1、第三章風(fēng)電機組建模和特性分析 華北電力大學(xué) 可再生學(xué)院 鄧英 158114548901、風(fēng)電機組控制系統(tǒng)組成概述l1.1、風(fēng)輪、傳動鏈、發(fā)電機、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)組成發(fā)電運行控制系統(tǒng)。發(fā)電運行實現(xiàn)控制作用的系統(tǒng)組成框圖1.2、機艙、塔架和基礎(chǔ)組成支撐結(jié)構(gòu)動力特性模型（模態(tài)子結(jié)構(gòu)法） QqKqCqM 32100000000MMMM 32100000000CCCC 32100000000KKKK 321QQQQ其中M1-輪箍質(zhì)量，M234-葉片質(zhì)量，M5-機艙質(zhì)量 M6塔架質(zhì)量1.3.1未加控制力的發(fā)電機組傳動系統(tǒng)模型和特性表示風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性的微分方程通常寫成如下形式：ATKBI 式中 I風(fēng)力

2、發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量；B阻尼系數(shù)；K傳動系統(tǒng)剛度；TA驅(qū)動力；軸的旋轉(zhuǎn)角度。1.3.2、加控制力機組發(fā)電傳動系統(tǒng)模型和動態(tài)特性l當(dāng)系統(tǒng)加入控制力TF后，其動態(tài)特性方程改變?yōu)閘 (1-4)l假定控制力TC 是以比例加積分的方式作用在旋轉(zhuǎn)軸上的，即：l (1-5)l這時，微分方程可以寫成l (1-6)l其中阻尼系數(shù)從B增加到(Bki)，剛性系數(shù)從K 增加到(K+kp)。 CTTKBIA ATkKkBI )()(pikp=K1 Ki=K2 ipckkT1.3.3、討論運動方程全解的物理意義寫出特征根表達(dá)式 IKKIKBKBr2)(4)()(p2ii)(4)(p2ikkIkB討論系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 0 pC

3、2)(22)(1ii)(KKTeCeCttIKBtIKB1.3.3、討論運動方程全解的物理意義pC2)(21pC2)(21ii)()(0)()(0KKTetCCtKKTetSinCtCOSCtIKBIKB1.3.7研究變距控制系統(tǒng)的運動變距運動的穩(wěn)定性分析-即微分方程的通解變距運動的動態(tài)響應(yīng)-即微分方程的全解控制理論復(fù)習(xí)2階時域系統(tǒng)復(fù)平面及時間函數(shù)的分布單位階躍響應(yīng)第一節(jié)、風(fēng)力機風(fēng)輪基本特性0.200.10.30.40.51310241568切出風(fēng)速12141618切入風(fēng)速額定風(fēng)速26109875431恒定功率Cp1.1 風(fēng)電機組葉片的輸出特性第三章 風(fēng)電機組特性分析 最佳尖速比功率系數(shù)161

4、41086402Cp0.10.20.30.40.512Cpmaxopt53max3352max23322pgoptoptpgoptoptgoptR CPGR CTkG第三章 風(fēng)電機組特性分析風(fēng)輪的性能計算1.2計算風(fēng)機性能l風(fēng)輪半徑r處葉素上的軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率l軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率 第三章 風(fēng)電機組特性分析1.3風(fēng)輪的性能計算計算風(fēng)輪性能系數(shù)計算風(fēng)輪性能系數(shù)1.3、葉片的載荷分析風(fēng)輪葉片受力分析l空氣動力使葉片承受彎曲和扭轉(zhuǎn)力；l離心力使葉片承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)力；l重力使葉片承受拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)力。l風(fēng)力葉片受力簡圖取風(fēng)輪葉片軸為oz軸；取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面為oy軸。取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸為ox軸，方向

5、與氣流方向一致；第三章 風(fēng)電機組特性分析葉片的載荷分析l葉片轉(zhuǎn)軸l位于葉片的轉(zhuǎn)軸位于葉片各剖面的0.25-0.35翼弦處，與各剖面的氣動中心的連線盡量接近，以減少作用在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩。l壓力中心l升力作用線和弦線的交點l焦點l相對于該點俯仰力矩不隨攻角發(fā)生改變。第三章 風(fēng)電機組特性分析l風(fēng)輪葉片基本載荷l空氣動力引起的載荷（記號a)l單位長度空氣動力l空氣動力剪切力l空氣動力彎矩l空氣動力扭矩P：壓力中心C：扭轉(zhuǎn)中心第三章 風(fēng)電機組特性分析葉片的載荷分析重力引起的載荷(0和F0是折算密度和面積）l單位長度重力（y是葉片旋轉(zhuǎn)方位角,葉片轉(zhuǎn)軸和水平面之間夾角）l重力拉（壓）力l重力剪力l重力彎矩第三

6、章 風(fēng)電機組特性分析葉片的載荷分析l重力扭矩l離心力引起的載荷l單位長度離心力（翼剖面重心G）l離心拉力l離心剪力第三章 風(fēng)電機組特性分析葉片的載荷分析l離心力彎矩l離心力扭矩l合成載荷l單位長度載荷第三章 風(fēng)電機組特性分析葉片的載荷分析l剪力和拉力（壓力）l彎矩l扭矩l陣風(fēng)引起的彎曲力 由于風(fēng)速的增加和風(fēng)向的變化，陣風(fēng)在葉片中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力增加。由于風(fēng)力機的慣性和風(fēng)向第三章 風(fēng)電機組特性分析1.41.4實度對風(fēng)電機組特性的影響實度對風(fēng)電機組特性的影響第三章 風(fēng)電機組特性分析CQ-曲線曲線第三章 風(fēng)電機組特性分析CT-CT-曲線曲線第三章 風(fēng)電機組特性分析KP -1/KP -1/曲線曲線3321

7、)(PDPCRAPK第三章 風(fēng)電機組特性分析1、槳葉的翼型、槳葉的翼型l1.5、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動力特性、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動力特性0i功角升力角零升力角風(fēng)向弦長vivAB攻角攻角：來流方向與弦線的夾角：來流方向與弦線的夾角零升力角零升力角：弦線與零升力線夾角：弦線與零升力線夾角升力角升力角：來流方向與零升力線夾角：來流方向與零升力線夾角2、槳葉上的氣動力、槳葉上的氣動力221SvCFr總的氣動力總的氣動力，S S 槳葉面積，槳葉面積，Cr Cr 總氣動系數(shù)總氣動系數(shù)C壓力中心221SvCFll221SvCFdd升力升力，與氣流方向垂直，與氣流方向垂直，Cl Cl 升力系數(shù)升力系數(shù)阻力阻

8、力，與氣流方向平行，與氣流方向平行，Cd Cd 阻力系數(shù)阻力系數(shù)221SlvCMM相對前緣點由相對前緣點由F F產(chǎn)生的產(chǎn)生的力矩力矩，CdCd、Cl Cl 是由設(shè)計的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動力計算的原始依據(jù)。是由設(shè)計的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動力計算的原始依據(jù)。第三章 風(fēng)電機組特性分析變距調(diào)節(jié)第三章 風(fēng)電機組特性分析風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性第三章 風(fēng)電機組特性分析第二節(jié)、傳動系統(tǒng)特性 M uC uK uR式中:K是整體剛度矩陣,M是整體質(zhì)量矩陣,C是整體阻尼矩陣,R是外載荷列陣,u、分別為節(jié)點的位移、速度、加速度列陣。第三章 風(fēng)電機組特性分析 傳動軸剛性系統(tǒng)22gea

9、rwtrgenechgearwtrwtrechwtrgenKJJJKTTdtdJTT上式中，Tgen為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，Twtr為葉輪轉(zhuǎn)矩，Jgen為發(fā)電機慣量，Jwtr為葉輪慣量，Kgear為齒輪箱速比。如欲建立更詳細(xì)的模型，則可在發(fā)電機慣量上疊加高速軸聯(lián)軸器和制動圓盤的慣量，在葉輪慣量上疊加低速軸的慣量。如欲簡化計算，則因通常葉輪慣量折算到高速軸后也遠(yuǎn)大于發(fā)電機慣量，所以有時可以忽略計算發(fā)電機慣量。第三章 風(fēng)電機組特性分析柔性系統(tǒng)圖中Jwtr是葉輪折算到高速軸的慣量，Twtr是葉輪折算到高速軸的轉(zhuǎn)矩，Tgen是發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，Jgen是發(fā)電機慣量，De為系統(tǒng)阻尼粘性系數(shù)，Kse為系統(tǒng)等效剛度。此外，

10、還可定義wtr為折算到高速軸的葉輪轉(zhuǎn)速，gen為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，wtr為折算到高速軸的葉輪角位移，gen為發(fā)電機角位移。于是可建立模型如下：第三章 風(fēng)電機組特性分析柔性軸模型認(rèn)為低速軸和高速軸是柔性的，葉輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)自由度。葉輪轉(zhuǎn)子的加速度依賴于氣動轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。發(fā)電機轉(zhuǎn)子的加速度依賴于高速軸轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。軸的轉(zhuǎn)矩可以通過式子T來計算：BkT柔性傳動鏈第三章 風(fēng)電機組特性分析剛性軸模型的從氣動轉(zhuǎn)矩到發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù) 072. 11802958. 0S2346. 0000324S. 023ss)()()(ssTsHGA柔性傳動鏈第三章 風(fēng)電

11、機組特性分析當(dāng)參數(shù)給定如下時：風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機，其輸出連鄰近三相電網(wǎng)或輸配電線。第三節(jié)、交流發(fā)電機第三節(jié)、交流發(fā)電機1.1.基本工作原理基本工作原理 1 1）分定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子：電樞繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和產(chǎn)）分定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子：電樞繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的部件。轉(zhuǎn)子：可由勵磁繞組調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一個強磁場。生旋轉(zhuǎn)磁場的部件。轉(zhuǎn)子：可由勵磁繞組調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一個強磁場。2 2）具體：勵磁繞組外接直流電源得到勵磁電流，產(chǎn)生磁極磁場）具體：勵磁繞組外接直流電源得到勵磁電流，產(chǎn)生磁極磁場（主磁場或勵磁磁場），風(fēng)機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，得到一個機械旋轉(zhuǎn)（主磁場或勵

12、磁磁場），風(fēng)機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，得到一個機械旋轉(zhuǎn)主磁場，該磁場對定子發(fā)生相對運動，在定子繞組中感應(yīng)出對稱的主磁場，該磁場對定子發(fā)生相對運動，在定子繞組中感應(yīng)出對稱的交流電勢。由于定于三相對稱繞組在空間相差交流電勢。由于定于三相對稱繞組在空間相差120120度電角度，因此度電角度，因此三相對稱的電勢也在時間上相差三相對稱的電勢也在時間上相差120120度電角度。可表示為度電角度?？杀硎緸閑 eOAOA,e,eOBOB, ,和和e eOCOC第三章 風(fēng)電機組特性分析=2fs ,是勵磁電流產(chǎn)生的每極磁通；K是一個與電機極對數(shù)和每相繞組匝數(shù)有關(guān)的常數(shù)。60sspnf01Ek2.2.交流電勢的頻率交流電勢

13、的頻率頻率取決于電機的極對數(shù)頻率取決于電機的極對數(shù)P P和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n ns s，即，即3.3.每相繞組的電勢有效值每相繞組的電勢有效值4.4.同步發(fā)電機的額定值同步發(fā)電機的額定值 1 1）額定容量：是指出線端的額定視在功率，以千伏安）額定容量：是指出線端的額定視在功率，以千伏安（kVAkVA）、兆伏安）、兆伏安(MVA)(MVA)為單位；為單位；2 2）額定功率：是指發(fā)電機輸出的額定有功功率，一般以干）額定功率：是指發(fā)電機輸出的額定有功功率，一般以干瓦（瓦（kWkW）或兆瓦（）或兆瓦（MWMW）為單位。）為單位。 第三章 風(fēng)電機組特性分析第三節(jié)、交流發(fā)電機第三節(jié)、交流發(fā)電機風(fēng)力驅(qū)動的

14、同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)風(fēng)力驅(qū)動的同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián) 5 5 并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例一一 同步發(fā)電機同步發(fā)電機1 1）注意并網(wǎng)條件）注意并網(wǎng)條件第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 帶調(diào)速系統(tǒng)的恒速恒頻同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶調(diào)速系統(tǒng)的恒速恒頻同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶變頻器的變速恒頻同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶變頻器的變速恒頻同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)5 5 并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)舉例一一 同步發(fā)電機同步發(fā)電機第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 1)同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負(fù)載提供無功功率，它不僅可以并網(wǎng)運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負(fù)載的需要

15、。 2)同步發(fā)電機的缺點是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本比異步發(fā)電機高。一一 同步發(fā)電機同步發(fā)電機6.6.同步發(fā)電機的優(yōu)缺點同步發(fā)電機的優(yōu)缺點第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 1.結(jié)構(gòu)：1)異步發(fā)電機稱感應(yīng)發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)運行的異步電機，其定子與同步電機的定子基本相同，定子繞組為三相的，可接成三角形或星型接法；轉(zhuǎn)子則有鼠籠型和繞線型兩種。 二異步發(fā)電機二異步發(fā)電機第三節(jié)、交流發(fā)電機第三節(jié)、交流發(fā)電機2.工作原理：1)根據(jù)異步電機理論，異步電機并網(wǎng)運行時由定子三相繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速決定于電網(wǎng)的頻率及電機繞組的極對數(shù)，即：式中：ns為同步轉(zhuǎn)速

16、； f為電網(wǎng)頻率；p 為繞組對數(shù)。 60sfnp二異步發(fā)電機二異步發(fā)電機第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 2）當(dāng)異步電機連接到頻率恒定的電網(wǎng)時，異步電機可以有不同的運行狀態(tài)；l 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于異步電機的同步轉(zhuǎn)速時（即nns），處于發(fā)電運行狀態(tài)，此時異步電機吸收由原動機供給的機械能而向電網(wǎng)輸出電能。二異步發(fā)電機二異步發(fā)電機2.工作原理工作原理第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 2）當(dāng)異步電機與電網(wǎng)并聯(lián)后作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)差率S為負(fù)值。 |s|取值越大，則系統(tǒng)平衡陣風(fēng)擾動的能力越好，一般與電網(wǎng)并聯(lián)運行的容量較大的異步風(fēng)力發(fā)電機其轉(zhuǎn)速的運行范圍在ns與1.05ns之間。 二異步發(fā)電機二異步發(fā)電機3

17、.轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率100%ssnnSn第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 1）缺點：在向電網(wǎng)提供有功功率的同時，要從電網(wǎng)中吸收無功功率。2）優(yōu)點：并網(wǎng)要求不像同步發(fā)電機那么嚴(yán)格，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可并網(wǎng)。？并網(wǎng)方式結(jié)論 ：在與電網(wǎng)并聯(lián)運行的定槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大多采用異步發(fā)電機 。為了充分利用低風(fēng)速時的風(fēng)能，廣泛采用雙速異步發(fā)電機。 二異步發(fā)電機二異步發(fā)電機4.優(yōu)缺點優(yōu)缺點第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 3、普通異步發(fā)電機特性sRUfpmTrse2212第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 4、變距變速雙饋發(fā)電機第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)rsmrrrrrsmrrr

18、rrsmssssrsmssssIILILjsIRIIjsXIjsXRVIILILjIRIIjXIjXRV11rsmpeIjIXnT*Re23*Im23Re23ssssssIVQIVP*Im23Re23rrrrrrIVQIVP第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 變速恒頻運行原理第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 雙饋發(fā)電機有功及無功調(diào)節(jié)ssRIsusEq 軸rIsIsyd 軸d riq ri0/qsssmssdsUILyyyqrsmqsssdrmmdrsmdsiLLiLiLIiLLiydsmslipdrrslipdrrqrqsmslipqrrslipdrrdriLiLiRuiLiLiRudsdrmssmqsdsdsqssqsqrsmqsqsdsdssiuiiuLLiuiuQiuiuLLiuiuP1111232323232323第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 5、永磁風(fēng)電機組的運行特性永磁同步電機定子、轉(zhuǎn)子空間布置的軸向示意圖第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 永磁風(fēng)電機的全功率驅(qū)動變流器第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 永磁發(fā)電機等效電路第三節(jié)第三節(jié) 交流發(fā)電機交流發(fā)電機 Ps=3/2risqffsdr2sdrsi23iL23Qy永磁風(fēng)力發(fā)電機組運行控制運行與操作啟動與并網(wǎng)、