2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組建模答辯課件

2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組建模仿真與出力特性分析導(dǎo)師姓名：田德姓名：邱雨微學(xué)號：1111540116班級：風(fēng)能1101班時間：2015年6月17日研究任務(wù)圍繞2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計基本原理，運用GH-Bladed軟件對2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組進行建模，對所建模型分別在風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、不同風(fēng)況下仿真得出其出力特性，針對仿真結(jié)果進行分析并且提出可行的優(yōu)化設(shè)計方案，得出結(jié)論。設(shè)計流程課題背景國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀主要研究內(nèi)容2MW直驅(qū)機組基本構(gòu)造與設(shè)計原理以及發(fā)展現(xiàn)狀2MW直驅(qū)機組數(shù)學(xué)模型風(fēng)速模型風(fēng)力機模型傳動鏈模型永磁直驅(qū)發(fā)電機模型全功率變流器模型Bladed軟件對機組模型的仿真軟件操作的簡要介紹穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的出力特性分析風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響湍流風(fēng)況下的出力特性分析極端風(fēng)況下的出力特性分析結(jié)論分析與優(yōu)化設(shè)計方案提出目錄2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組現(xiàn)已成為國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的主流機型，通過對2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組進行建模仿真以及出力特性分析，為2MW直驅(qū)式風(fēng)電機組的優(yōu)化設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)。選題背景國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)電市場中直驅(qū)式風(fēng)電機組的單機容量持續(xù)增大金風(fēng)科技與德國Vensys公司研制的1.5MW直驅(qū)機組安裝上千臺在風(fēng)電場金風(fēng)科技有限公司研制的2.5MW直驅(qū)式風(fēng)電機組已經(jīng)批量投放國內(nèi)外市場2013年新增大型風(fēng)電機組中，永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組約占31%湘電公司的2MW直驅(qū)風(fēng)電機組也已大批量進入市場國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀直驅(qū)式機組新型設(shè)計與控制技術(shù)策略全功率變流器d-q軸解耦控制高效調(diào)節(jié)有功與無功功率提高機組低電壓穿越能力轉(zhuǎn)矩與槳距角的協(xié)調(diào)獨立變槳控制實時追蹤最大風(fēng)能利用率低轉(zhuǎn)速變速恒頻發(fā)電技術(shù)高效利用風(fēng)能永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)風(fēng)力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接藕合，輸出電壓頻率隨風(fēng)速的改變而改變。風(fēng)力機吸收風(fēng)能將其轉(zhuǎn)換成幅值、頻率改變的交流電能。定子側(cè)變流器整流交流電能為幅值、頻率不變的直流電。網(wǎng)側(cè)逆變器變換直流電為滿足機組并網(wǎng)條件的交流電饋入電網(wǎng)。全功率變流器解耦控制系統(tǒng)有功功率和無功功率輸出，達到捕獲最大風(fēng)能的目的。GH-Bladed風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響風(fēng)切變是指穩(wěn)定狀態(tài)下在垂直方向上平均風(fēng)速隨高度變化的現(xiàn)象。Bladed軟件中對風(fēng)切變的定義有兩種方式，即指數(shù)模型和對數(shù)模型，其目的是能夠?qū)︼L(fēng)切變進行建模，用來計算不同高度處的風(fēng)速，以及對機組的影響。指數(shù)模型采用風(fēng)切變指數(shù)對風(fēng)切變定義：風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響塔影效應(yīng)是由于塔架的存在而導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)平均風(fēng)場畸變的現(xiàn)象。Bladed中描述塔影效應(yīng)可以用三種不同的模型，即潛流模型、經(jīng)驗塔尾跡模型和組合模型。第一種模型適用于運行在上風(fēng)向的風(fēng)力機，而后兩種模型則適用于下風(fēng)向運行的風(fēng)力機。故本文采用潛流模型如圖所示。風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響軟件仿真分別輸出在有風(fēng)切變和塔影效應(yīng)及無風(fēng)切變塔影效應(yīng)兩種情況下葉片力矩圖譜和發(fā)電機輸出功率圖譜。為了排除其他條件對葉片的影響，選用不隨時間變化的定速風(fēng)模型，風(fēng)速設(shè)定為12m/s。在

軟件的主界面下，打開Wind模塊，選擇Towershadow標簽，為了效果明顯，取修正因子取2；選擇windshear標簽，取風(fēng)切變指數(shù)為0.2.風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響方向的擺振載荷隨時間周期性變化，且曲線光滑，說明葉片所受載荷均勻變化。在有風(fēng)切變和塔影效應(yīng)時，葉片所受載荷也呈現(xiàn)一種周期性變化，但是每個周期有很大波動，所受載荷也比無風(fēng)切變和塔影效應(yīng)時大，其中擺振載荷更加明顯，且擺振載荷瞬時變化劇烈而出現(xiàn)毛刺。風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響定速風(fēng)12m/s下的發(fā)電機輸出功率，在2MW數(shù)值處趨于平穩(wěn)，曲線光滑，說明機組輸出功率穩(wěn)定不受影響。在有風(fēng)切變和塔影效應(yīng)時，發(fā)電機功率輸出有明顯的波動，且頻率較高，平均輸出功率值也比定速風(fēng)情況下要小。風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對葉片的影響由以上分析可見，風(fēng)切變與塔影效應(yīng)對機組影響顯著。隨著機組大型化發(fā)展，塔架高度和風(fēng)輪的直徑越來越大，風(fēng)切變與塔影效應(yīng)對機組造成的影響也越來越明顯。在整個風(fēng)輪面上因為有風(fēng)切變與塔影效應(yīng)的作用，導(dǎo)致風(fēng)速變化。作用在風(fēng)輪葉片上的氣動載荷表現(xiàn)為周期性的變化，對機組出力特性、振動、疲勞、穩(wěn)定性等影響需要十分重視。結(jié)論：以定子電流前饋的方式結(jié)合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制定子電流與發(fā)電機有功功率輸出有相同的變化趨勢，電網(wǎng)發(fā)生故障時，機組槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間通常在幾百毫秒級別，對于毫秒級發(fā)生的電網(wǎng)短路故障而言，釆用變槳調(diào)節(jié)限制發(fā)電機輸出的有功功率是不現(xiàn)實的。因此，采用以定子電流前饋PI控制的方式結(jié)合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制不僅可以彌補變槳控制在相應(yīng)時間上的不足優(yōu)化控制機組的功率輸出，同時獨立槳葉控制又可以減弱風(fēng)切變與塔影效應(yīng)對機組在突變風(fēng)速下的載荷與功率的影響。結(jié)論：以定子電流前饋的方式結(jié)合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制湍流風(fēng)況下的出力特性分析經(jīng)計算，可得風(fēng)速與電功率隨時間的變化曲線如下圖所示：湍流風(fēng)況下的出力特性分析湍流風(fēng)況下的出力特性分析10m/s極端風(fēng)況下的出力特性分析經(jīng)計算，可得風(fēng)速與電功率隨時間的變化曲線如下圖所示：10m/s極端風(fēng)況下的出力特性分析10m/s極端風(fēng)況下的出力特性分析結(jié)論：并網(wǎng)運行控制策略結(jié)論：并網(wǎng)運行控制策略2MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)運行控制策略在故障過程中釆用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率通過有功功率前饋在網(wǎng)側(cè)控制直流電壓穩(wěn)定通過機側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功功率的比較，在網(wǎng)側(cè)完成無功功率的調(diào)控

在故障過程中采用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率

在故障過程中采用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率

結(jié)論：并網(wǎng)運行控制策略

通過有功功率前饋在網(wǎng)側(cè)控制直流電壓穩(wěn)定

通過定子d、q軸電流分量與網(wǎng)側(cè)d、q軸電流分量經(jīng)過PI變換后，將其經(jīng)過SVPWM調(diào)制成變流器指令，完成有功功率、無功功率和直流電壓控制。通過機側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功功率的比較，在網(wǎng)側(cè)完成無功功率的調(diào)控

電網(wǎng)發(fā)生故障時，釆用變槳調(diào)節(jié)限制發(fā)電機輸出的有功功率是不現(xiàn)實的。由于發(fā)電機電流的動態(tài)調(diào)節(jié)時間能夠控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，因此在故障期間釆用限制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩電流的方式來限制發(fā)電機的電磁功率，從而達到限制發(fā)電機輸出有功功率的目的。保證機組并網(wǎng)時在風(fēng)速突變和電網(wǎng)故障情況下對有功功率、無功功率、直流電壓的控制。因