第六讲 风力发电系统的模型(1)

第 23 页
2010年12月10日
风能转化效率系数
一种变桨距风力机的风能转化效率系数：
−12.5
116 C p ( β , λ ) = 0.22( − 0.4 β − 5.0)e
λi
λi
其中，
λi =
1 1 0.035 − 3 λ + 0.08β β + 1
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
简化的描述方法，即用一个一阶惯性环节来表 示：
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 29 页
2010年12月10日
轴系系统的柔性
由于风电系统中风机的惯性较大，而发电机转子的 惯性较小，传动轴连接两个惯量相差很大的器件，它 必然是柔性的。 传统同步发电机组轴的刚性度约为20--80，所以可 以视作刚性轴。而风力发电机组传动轴的刚性度的大 小约为0.15--0.40。 考虑了传输轴柔性的风机系统的自然振荡频率和扭 振频率在 1Hz 左右，恰好与电力系统典型的特征频率 在一个范围内，因此要更加准确反映风电机组在扰动 后的动态过程，应当在风力机的模型中考虑到传动轴 的柔性。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 5 页
2010年12月10日
风频分布的利用
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 6 页
2010年12月10日
二、风速模型
通常用四种成分的风速来模拟实际风速：
基本风VA 阵风VB 渐变风VC 随机风VD
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
ωtur =
λopt
R
Veq
第 26 页
对于给定的叶片桨距 角β，不同的叶尖速比 所对应的CP值相差较大。 对于给定的β，有且 仅有一个固定的 λ=λopt能使CP达到最 大值。 在风速不断变化的情 况下,要保持λopt,ωtur 必须随着风速按照 λopt/R的比例变化，才 能保证风力机捕获的风 能最大、效率最高。 这是采用变速风电机 组代替固定转速风电机 组的初衷之一。
渐变风
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 13 页
2010年12月10日
随机风
表示风速变化的随机特性：随机噪声风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 14 页
2010年12月10日
合成风速
模拟实际作用在风力机上的风速为
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 31 页 2010年12月10日
轴系系统模型
⎧ dθ k ⎪ dt = (ωtur − ω gen )ω0 ⎪ ⎨ ⎪τ dωtur = T − k θ − c (ω − ω ) gen w s k s tur ⎪ m dt ⎩
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 36 页
2010年12月10日
发电机型式
普通异步发电机——恒速恒频风电机组 绕线式异步发电机——准变速恒频风电机组 双馈感应发电机——变速恒频风电机组 永磁同步发电机——变速恒频风电机组
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
由于风电机组叶片的扫风面积很大，因此对于叶片不同的区 域风速值不同，不能采用单一的风速信号而必须采用风速序列 信号。 需知道叶片详细的几何构造的信息 计算过程更加复杂，所需的计算时间更长
解决：当风电机组电气特性是主要的研究重点时， 通常采用简化的建模方法对风力发电机组的空气动力 学特性进行建模。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 25 页
2010年12月10日
0.5 0.4 0.3
β = 0o
β = 10 o
Cp
β = 2 . 5o
β = 5o
0.2 0.1 0.0
β = 25 o
-0.1 0 2 4 6
β = 15 o
λ
8
10
12
14
16
Rωtur λ= Veq
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 39 页
2010年12月10日
普通异步发电机模型
θ定义为A相转子绕组沿旋转方向超前于a相定 子绕组的角度，转子角速度ωr(elec.rad/s)。
旋转
A B
iA
ωr
A 相轴
ib
ub
ua
uc
定子
b
iB
uA
uB
uC
C
θ
a 相轴
来自百度文库ia
ic
a
iC
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 10 页
2010年12月10日
阵风
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 11 页
2010年12月10日
渐变风
描述风速的渐变特性
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 12 页
2010年12月10日
转子
c
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 40 页
2010年12月10日
普通异步发电机模型
旋转
A B
iA
ωr
A 相轴
ib
ub
ua
uc
定子
b
iB
uA
uB
uC
C
θ
a 相轴
ia
ic
a
iC
转子
c
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 41 页
2010年12月10日
第 37 页
2010年12月10日
普通异步风力发电机组
风 桨叶 齿轮箱 普通异步发电机
LS HS
升压变 电网
并联电容器组
(a )
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 38 页
2010年12月10日
三、普通异步发电机模型
假设所要分析的电机为理想电机，有以下条件 成立：
（1）电机定、转子三相绕组完全对称； （2）电机定、转子表面光滑无齿槽效应； （3）电机气隙磁通在空间按正弦分布； （4）铁心的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。
2010年12月10日
一般定桨距风力机Cp
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 27 页
2010年12月10日
一般变桨距风力机Cp
式中，Cf为叶片设计常数，一般取1-3。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 28 页
2010年12月10日
二、轴系系统（传动系统）
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 30 页 2010年12月10日
两质块模型
cs
Taero
ωae
ks
1: n
Tm Te
ωg
传动轴的柔性表示在轴的低速部分，其特征参数为 刚性系数ks和阻尼系数cs。 状态变量：柔性轴两端的扭转角度差θk 和风轮机的 机械角速度 ωtur
电网研究所
PGRI
第六讲 风力发电系统的模型 （一）
电网教研室 林俐
风力发电系统
风能的吸收和转换装置——风力机 起连接和传动作用的装置——轮毂、齿轮箱和传动 轴 能量转换装置——发电机 在变桨距风机中还应包括桨距角控制环节。 能量转换过程是：风能→机械能→电能。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
2010年12月10日
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 43 页
定子磁链方程
在任一瞬间，定子a相绕组的磁链为：
ψ a = Laa ia + Lab (ib + ic ) + LaA [i A cos θ + iB cos(θ + 120 ) + iC cos(θ − 120 )]
第 21 页 2010年12月10日
空气动力功率、转矩
风力机从风中获取机械功率：
1 3 2 Pw = ρπR C P ( β , λ )Veq 2
风力机获得的机械转矩：
Tw = Pw 1 = ρπ R 2`CP ( β , λ )Veq 3 / ω tur 2 Veq 1 3 2 = ρπ R CP ( β , λ )Veq × 2 Rω tur 1 = ρπ R 3CP ( β , λ )Veq 2 / λ 2
第 2 页 2010年12月10日
一 风频模型
风速具有明显的随机性和间歇性。 为了较精确地描述风速及其变化特性，引入风 频分布的概念。 风频分布就是风速的统计概率分布，是衡量风 能资源分布特性的重要指标，它反映了风电场 某个时段每一风速出现的概率，可以通过分析 风电场实际测风的原始资料得到。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 18 页
2010年12月10日
合成风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 19 页
2010年12月10日
合成风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 20 页
2010年12月10日
二、空气动力学数学模型
风力机的叶片从风中将能量转化为机械功率是一个 十分复杂的涉及空气动力学、流体力学的过程。对于 风力机转轮、叶片的空气动力建模，须采用叶素理论。 然而，采用叶素理论建模的过程仍有许多的不足：
第 15 页
2010年12月10日
合成风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 16 页
2010年12月10日
合成风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 17 页
2010年12月10日
合成风速
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
2010年12月10日
ω tur
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 22 页
重要的定义
其中λ为叶尖速比，定义为：
Rωtur λ= Veq
风能转换效率系数CP是叶尖速比λ和叶片桨距角β 的函数； 对于给定的风力机系统，CP的表达式是一定的。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 7 页
2010年12月10日
基本风
由风电场测风所得的威布尔(Weibull)分布参 数近似确定
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 8 页
2010年12月10日
基本风
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 9 页
2010年12月10日
阵风
一般用来描述风速突然变化的特性。
第 24 页
2010年12月10日
风能转化效率系数 C p (λ , β )
0.5 0.4 0.3
β = 0o
β = 10 o
Cp
β = 2 . 5o
β = 5o
0.2 0.1 0.0
β = 25 o
-0.1 0 2 4 6
β = 15 o
λ
8
10
12
14
16
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
Ttur
Tshaft
H gen
KS
Dtur
低速轴
Dgen
齿轮箱 高速轴 发电机
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 34 页
2010年12月10日
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 35 页
2010年12月10日
发电机型式
普通异步发电机 绕线式异步发电机 双馈感应发电机 永磁同步发电机
第 32 页
2010年12月10日
输出变量
Tm = k sθ k + cs (ωtur − ω gen )
为了和电气部分更好的接口，避免有名值和标 幺值之间的反复变换，多采用标幺值计算。
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 33 页
2010年12月10日
另一种表达方式
H tur
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 42 页
旋转ABC坐标下的转子电压方程
旋转
A B
iA
ωr
A 相轴
ib
ub
ua
uc
定子
b
iB
uA
uB
uC
C
θ
a 相轴
ia
ic
a
iC
转子
c
转子 电阻
参考方向为电动机方向
dψ A uA = + Rr i A dt dψ B + Rr i B uB = dt dψ C + Rr iC uC = dt
静止abc坐标下的定子电压方程
旋转
A B
iA
ωr
A 相轴
ib
ub
ua
uc
定子
b
iB
uA
uB
uC
C
θ
a 相轴
ia
ic
a
iC
转子
c
定子 电阻
参考方向为电动机方向
dψ a + R s ia dt dψ b ub = + Rs ib dt dψ c uc = + Rs ic dt ua =
2010年12月10日
第 3 页
2010年12月10日
风频分布
根据风电场实际测风的结果，假设风速是以小 时平均，按每小时正点前十分钟测取，那么在 一年之内就有N个测点，这样可得风电场实际的 风频分布为
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
第 4 页
2010年12月10日
威布尔分布
风电场风速符合威布尔分布：