风电机组控制与优化运行第2章 风电系统数学模型讲解
风力发电系统的建模与优化
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风力机的结构和数学模型
内容提要1 风力机的基本结构2 风力机的数学模型3 风力机功率控制方式第1章风力机的基本结构风力发电系统的基本部件风力发电系统的基本部件风力发电系统的基本部件风轮由叶片和轮毂组成由叶片和轮毂组成；；是机组中最重要的部件;决定性能和成本决定性能和成本；；目前多数是上风式目前多数是上风式，，三叶片三叶片；；叶片与轮毂的连接叶片与轮毂的连接：：固定式固定式，，可动式可动式；；叶片多由复合材料叶片多由复合材料（（玻璃钢玻璃钢））构成传动轴系由风力发电机中的旋转部件组成由风力发电机中的旋转部件组成。
主要包括低速轴主要包括低速轴，，齿轮箱和高速轴齿轮箱和高速轴，，以及支撑轴承以及支撑轴承、、联轴器和机械刹车。
齿轮箱有两种齿轮箱有两种：：平行轴式和行星式平行轴式和行星式。
大型机组中多用行星式用行星式（（重量和尺寸优势重量和尺寸优势）。
）。
）。
有些机组无齿轮箱有些机组无齿轮箱有些机组无齿轮箱。
传动轴系的设计按传统的机械工程方法传动轴系的设计按传统的机械工程方法，，主传动轴系的设计按传统的机械工程方法系的设计按传统的机械工程方法，，主要考虑特殊的受载荷情况受载荷情况。
机舱与偏航系统包括机舱盖包括机舱盖，，底板和偏航系统底板和偏航系统。
机舱盖起防护作用机舱盖起防护作用，，底板支撑着传动轴系部件板支撑着传动轴系部件。
偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。
上风式采用主动偏航，上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动由偏航电机驱动，，由偏航控制系统控制统控制。
偏航刹车用来固定机舱位置偏航刹车用来固定机舱位置。
塔架与基础塔架有钢管塔架有钢管、、桁架和混凝土三种桁架和混凝土三种。
塔架高度通常为风轮直径的塔架高度通常为风轮直径的1~1.51~1.51~1.5倍倍塔架的刚度在风力机动力学中是主因素塔架的刚度在风力机动力学中是主因素。
第2章风力机的数学模型（Betz）理论贝兹（贝兹风力机功率表达式的推导风力机功率表达式的推导风力机功率表达式的推导功率系数Cp的性质风轮的几何描述叶片的形状叶片截面叶片截面的描述桨距角β的定义叶尖速度比功率系数Cp的典型表达式功率系数Cp与β和λ的关系功率系数Cp与λ的关系（β固定在0 °）的关系（风力机功率与风速和风轮转速之间的关系风力机功率与风速和风轮转速之间的关系（（β固定在0 °）叶片的数目与功率系数Cp和最优λ的关系对应某种特定的叶片第3章风力机功率控制方式失速控制方式主动失速控制方式变桨距控制方式变桨距控制框图风轮功率控制方式比较风电机组的功率风电机组的功率－－风速曲线风电机组的功率风电机组的功率－－风速曲线风电机组的功率风电机组的功率－－风速曲线变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－风速曲线变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－风速曲线变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－风速曲线变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－风速曲线实例BONUS 2.3 MW变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－转速特性曲线变桨距风电机组的功率变桨距风电机组的功率－－转速特性曲线实例-Vestas[-292.40]V52m-850风机风速与Beta的关系Lambda与Beta的关系PSS/E采用的理想化功率跟踪与调节特性曲线。
风电机组控制与优化运行风电系统数学模型
2.1 风能转换系统概述
（五） 桨距伺服子系统
由液压装置或机电装置组成的桨距伺服子系统 的任务是沿叶片纵轴旋转叶片，从而改变桨距角。
从空气动力学角度考虑，当风速过高时，通过 调整叶片桨距角，改变气流对叶片的攻角，从而改 变风力发电机组获得的空气动力转矩，可使机组输 出功率保持稳定。
与该子系统相关的物理量主要有：风速、叶片 桨距角、风轮转速、转矩等。
1Hale Waihona Puke 0.80.60.4
0.2
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 a
ct(a),cp(a)
2.2.2 风力机桨叶受力分析 一、风轮在静止情况下叶片的受力分析
Fy
F
风速v α
Fx I
风速v
II F’x
F’y
F’
一、风轮在静止情况下叶片的受力分析
Fy
风速v α 风
1 2
d vd2
pd
d ghd
由于ρ∞=ρd=ρ，p∞=pw且在水平方向上h∞=hd故有：
p
d
p
d
1 2
(v2
v
2 w
)
因此有：
F
1 2
(v2
vw2 ) Ad
(v
vw )Ad v (1 a)
vw v (1 2a)
2.2.1 风力机空气动力学
气流输出功率即风力机从空气流束中捕获的风功率
风
传动 系统
制动 装置
发电机
换流器 开关
电 网
变桨距系统 测风系统
控制系统 偏航系统
补偿 电容
2.1 风能转换系统概述
为获取整个系统的面向控制的数学模型，将整 个系统分为以下几个子系统：
风力发电系统建模与控制
风力发电系统建模与控制随着能源需求的不断增加，风力发电引起了人们的重视。
风力发电系统是一种绿色、低碳、可再生的能源。
为了实现可靠的风力发电系统，需要对其进行建模和控制。
本文将深入探讨风力发电系统建模与控制。
一、风力发电系统的基本结构风力发电系统一般由风轮、传动系统、发电机、电力转换器和控制系统组成。
其中，风轮负责将风能转化为机械能，传动系统将机械能传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，电力转换器将电能转化为可用的电力，控制系统则对整个系统进行控制和监测。
二、风力发电系统的建模风力发电系统的建模是对系统进行描述和分析的过程。
建模可以帮助我们理解系统的特性和性能，并优化系统的设计和控制。
1. 风轮模型风轮模型可以用动量理论进行描述。
动量理论认为，当空气通过风轮时，将产生一个动量变化。
这种动量变化可以表达为：MT=(2/3)ρAV1V2其中，MT为扫描面MT越大，效率就越高。
V1是入口速度，V2是出口速度，ρ为空气密度，A为扫描面积。
2. 传动系统模型传动系统模型可以用机械传动理论进行描述。
机械传动理论认为，传动系统的输出功率等于输入功率与传动效率的乘积。
传动效率通常由摩擦、转动惯量、传动比等因素决定。
3. 发电机模型发电机模型可以用电机理论进行描述。
电机理论认为，发电机的输出电功率等于输入机械功率与发电机效率的乘积。
发电机效率通常由转子、定子、磁路、线圈等因素决定。
4. 电力转换器模型电力转换器模型可以用电子技术进行描述。
电子技术主要是关于电流、电压和功率的调节和控制。
5. 控制系统模型控制系统模型可以用控制理论进行描述。
控制理论可以用于实现对风力发电系统的控制和监测。
控制系统可以是基于硬件的，也可以是基于软件的。
常见的控制方法包括PID控制和模糊控制等。
三、风力发电系统的控制为了使风力发电系统能够稳定运行，需要对其进行控制。
控制可以实现对系统的稳定性、效率和可靠性的优化。
1. 稳定性控制稳定性控制是风力发电系统控制的基本要求。
风力发电系统的建模与控制
风力发电系统的建模与控制一、概述风力发电系统是一种能够将自然风力转化为电能的可再生能源发电系统。
风力发电系统主要由发电机、风轮和控制系统组成。
在风力发电系统中，风轮与风机轴相连，当自然风力吹过风轮时，使得风轮旋转，驱动风机轴旋转，从而使发电机发电。
同时，为了保证稳定性和安全性，风力发电系统还要配备一个控制系统来实现对风轮和发电机的控制。
二、风力发电系统的建模为了更好地理解和控制风力发电系统，建立系统动态模型就显得尤为重要。
风力发电系统的建模主要包括两个部分：旋翼理论和机械部分。
1. 旋翼理论旋翼理论主要研究风轮转动时的空气动力学原理。
在旋翼理论中，风轮被视为一个固定的绕纵轴旋转的旋翼。
由于风轮的旋转所产生的升力和阻力会影响整个系统的动态性能，因此将风轮的升力和阻力转换为转矩和力，以便用于后续的控制系统中。
2. 机械部分机械部分主要研究驱动系统的动态特性。
在机械部分中，主要考虑风轮与发电机之间的机械传动系统。
传动系统的组成包括齿轮、轴承、链条等。
因为传动系统的性能对整个风力发电系统的动态特性影响很大，因此需要对传动系统的动态性能进行建模和仿真分析，以便更好地控制风力发电系统。
三、风力发电系统的控制为了保证风力发电系统的稳定性和安全性，需要对其进行控制。
风力发电系统的控制主要分为两个部分：基于功率的控制和基于转速的控制。
1. 基于功率的控制基于功率的控制主要针对的是发电机的功率输出，通过控制风轮的桨距角来控制发电机的输出功率。
当自然风力较大时，通过增大风轮的桨距角，可以提高发电机输出功率；当自然风力较小时，需要减小桨距角，从而降低发电机输出功率，以防止发电机过载。
2. 基于转速的控制基于转速的控制主要是针对风轮转速的控制。
为了保证风力发电系统的安全性，需要对风轮的转速进行控制。
如果风轮的转速过快，会降低风力发电系统的输出功率，同时会对整个系统的安全性带来威胁。
因此，需要根据风速和发电机负荷来控制风轮的转速，以保证风力发电系统的安全性和稳定性。
风力发电系统的建模和优化
风力发电系统的建模和优化随着气候变化和环保意识的提高，清洁能源越来越受到重视。
在所有的清洁能源中，风力发电是一种非常有前途的技术，它具有广阔的开发前景和应用空间。
然而，风力发电的可靠性和经济性仍然需要不断提高。
在这种情况下，建立一个科学的风力发电系统的建模和优化方法是至关重要的。
一、风力发电系统的建模风力发电系统主要由风机、主轴、发电机、变流器、电网等多个部分组成。
在建立风力发电系统的模型时，需要对每个部分进行详细分析和建模，同时还需要考虑不同部分之间的协作关系。
1. 风机模型风机是风力发电系统的核心部件，其性能直接影响整个系统的输出能力。
风机模型需要考虑风机的外形、叶片数目、叶片材料、控制系统等多个因素，并且需要通过实验验证来获得。
2. 主轴模型主轴是风机和发电机之间的连接部件，它的设计和制造对整个风力发电系统的可靠性和稳定性非常重要。
主轴模型需要综合考虑材料、结构、制造工艺等多个因素。
3. 发电机模型发电机是把风能转化成电能的核心部件，其输出能力和效率直接影响整个系统的性能。
发电机的模型需要考虑电磁学、机械学和热学等多个因素，并且需要对不同负载和速度下的性能进行测试验证。
4. 变流器模型变流器是将产生的电能转化成符合电网要求的电能的关键部件，其性能和质量对整个系统的输出功率和电网质量有较大影响。
变流器的模型需要考虑功率电子器件、控制技术、保护技术等多个因素。
5. 电网模型电网是把风力发电系统中产生的电能输送和分配的关键环节，其质量和安全性对用户和能源供应商都具有重要意义。
电网的模型需要考虑其电压、频率、负载等多个因素，并且需要对不同电网状态下的性能进行测试验证。
二、风力发电系统的优化在建立风力发电系统的模型之后，需要对其进行优化，以提高系统的可靠性、效率和经济性。
风力发电系统的优化可以从以下几个方面入手：1. 系统设计优化系统设计优化是从整体的角度考虑风力发电系统的设计，旨在寻找最佳的系统结构和工作参数。
风力发电机组的电力调节与功率控制模型
风力发电机组的电力调节与功率控制模型1. 引言风力发电是一种可再生的清洁能源，在全球范围内得到了广泛的应用和发展。
然而，由于风力发电的依赖性和不稳定性，需要对风力发电机组进行电力调节和功率控制，以确保电网的稳定性和安全性。
本文旨在讨论风力发电机组的电力调节与功率控制模型，并提出一种有效的解决方案。
2. 风力发电机组的电力调节风力发电机组的电力调节是指根据电网负荷需求和风速变化，调整风力发电机组的输出功率。
在电网负荷低于风力发电机组的输出功率时，需要将多余的电力存储起来或者将其余放入电网；当电网负荷高于风力发电机组的输出功率时，需要从电网中补充额外的电力。
因此，电力调节对于维持电网的平衡和稳定非常重要。
3. 风力发电机组的功率控制风力发电机组的功率控制是指根据电网负荷需求和风速变化，控制风力发电机组的输出功率稳定在一个预设的目标范围内。
一方面，功率控制需要使风力发电机组的输出功率与电网需求保持一致，以满足电网的需求；另一方面，功率控制还需考虑风速变化对风力发电机组的影响，以确保风力发电机组的安全运行和寿命。
4. 电力调节与功率控制模型为了实现风力发电机组的电力调节与功率控制，需要建立相应的数学模型。
常用的模型有以下几种：4.1 传统PID控制模型PID控制模型是最常用和经典的控制模型之一。
它通过测量误差（电网需求功率与风力发电机组输出功率的差值）和控制器得到控制信号，从而实现对风力发电机组输出功率的调节和控制。
PID控制模型简单且易于实现，但在面对复杂动态环境和大幅风速变化时，可能无法满足精确控制的要求。
4.2 模糊控制模型模糊控制模型利用模糊逻辑和模糊规则对风力发电机组进行调节和控制。
由于模糊控制模型可以处理模糊性和不确定性，因此在对风力发电机组进行控制时更具适应性和鲁棒性。
但是，模糊控制模型需要事先确定模糊规则和隶属函数，对于复杂系统和精确控制要求较高的环境可能存在一定的局限性。
4.3 预测控制模型预测控制模型通过预测风速变化和电网负荷需求，得到风力发电机组的最优输出功率。
并网风力发电机组的数学模型
第二章并网型风力发电机组的数学模型风力发电机组是一个涉及多学科的复杂系统：桨叶的制造基于空气动力学；传动系统和塔架的建设涉及到机械理论和结构学；发电机实现机电能量的转换；控制器和保护系统则广泛涉及控制原理与电气相关方面知识。
本课题中，我们着重于风电场与电力系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述[12]。
2.1并网型风力发电机组发电原理风力发电机组通常亦被称为风能转换系统。
典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转换装置—风轮机（叶片、轮毂及其控制器）、起连接作用的传动机构—传动轴、齿轮箱、能量转换装置—发电机以及其它风机运行控制系统—偏航系统和制动系统等。
风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现由向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。
其能量转换过程是：风能→机械能→电能。
[13] 2.2并网型风力发电机组分类就目前应用范围来讲，风力发电机组一般按调节方式和运行方式可以分为恒速恒频、变速恒频两种类型。
[13]恒速恒频风电机组额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电机输出频率变化也较小，所以称为恒速恒频风力发电机组。
恒速恒频风机包括定桨距和变桨距两种类型。
定桨距风机技术是丹麦风电技术的核心。
它主要利用桨叶翼形的失速特性，在高于额定风速时，达到失速条件后，桨叶表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。
定桨距机型优点是调节和控制简单。
缺点在于对叶片、轮毂、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反而下降。
变桨距风机在风速高于额定风速时，通过调节桨距角的变化，减少吸收的风能，从而使风电机输出的有功保持稳定，这体现了变桨距风机的优势。
但变桨距风机也有缺点：制造成本高，结构复杂，不象定桨距风机那样易于维护。
[14]恒速恒频风电机组运行中会从电网中吸收无功电流建立磁场，导致电网功率因数变差，因此，一般在风机出口处装设可投切的并联电容器组提供非连续可变的无功补偿，采用可控硅软并网技术将起动电流限制在额定电流的1.2~1.5倍之内以防止并网失败，还采用气动刹车技术、偏航和自动解缆等技术解决风力发电机组并网运行的可靠性问题。
风电发电系统建模与控制
风电发电系统建模与控制一、引言风是一种广泛的清洁能源资源，而风能发电系统逐渐成为世界上主要的新能源来源之一。
如何对风能发电系统进行建模和控制成为了最近关注的重点问题之一。
本文将从风能发电系统的优势和不足之处入手，详细分析风能发电系统的建模过程以及其控制方法，并对未来的发展趋势进行简要分析。
二、风能发电系统的构成风能发电系统由无刷发电机（PMSG）、风轮、齿轮箱、控制系统等部分组成，这些部件之间相互依赖，构成了高效发电系统。
1. 风轮风轮是整个发电系统的核心部分，它将风的动能转化为机械能，为发电机提供动力。
单相风电机通常采用三叶轮或单叶轮结构，多相风力发电机则通常使用多叶轮结构。
轮叶的形状、尺寸和数量的不同会直接影响机组的功率、转速和性能。
2. 无刷发电机永磁同步发电机（PMSG）是风能发电系统中最常用的发电机类型。
它采用永磁体来产生磁场，不需要外部电源来磁化电机。
因其简单、高效和可靠，是风能发电系统的不二之选。
同时它还具有较小的体积、轻量化、高转速及相对较高的效率等优点。
PMSG还通过其调节器增加了一些重要的控制功能，例如过电流和过电压保护。
3. 齿轮箱齿轮箱是风能发电系统中非常重要的部分，主要功能是将风轮产生的转速转化为发电机所需的转速。
大部分风能发电机都采用哈特曼型变速器。
它不仅具有良好的噪音特性，还能保证传递动力时的效率，并延长整个系统的使用寿命。
4. 控制系统风能发电系统的控制系统是实现系统稳定工作的关键，其主要功能有：调度能源、安全保护、容错能力、数据采集以及远程控制。
在该控制系统中，还包括一个到达后备源或灯光告警的任务。
现代风电机控制系统采用微处理器演算法来监测或控制风电机系统的状态变化。
三、风能系统的建模建立风能发电系统的数学模型是风电机组自动控制的基础。
系统建模主要分为传递函数法、状态空间法、能量函数法和仿真法。
1. 传递函数法传递函数法是将系统表示为输入和输出之间转移函数的形式。
风力发电机组控制及优化运行讲义(第1、2章)
复杂的、强耦合、多变量的非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，致使风力发 电系统很难用数学模型来描述， 所以传统控制方法在风力发电系统中难以取得好的控 制效果。而智能控制可充分利用非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服系统的参 数时变与非线性因素，因此各种智能控制方案已开始应用于风电机组控制领域。 在众多的风力发电机类型中，有几种机型由于具有良好的输出电压性能，近年来 获得了很大发展，从而渐渐成为并网风力发电机组的主流机型。这几种主流风力发电 机组通常可分类如下： ⑴按风轮桨叶（功率调节方式）分 定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依 靠叶片的气动特性。当风速超过额定风速时，利用叶片本身的空气动力特性减小旋转 力矩（失速）或通过偏航控制维持输出功率相对稳定。 普通变桨距型 （正变距） 机组： 这种机组当风速过高时， 通过改变叶片桨距角 （在 指定的径向位置叶片几何弦线与风轮旋转面之间的夹角） ，使功率输出保持稳定。同 时，机组在启动过程也需要通过变距来获得足够的启动力矩。采用变桨距技术的风力 发电机组还可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。 主动失速型（负变距）机组：这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。当风 机达到额定功率后， 相应地增加攻角， 使叶片的失速响应加深， 从而限制风能的捕获， 因此称为负变距型。 ⑵按转速变化分 定速（又称恒速）机组：定速风力发电机组是指其发电机的转速是恒定不变的， 它不随风速的变化而变化，始终在一个恒定不变的转速下运行。 变速机组：变速风力发电机组中的发电机工作在转速随风速时刻变化的状态下。 目前，主流的大型风力发电机组都采用变速恒频运行方式。 多态定速机组：多态定速风力发电机组中包含着两台或多台发电机，根据风速的 变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。 ⑶按传动机构分 齿轮箱升速型机组：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机（减小发电机体积重 量，降低电气系统成本） 。 直驱型机组：低速风力机直接连接到低速发电机。 ⑷按发电机分 异步型发电机组：发电机转速与电网同步转速之间存在转速差，包括笼型恒速异 步发电机和绕线式双馈变速异步发电机。 同步发电机：发电机转速与电网同步转速相同，包括电励磁同步发电机和永磁式 同步发电机，其中以永磁式同步发电机在风电场应用较多。 ⑸按并网方式分 并网型机组：风电机组并入电网运行，可省去储能环节。 离网型机组： 风电机组作孤岛运行， 一般需配置蓄电池等直流储能环节， 可带交、 直流负载或与柴油发电机、光伏（光热）电池并联运行。 风力发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网 提供高品质的电能。因此要求控制系统：①尽可能产生较低的谐波电流；②能够控制 功率因数；③使发电机输出电压适应电网电压的变化；④向电网提供稳定的功率。目 前国内外兆瓦级以上技术较先进的、 有发展前景的风力发电机组主要是双馈型异步发 电机永磁直驱型同步发电机，两者各有优缺点。单从控制系统本身来讲，永磁直驱型 同步发电机控制回路少，控制简单，但要求变流器容量大。而双馈型异步发电机控制 回路多，控制复杂些，但控制灵活，尤其是对有功、无功的控制，而且变流器容量小
风力发电系统的建模与优化设计
风力发电系统的建模与优化设计风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来得到了广泛应用和发展。
为了更好地利用风力资源，提高风电系统的发电效率和可靠性，建立一个准确的风力发电系统的数学模型，并进行优化设计，成为风力发电工程中的重要问题之一。
一、风力发电系统的数学建模1. 风能的捕捉与转换风能的捕捉主要依靠风力涡轮机（也即风力发电机）实现。
风力涡轮机由塔筒、叶轮、机组等组成，通过叶轮受风的冲击产生转动，进而带动风力涡轮机的机组转动。
风力涡轮机主要包括水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机等不同类型。
2. 风力观测与风速模型为了确定设计风速、分析风电场可行性等，需要对风速进行模拟和观测。
常用的方法包括统计学方法、气象学方法和时间序列分析方法等。
通过统计风速资料，建立风速模型，可以预测风电场未来一段时间内的风速变化趋势。
3. 风力发电机组建模风力发电系统中的发电机组是将风能转化为电能的核心部件。
风力发电机组的建模可以基于物理模型、等效电路模型或者系统辨识方法实现。
建模的目的是为了分析和控制风力发电机组的运行特性。
二、风力发电系统的优化设计1. 风电场的布局与设计风电场的布局和设计是风力发电系统优化的起点之一。
通过合理的布局和设计，可以最大程度地提高风电场的发电效率。
布局和设计的关键问题包括选择合适的场地、确定风力发电机组的数量和布置方式等。
2. 风力发电机叶片的优化设计风力发电机叶片是转换风能的关键元件，其优化设计对风力发电系统的性能有着重要影响。
通过优化叶片的几何形状、材料以及旋转速度等参数，可以提高叶片的捕捉效率和抗风性能，从而增加风力发电系统的发电能力。
3. 风力发电系统的控制策略优化风力发电系统的运行控制对于提高发电效率和保证系统安全稳定运行至关重要。
通过对发电机组的控制策略进行优化，可以实现在不同的风速条件下最优的发电功率输出。
常用的控制策略包括最大功率跟踪控制、电网电压和频率控制等。
4. 风力发电系统的可靠性优化风力发电系统的可靠性是保证系统连续高效运行的重要指标。
风力发电技术-第二章：双馈式风电机组运行与控制
风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉风力发电技术风力发电基本知识双馈式风电机组运行与控制第二章双馈式风力发电系统运行与控制第二章：双馈式风电机组运行与控制纵览⏹机组主结构及控制系统⏹运行区域及控制目标⏹总体控制方案⏹励磁变换器结构及原理⏹DFIG控制（机侧变换器控制）⏹网侧变换器控制⏹变桨机构及其控制⏹偏航机构及其控制⏹其他机构及控制、保护第二章：双馈式变桨变速风电机组控制一.机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件（一）机组主结构风轮系统传动链系统发电机系统偏航/解缆系统 刹车系统辅助系统机组主结构示意图1. 风轮系统●桨叶●轮毂●变距（桨矩）机构2. 传动链系统●低速轴●齿轮箱☐多级变速，变比较大（接近100）☐采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速☐润滑油冷却或加温机构●高速轴●联轴器⏹通用标准型膜片联轴器☐连接齿轮箱和发电机☐补偿轴向、径向和角度偏差☐易于装拆维护☐实现电绝缘☐力矩限定传动链系统布局3. 发电机系统●DFIG☐发电机本体☐冷却系统☐保护系统●励磁变流器☐四象限运行能力、输入、输出特性优良☐设计容量为机组容量30％☐IGBT器件，PWM调制技术☐动作频率为数kHz-十几kHz●并网机构4.偏航/解缆系统●偏航机构☐风向标☐偏航饲服电机（或液压马达）☐减速装置☐偏航液压制动器☐偏航行星齿轮●对风/解缆操作☐根据风向标控制对风☐计算机控制的自动解缆☐纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆●偏航的作用☐对风，获取最大发电量☐减少斜风给机组带来的不平衡载荷5.刹车系统●机械抱闸刹车*☐液压驱动和电气驱动⏹通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用⏹安装位置：高速轴，低速轴●气动刹车☐变桨控制变桨控制系统控制桨距角为90度☐偏航控制●电磁刹车6.辅助系统●塔架●机舱罩●机舱底盘●变压器●防雷系统及电气保护装置●冷却系统●发热部件●液压系统●齿轮箱●发电机●变频器●冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却●其他部分（二）控制系统1. 概述●与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。
风电场布局优化的数学模型
风电场布局优化的数学模型在当今能源领域，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正发挥着日益重要的作用。
为了提高风电场的发电效率和经济效益，风电场布局的优化成为了一个关键问题。
而数学模型在这个优化过程中，发挥着核心的指导作用。
风电场的布局优化涉及到众多因素，如风资源的分布、风机的性能参数、地形地貌、障碍物的影响等等。
要建立一个有效的数学模型，首先需要对这些因素进行量化和分析。
风资源是风电场布局的基础。
风速和风向的分布是风资源的关键特征。
通过气象数据的收集和分析，可以得到特定区域内不同位置、不同高度的风速和风向的概率分布。
这些数据可以用统计学的方法进行处理，例如均值、方差、概率密度函数等。
风机的性能参数也是模型中的重要变量。
风机的功率曲线描述了其输出功率与风速的关系。
不同型号的风机具有不同的功率曲线，在模型中需要准确地考虑这一点。
此外，风机的塔筒高度、叶轮直径、扫风面积等参数也会影响其捕获风能的能力。
地形地貌对风的流动有着显著的影响。
山地、丘陵、平原等不同地形会导致风速和风向的变化。
在数学模型中，可以通过数字高程模型（DEM）来描述地形，并利用流体力学的原理来计算风在地形上的流动情况。
障碍物如建筑物、树木等也会对风的流动产生阻碍和干扰。
它们的位置、形状和大小需要在模型中进行准确的描述，并考虑其对风场的影响。
基于以上因素，可以建立起风电场布局优化的目标函数。
常见的目标是最大化风电场的年发电量或者最小化风电场的建设成本。
年发电量可以通过对每台风机在不同风速和风向条件下的输出功率进行积分计算得到。
建设成本则包括风机的采购成本、安装成本、维护成本以及输电线路的建设成本等。
在建立目标函数的同时，还需要考虑一系列的约束条件。
例如，风机之间需要保持一定的安全距离，以避免相互干扰和尾流效应。
尾流效应是指上游风机对下游风机的风速产生削弱作用，从而影响下游风机的发电效率。
安全距离的设定需要综合考虑风机的性能和当地的风资源条件。
风能发电系统的建模与优化分析
风能发电系统的建模与优化分析第一章：引言近年来，随着环境保护和可持续发展的意识不断增强，人们对于替代传统能源的新能源的需求不断提高。
风能作为一种取之不竭的能源资源，具有广阔的开发前景。
风能发电系统以其无需燃烧矿物燃料、零排放等优势，逐渐成为清洁能源的代表之一。
本文将从建模与优化分析两方面，探讨风能发电系统的关键技术与方法。
第二章：风能发电系统建模2.1 风能资源评估模型风能资源评估是风能发电系统建模的基础。
常用的方法有测风塔观测法、气象风能量评估法和气候统计风能量评估法等。
测风塔观测法是通过设置测风塔来观测风速、风向等参数，提供实测数据。
气象风能量评估法是根据气象资料和风能特性，进行风能资源评估。
气候统计风能量评估法通过收集长期气候数据，并利用统计方法进行评估。
选择适合的方法对于准确预测风能资源、合理规划风电场至关重要。
2.2 风力发电机组建模风力发电机组是风能发电系统的核心部件。
建立准确的风力发电机组模型对系统分析与优化具有重要意义。
风力发电机组模型通常包括风轮、变速器、发电机等主要组成部分。
其中，风轮受到风速和风向的影响，通过变速器将机械能转换为电能，发电机将机械能转化为电能输出。
各个部件的参数、运行状态等因素都会对发电效率产生影响，因此建模时需要综合考虑各种因素。
第三章：风能发电系统优化分析3.1 发电效率的优化提高风能发电系统的发电效率是优化分析的关键目标之一。
针对不同的风力发电机组，可以采用不同的策略进行优化。
例如，优化风轮的叶片形状与数量，使其在不同风速下都能够高效捕捉风能。
另外，通过优化发电机的工作状态和负载匹配，可以提高发电效率。
3.2 风能发电系统的可靠性优化风能发电系统的可靠性对于实现高效稳定的发电至关重要。
为了提高系统的可靠性，可以采用多机组并网方式。
这种方式可以实现多个风力发电机组的互补作用，减少单点故障。
另外，合理设计系统的电力传输和储存装置，可以提高系统的输出稳定性和可靠性。
风力发电系统的建模和优化控制
风力发电系统的建模和优化控制随着人类对现代工业的依赖程度一天天加深，对于能源供应的需求也变得越来越迫切。
然而，化石燃料的不可持续性与环境污染等问题已越来越成为瓶颈，所以在长期的发展中，能源领域需要寻求一种更加环保、可持续、经济的解决方案。
在这个背景下，风力发电逐渐成为了发展重点之一。
但是，如何对风力发电系统进行建模和优化控制，这仍然是一个需要深入研究的问题。
1、风力发电系统的发展背景最早的风力发电设备可以追溯到 200 多年前。
在漫长的发展历程中，从最初的单个风轮驱动机械运动到后来的直驱式风力发电机，再到如今的多桨叶可调节桨面的风力发电机组，风力发电技术已经得到了极大的发展。
所以，现在风力发电技术已成熟，已成为可再生能源的代表。
2、风力发电系统的建模对于风力发电系统的建模，我们不妨从结构和数学模型两个方面进行探讨。
(1) 结构模型结构模型是依据设备运动规律，把风力发电设备划分为各个组件的模型。
风力发电系统由风轮、传动装置、发电机等组件组成，具体可以分为以下模块。
风轮模块：这是风力发电机组中最基本的部分，能够将空气的动能转化为机械能，并输出到传动装置中，促成发电机运转。
传动装置：传动装置是风轮系统与发电机系统之间的网关，它使得风轮的转速稳定，并将其动力传递到发电机组中。
发电机模块：这是风力发电系统的核心部分，其主要职责是将机械能转化为电能，并将电能在电网中传输。
发电机对于发电系统的安全性，台体性、可靠性是至关重要的。
(2) 数学模型数学模型是将发电过程的各个过程抽象成一系列数学公式来描述。
一般的，一个完整的风力发电系统由以下的动态等式组成。
ɀɸ=xɱv²/2P_{\text { mechanical }}=C_{\text { p }}(λ)[1 / 2 \\ rho A v^{3}]P_{\text { electrical }}=P_{\text { mechanical }} \\ /eta_{\text { generator }}\]3、风力发电系统的优化控制为了提高风力发电效率，从而实现更长的运行时间和更高的经济效益，一些学者在风力发电系统中引入了控制策略和算法，以实现对风电系统的实时、自动、可靠的监控和控制。
风力发电系统的建模与优化
风力发电系统的建模与优化风力发电系统作为清洁能源的重要形式，在当前全球能源结构中扮演着越来越重要的角色。
随着对环保和可持续发展的关注不断增加，风力发电系统的研究与优化也变得愈发迫切。
本文将对风力发电系统的建模与优化进行深入探讨，旨在为风力发电系统的性能提升和成本降低提供有效的方案。
首先，风力发电系统由风机、叶片、塔架、发电机、控制系统等组成，是一种将风能转换为电能的装置。
在风力发电系统的建模过程中，需要考虑各个组件之间的相互作用以及外部环境因素对系统性能的影响。
风机是风力发电系统的核心部件，其叶片的设计与优化对系统的整体性能起着决定性作用。
在风机的设计过程中，需要考虑叶片的型号、材料、长度、宽度、扭曲度等因素，以使风机获得最大的风能转换效率。
另外，风力发电系统的塔架也是至关重要的组成部分。
塔架的高度和结构设计直接影响了风机叶片的受风情况，进而影响了整个系统的发电效率。
在塔架设计的过程中，需要考虑到系统的稳定性、安全性以及经济性，以实现最佳的发电性能。
除了风机和塔架，风力发电系统的发电机和控制系统也是影响系统性能的重要因素。
发电机的选取和配置直接关系到系统的发电效率和稳定性，而控制系统则负责监测和调节系统运行状态，以确保系统安全稳定地运行。
在建模和优化风力发电系统时，需要综合考虑包括风能资源、系统结构、气象条件、电网条件等多方面因素，以实现系统能效的最大化。
针对风力发电系统的优化问题，研究人员一直致力于寻求有效的方法和工具。
例如，基于人工智能算法的优化方法被广泛用于风力发电系统的性能优化。
人工智能算法可以通过模拟自然界中的优化过程，寻找具有全局最优解的参数配置，从而提高系统的发电效率。
另外，基于数学模型的优化方法也为风力发电系统的建模与优化提供了重要支持。
数学模型可以准确描述系统的运行机理，为系统设计和优化提供可靠的理论基础。
除了利用人工智能算法和数学模型进行优化外，风力发电系统的建模与优化还需要考虑到系统的实际运行情况。
电气工程中的风力发电系统模型与分析
电气工程中的风力发电系统模型与分析1.引言风力发电作为一种可再生能源，备受关注。
电气工程中的风力发电系统模型和分析是该行业中非常重要的一个领域。
本文将探讨风力发电系统的基本模型和分析方法。
2.风力发电系统的基本模型风力发电系统是由风能捕捉装置、风能转换器、发电机和电力传输装置组成的。
其中，风能捕捉装置用于捕捉风能，常用的装置包括风力涡轮机、风力轴流机等。
风能转换器将风能转换为机械能，常见的风能转换器有风能涡轮机、风能风车等。
发电机将机械能转变为电能，电能传输装置用于将发电机产生的电能传送到电网中。
风力发电系统的基本模型可以用电路模型来描述，其中风能捕捉装置对应于电流源，风能转换器对应于电阻，发电机对应于电感，电力传输装置对应于电容。
3.风力发电系统的分析方法3.1 风能资源评估风力发电系统的效率和稳定性与风能资源的评估密切相关。
风能资源评估的目的是确定风能资源的分布和性质，以便为风力发电系统的建设和运营提供依据。
常见的风能资源评估方法包括测风塔法、卫星遥感法和数值模拟法。
3.2 功率曲线分析功率曲线是风力发电系统的重要参数之一，表示风速与输出功率的关系。
通过分析功率曲线，可以评估风力发电系统的性能和稳定性。
常用的功率曲线分析方法包括拟合法、曲线拟合法和参数求解法。
3.3 效率和可靠性分析风力发电系统的效率和可靠性是评估其性能的重要指标。
效率表示发电系统将风能转化为电能的比例，可靠性表示风力发电系统的运行稳定性和故障耐受能力。
常见的效率和可靠性分析方法包括可靠性块图、故障树分析和Monte Carlo模拟法。
3.4 经济性分析风力发电系统的经济性是评估其商业化应用前景的重要因素。
经济性分析主要包括成本分析和收益分析。
成本分析考虑风力发电系统的建设、运营和维护成本，收益分析考虑风力发电系统的电力收入和碳排放减少的收益。
常用的经济性分析方法包括净现值法、投资回收期法和内部收益率法。
4.案例分析以某风力发电场为例，结合风能资源评估、功率曲线分析、效率和可靠性分析以及经济性分析，对该风力发电系统进行综合分析。
对风电场运行状况的数学模型分析
对风电场运行状况的数学模型分析【摘要】本文旨在对风电场运行状况的数学模型进行分析。
在介绍了研究背景、研究意义和研究目的。
在分别介绍了风电场运行状况分析模型、影响因素分析、数学模型建立、参数优化方法和应用案例分析。
结论部分总结了分析结果，展望了未来研究方向和研究成果的意义。
通过对风电场运行状况的数学模型进行建立和优化，可以更好地提高风电场的利用率和运行效率，为风电行业的发展和可持续发展提供理论支持和指导。
本文的研究对于深入了解风电场运行状况和优化运行具有重要意义，为未来风电领域的研究和应用提供了有益参考。
【关键词】风电场、运行状况、数学模型、分析、因素、建立、参数优化、应用案例、总结、展望、研究方向、研究成果、意义1. 引言1.1 研究背景风力发电是一种清洁能源，在全球范围内得到了广泛的应用和发展。
随着风力发电技术的不断成熟和发展，风力发电场的规模也不断扩大，成为了现代社会不可或缺的重要能源之一。
随着风力发电场规模的扩大和接入电网的增多，风力发电场运行状况的稳定性和可靠性成为了亟待解决的问题。
为了更好地理解和改善风电场的运行状况，需要建立科学的数学模型来分析和优化风电场的运行情况。
对风电场运行状况的数学模型进行分析和研究具有重要的理论和实际意义。
通过建立有效的数学模型，可以更好地预测和控制风电场的运行状况，提高其发电效率和经济性。
对风电场运行状况的数学模型进行研究还可以为未来的风力发电技术和政策制定提供参考和指导。
1.2 研究意义研究风电场运行状况的数学模型具有重要的意义。
风电场是目前重要的可再生能源发电方式之一，其运行状况直接影响到能源生产效率和稳定性。
通过建立有效的数学模型分析风电场的运行状况，可以帮助提高风电场的运行效率，减少能源生产成本，提高能源利用率。
随着社会对可持续发展的追求和对清洁能源的需求不断增加，风电场的发展前景十分广阔。
研究风电场运行状况的数学模型不仅有利于优化现有风电场的运行，还可以为未来风电场建设提供重要参考依据。
并网型风力发电系统的数学模型和控制方法
需要注意的是，风能利用系数 悦 责 不是常数，其值与风速、风力机转速等都有
悦 责 在 园郾 圆 耀 园郾 缘 范围内。对于风轮直径为 愿圆皂、风能利用系数 悦 责 越 园郾 猿远 的三叶片 基于空气动力学的理论分析和风洞实验的测试结果均表明，风能利用系数 悦 责 （ 猿鄄 源 ）
式中， Ω 宰栽 为风力机角速度； β 为风力机桨距角。 进一步，可将风速和风力机转速的影响统一用叶尖速比的影响来描述，即定义 叶尖线速度与风速之比为叶尖速度比 λ 越 摇 摇 则 悦 责 可以简化描述为 式中，砸 为风力机叶片扫掠半径。 Ω宰栽 砸 增
圆 ） 总体来说，风能利用系数 悦 责 随桨距角 β 的增加而减小，可通过调节桨距 角以减少风能捕获量，因此现代风力机常利用变桨距角技术限制高风速时风力机的 捕获功率。
［源］ ［缘］ 图 猿鄄 员 所示风能利用系数的数学模型可由高阶多项式 或超越函数 来模
拟，对于不同厂商的风力机，上述数学模型中的参数有所不同；一般，风力机厂商
（ 猿鄄 苑 ）
速度； 栽 宰栽 、 栽 藻 为风力机机械转矩和发电机电磁转矩；栽员 ，栽圆 为齿轮箱输入和输
允 宰栽 、 允 郧 分别为风力机的风轮和发电机转子转动惯量；Ω 砸 为发电机机械角 式中，
出转矩； 阅 宰栽 ， 阅 郧 为风力机和发电机的阻尼系数； 运 泽宰栽 ， 运 泽郧 为风机侧和发电机侧 Ω员 ， Ω圆 分别为齿轮箱低速轴和高速轴的机械角速度， Ω圆 越 运 早 Ω员 ， 运 早 为齿轮 箱 变比。
［ 员园 ］ 反比，传动轴的柔性也较大 。因此，在研究大型变速风电系统时，传动链的动
［苑 原 怨］
图 猿鄄 员摇 风力机空气动力学特性典型曲线
缘园 由三质量体 原 弹簧模型来描述，如图 猿鄄 圆 所示。
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2.1 风能转换系统概述
（三） 发电机子系统
发电机子系统的任务是将发电机轴上的机械能 转换成电能。
风力发电系统中的发电机有恒速恒频发电机和 变速恒频发电机两大类。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机的电 磁转矩、发电机转子转速、定/转子电压、电流、频 率、发电机功率(有功、无功)、功率因数等。
2.1 风能转换系统概述
由于风力发电机组起动/停车频繁，叶轮又具有 很大的转动惯量，叶轮的转速一般都不高，大约在 20~40 r/min左右，机组容量越大，转速越低，因 此在风轮与发电机之间往往需要设置增速齿轮箱。
传动装置的作用是将风力机所获得的转矩传递 到发电机转轴。
与该子系统相关的物理量主要有：风力机的拖 动转矩、发电机的电磁转矩、风轮转速、发电机转 子转速等。
（四） 电力电子变流器子系统
变流器子系统的作用是将发电机输出的频率随 风速或转速波动交流电变换成标准的工频交流电。
恒速恒频发电机不需变流器，但变速恒频发电 机则需要通过变流器来实现发电机与电网之间的耦 合。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机定/转 子电压、电流、频率、发电机功率(有功、无功)、 变流器输出电压、电流、频率、功率因数等。
p-d
流束膨胀是因为要保证每处的质量流量相等：
Av Ad vd Awvw
2.2.1 风力机空气动力学 定义a为轴向气流诱导因子：
a v vd v
可得致动盘处气流速度为：
vd v (1 a)
根据动量定理，气流所受的作用力F等于动量变化率， 而动量变化率等于速度的变化量乘以质量流量，即：
F (v vw )Ad vd
（一） 风力机子系统
风力机的作用是将有效的风能转换为有用的机 械能。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨 叶产生旋转力矩而转动，从而将捕获的风能转换成 机械能。
与该子系统相关的物理量主要有：风速、叶片 桨距角、风轮转速、风力机输出的转矩等。
Байду номын сангаас
2.1 风能转换系统概述
（二） 传动装置子系统（即齿轮箱）
2.2 风力机子系统的数学模型
2.2.1 风力机空气动力学
风力机是将风的动能转换为其它形式能量的旋 转机械。空气流过风轮的情况如下：
2.2.1 风力机空气动力学
在t时间内，以速度v垂直流过截面A的空气流所 具有的动能为：
WA
1 mv2 2
1 (Avt)v2
2
1 2
Av3t
对应的风功率为：
PA
W t
1 2
d vd2
pd
d ghd
由于ρ∞=ρd=ρ，p∞=pw且在水平方向上h∞=hd故有：
p
d
p
d
1 2
(v2
v
2 w
)
因此有：
F
1 2
(v2
vw2 ) Ad
(v
vw )Ad v (1 a)
vw v (1 2a)
2.2.1 风力机空气动力学
气流输出功率即风力机从空气流束中捕获的风功率
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 a
ct(a),cp(a)
2.2.2 风力机桨叶受力分析 一、风轮在静止情况下叶片的受力分析
Fy
F
风速v α
Fx I
风速v
II F’x
F’y
F’
一、风轮在静止情况下叶片的受力分析
Fy
风速v α 风
为：
P Fvd 2Ad v3 a(1 a)2
定义风能利用系数CP：
CP
P PAd
P
1 2
Ad v3
风能利用系数的物理意义：风力机所捕获的风能与 流过风力机的空气流所含有的动能之比。
定义推力系数Ct为：
Ct
F
1 2
Ad v2
4a(1 a)
2.2.1 风力机空气动力学 风能利用系数和推力系数随轴向气流诱导因子变化 的关系曲线如下：
2.1 风能转换系统概述
（五） 桨距伺服子系统
由液压装置或机电装置组成的桨距伺服子系统 的任务是沿叶片纵轴旋转叶片，从而改变桨距角。
从空气动力学角度考虑，当风速过高时，通过 调整叶片桨距角，改变气流对叶片的攻角，从而改 变风力发电机组获得的空气动力转矩，可使机组输 出功率保持稳定。
与该子系统相关的物理量主要有：风速、叶片 桨距角、风轮转速、转矩等。
使升力分量达到最大值的攻角称为最佳 攻角。
二、风轮在转动情况下叶片的受力分析
引起动量变化的力来自于致动盘前后静压力的改变，
故有：
F
( pd
p
d
)
Ad
(v
vw )Ad v (1 a)
2.2.1 风力机空气动力学
对流束的上风向和下风向分别使用伯努利方程，可 求得压力差。
对上风向： 对下风向：
1 2
v2
p
gh
1 2
d vd2
pd
d ghd
1 2
wvw2
pw
w ghw
风
传动 系统
制动 装置
发电机
换流器 开关
电 网
变桨距系统 测风系统
控制系统 偏航系统
补偿 电容
2.1 风能转换系统概述
为获取整个系统的面向控制的数学模型，将整 个系统分为以下几个子系统：
➢ 风力机子系统 ➢ 传动装置子系统 ➢ 发电机子系统 ➢ 电力电子变流器子系统 ➢ 桨距伺服子系统
2.1 风能转换系统概述
轮β
旋 转 面
当气流以速度v流经风轮时，在桨
叶I和桨叶II上将产生气动力F和F’。
F
将F及F’分解成沿气流方向的分力
Fx和Fx’（阻力）及垂直于气流方
向的分力Fy和Fy’（升力），阻力
形成对风轮的正压力，而升力则
对风轮中心轴产生转动力矩，从
Fx
而使风轮转动起来。
α称为风轮叶片的攻角，β称为桨距角 （即每个叶片的翼弦与风轮旋转平面之 间的夹角）。气动力F的两个分力（即阻 力和升力）的大小随攻角的不同而不同，
风电机组控制与优化运行
第2章 风力发电机组控制系统数学模型
长沙理工大学 能源与动力工程学院
第2章 风力发电机组 控制系统数学模型
➢风能转换系统概述 ➢风力机数学模型 ➢传动装置数学模型 ➢发电机数学模型 ➢变流器数学模型 ➢桨距伺服系统数学模型 ➢风速模型
2.1 风能转换系统概述
风力发电系统通常由风力机、传动系统、制动装置、 发电机、变流器、并网开关、补偿电容器等设备所组成。
1 Av3
2
风轮前方来流通过风轮时，受风轮阻挡被向外 挤压，绕过风轮的空气能量未被利用。只有通过风 轮截面的气流释放了所携带的部分动能。风轮上游 流束的横截面积比风轮面积小，而下游的横截面则 比风轮面积大。
2.2.1 风力机空气动力学
流束
风速变化曲线
v∞
p+d vd
vw
p∞
致 动
静压力变化曲线
盘
p∞