风力机特性PPT课件

《风力机特性PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力机特性PPT课件（48页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1.风力发电机组的构成 从整体上看，风力发电机组可分为 风 轮、机舱、塔架和基础几个部分。 风轮由叶片和轮毂组成。 机舱由底盘、整流罩和机舱罩构成。 一、风力发电机组的构成和分类电机与电力电子研究所第1页/共48页 图1所示分别为双馈型和直驱型变速恒频风力发电机组机舱内部的结构。它由以下几部分构成：（1）变浆距系统 设在轮毂之中，包括变距电机、变距控制器、电池盒等。（2）发电系统 包括发电机、变流器等。（3）主传动系统 由电动机、减速器、变距轴承、制动机构等组成。（4）偏航系统 包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。此外：还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压

2、动力。电机与电力电子研究所2.风力发电机组的内部结构第2页/共48页3.风力发电机组的分类11、22 表1为风力发电机组机型分类表，风力发电机组的类型主要从两个方面来分，一方面是按功率大小来分，另一方面是按结构形式来分。（1）按装机容量分 小型 0.11KW; 中型 1100KW； 大型 1001000KW； 特大型 1000KW以上（2）按风轮轴向方向分可以分为：水平轴风力机和垂直轴风力机。电机与电力电子研究所第3页/共48页 水平轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面平行的风力机。水平轴风力机按风轮的布置有上风向和下风向之分。上风向风轮安装在塔架前面，但需要有调向装置使风平行流过旋转轴的风

3、向。下风向风轮安装在塔架的后面，理论上，下风向风轮可以不安装调向装置，风轮和机舱将被动地随着风向变化而变化。目前多数的风力机采用上风向风轮。 垂直轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机。这种方式的优点是较容易获得风能，缺点则是无法自启动，比水平轴风力机功率效率低。 电机与电力电子研究所第4页/共48页（3）按功率调节方式分 1）定桨距风机定桨距风力机的气动特性：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。叶尖扰流器-风轮制动，当风速大于额定风速时，叶片的叶尖部分旋转8090来产生阻力。电

4、机与电力电子研究所第5页/共48页 2）变浆距风机 额定功率以下时，叶片节距在0附近不作变化，等同于定桨距。 大于额定功率时，调整叶片节距，使功率限制在额定功率附近。 在额定点具有较高的风能利用系数，无需担心额定点后的功率控制问题。电机与电力电子研究所第6页/共48页 3）主动失速型风机 主动失速控制风机类似于变浆距控制风力机具有可变浆距的叶片。主动失速又称负变距，在额定功率点以前，叶片的浆距角是固定不变的，和定浆距风力机一样；当达到额定功率点时，将叶片浆距角向增大攻角方向调节，叶片进入失速状态，减小功率输出；而当叶片失速导致功率下降，功率输出低于额定功率时，适当调节叶片的浆距角，提高功率输出

5、。这样能更加精确地控制功率输出。 电机与电力电子研究所第7页/共48页 高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。电机与电力电子研究所 中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。 直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。 4）按

6、传动形式分第8页/共48页电机与电力电子研究所5.机械传动的轴系的数学模型3 对于非直驱式机组而言主要有风力机、变速传动装置和发电机组成，其变速传动装置主要有低速轴、高速轴和齿轮箱构成。风力发电系统的轴系通常采用动态模型对其进行描述，这里主要讨论风力机与发电机的两质块模型来表示风电机组的轴系。分别由风力机惯量与发电机的惯量表示。 第9页/共48页电机与电力电子研究所两质块轴系的数学模型可表示为：022()turturturssturturgengenssEgengensturgendHTKDdtdHKTDdtddt 式中Htur与Hgen分别为风力机、发电机的惯性时间常数（s）；KS为轴的刚度

7、系数（kgm2/s2）;Dtur、Dgen分别为风力机转子与发电机转子的阻尼系数（Nm/rad）；s为两质块之间相对角位移（rad）；Ttur与TE分别为风力机机械转矩与发电机电磁转矩；tur、gen分别为风力机与发电机转子转速，0为同步转速（rad/s）.第10页/共48页电机与电力电子研究所二.风力机的运行特性 1.风速模型3、4 阵风风速：为了反映风速的突然变化特性，可在平均风上叠加一阵风分量vWG。1cos1110,0,GWGGGGGGttvvttttttt 1cos1 cos2()2GGGtMaxGtvtt其中tG、t1G、MaxG分别为阵风作用时间、阵风启动时间和阵风最大值。第11

8、页/共48页电机与电力电子研究所 渐变风速：为了反映风速的渐变特性，可在平均风速上叠加一渐变风分量vWR： 1122220,()0,RrampRRWGRRRRRttvtttvMaxR ttttttt 212(1)RrampRRttvMaxRtt 式中MaxR、t1R、t2R、tR分别为渐变风最大值、渐变风起始时间、渐变风终止时间和渐变风保持时间。第12页/共48页电机与电力电子研究所随机风 为了反映风速的随机波动，可在平均风速上叠加一随机分量vWN： 其中vN为随机分量的最大值，Ram(-1,1)为-1和1之间均匀分布的随机数，v为风速波动的平均间距，一般取0.52rad/s, v为02之间均

9、匀分布的随机变量。( 1,1)cos()WNNvvvv Ramt第13页/共48页2.贝兹理论44、55 贝兹理论：v为通过风力机截面S的实际速度，v1为风力机上游远处的风速，v2为风力机下游远处的风速。在单位时间内，从风力机上游到风力机下游气流动能的变化量就是风力机所吸收的风能，即：电机与电力电子研究所222212121()22mvmvESv vv其中，m为单位时间内流过风力机截面的空气质量，m=Sv第14页/共48页 从动量平衡角度来考虑，单位时间内风轮上、下游气流动能的变化量又可表示为：式中，F为风作用在风力机上的力。 由上面两式得 ，将此式子代入得P关于v2的函数如下：对上式两边对v2

10、求导，令 ，得 ，显然 时，P取得最大功率 ，因此可以推得风力机的理论最大效率，即最大风能利用系数：电机与电力电子研究所21212()()EFvv mvmvSvvv122vvv2212121()()4PES vvvv 20dPdv123vv 123vv 3max1827PSv第15页/共48页由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为电机与电力电子研究所maxmax31160.5931272pPCv S2311()22vwwPS vvS vOpvPCP风力机输出的机械功率输入风轮面内的功率323128opvwpwpPC PS v CD v C由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，

11、其风能利用系数3风力机的运行特性：第16页/共48页 风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比： 风力机可分为变浆距和定浆距两种。变浆距的风能利用系数是叶尖速比和桨叶节距角两者的函数，综合起来可以表示 ，如图2 如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数只与叶尖速比有关，则可用一条曲线描述特征，如图3。电机与电力电子研究所30wwwwRvR nv,pC 第17页/共48页电机与电力电子研究所213116()0.5173(0.45)0.0068110.0350.081iPii

12、Ce、()PC、的计算方法5第18页/共48页 从上面的分析可以得到，在某一固定的风速v下，随着风力机转速的变化，风能利用系数的值也会相应地变化，从而使风力机输出的机械功率也变化，因此转速的变化会导致风力机捕获风能的能力发生变化。 由此我们可以导出不同风速下风力机输出功率和转速的关系，如图4可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax其值为 ；对应的转矩为 , 式中；电机与电力电子研究所3maxwwPk20wwTk3max0.5wwwoptpkSRC第19页/共48页 第一个运行区域是启动阶

13、段，此时风速从零上升到切入风速。 第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。 第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时，机组转速降低，Cp 值迅速降低，从而保持功率不变。电机与电力电子研究所4交流励磁风力发电系统的运行区域6 根据不同的风况，交流励磁变速恒频风力发电机组的运行可以划分为三个区域。三个运行区域的控制手段和控制任务各不相同，风力机的控制重点和协调关系也不相同。第20页/共48页电机与电力电子研究所风力发电机组的运行区域第21页/共48页三风力机与直流电动机的特性比较7-107-10理想状况下，直流电动机的动态特性

14、可用下列方程表示 电动机电磁转矩； 负载转矩； 、 分别为直流电动机的电动势常数和转矩常数， 电机与电力电子研究所-meJdTTJdtemaTC IadcmaaaemdIUR ILC ndtemEC n eTJTeCmC第22页/共48页稳态下直流电动机输出机械功率的特性为：直流电动机的电磁转矩即为其输出机械转矩：忽略电枢反应，可认为 是常数。则 与 、 有关，即有 。假定 恒定，则 是一条二次曲线。连续改变 时可以得到一簇二次曲线。同理：假定 不变时， 为 线形表达式， 是一条直线。连续改变 时，可以得出一簇直线。如下图所示电机与电力电子研究所mdedcmemaCTuCnRdcmemdoem

15、mammmauC nPTC ICRdoPdcmumn,dodcmmPf udcmudoPmndcmudcmudeTmndeTmndcmu第23页/共48页电机与电力电子研究所,dodcmmPf u,dedcmmTf u 直流电动机特性曲线 6、10第24页/共48页 模拟思路可用图4表示，根据当前风速和检测的机组转速，通过风力机数学模型计算出风力机的输出功率(转矩)，然后将其作为直流电动机的控制指令加以控制。电机与电力电子研究所风力机特性的直流电机模拟方案7-10 对于风力机而言,输出功率只与风力机风轮转速和风速有关，只要知道了风力机转速和风速，就可以算出在该转速和风速下的风力机输出功率和机械

16、转矩。通过以上分析可知，风力机和直流电动机的功率(转矩)特性具有较大的相似性，电枢电压U对直流电动机的输出功率(转矩)的作用类似于v对风力机输出功率(转矩)的作用。第25页/共48页电机与电力电子研究所 模拟思路可用图4表示，根据当前风速和检测的机组转速，通过风力机数学模型计算出风力机的输出功率(转矩)，然后将其作为直流电动机的控制指令加以控制。电机与电力电子研究所风力机特性的直流电机模拟方案 对于风力机而言,输出功率只与风力机风轮转速和风速有关，只要知道了风力机转速和风速，就可以算出在该转速和风速下的风力机输出功率和机械力矩。通过以上分析可知，风力机和直流电动机的功率(转矩)特性具有较大的相

17、似性，电枢电压U对直流电动机的输出功率(转矩)的作用类似于v对风力机输出功率(转矩)的作用。第26页/共48页电机与电力电子研究所 图4 风力机特性的直流电动机模拟思路 第27页/共48页根据风力机运行原理可得下面的风力机模型 电机与电力电子研究所风力机模型 第28页/共48页 风力机的特性模拟，根据直流电动机控制对象的不同，可分为功率模拟和转矩模拟两种方案，通过控制直流电动机的输出功率或输出转矩来分别模拟风力机的功率特性或转矩特性。控制电枢端电压U可以控制直流电动机输出功率Pm，功率模拟方案的控制对象是Pm ，控制变量为U。可按下式计算 从上式看出，计算U需检测转速，且检测误差会影响计算精度

18、，此外电压信号较敏感，易受干扰。故功率控制方案的控制误差较大，实现复杂。电机与电力电子研究所amemR PUC nC第29页/共48页 从式 可知，电枢绕组电流与直流电动机的输出转矩成正比，控制Ia便可控制Te，因此可通过控制Ia模拟风力机的转矩特性。转矩模拟方案的控制对象是Te ，控制变量为Ia ，实现简单，控制精度高，是研究重点。 本课题采用PI调节器闭环控制的转矩模拟方案如图5所示。 控制算法包括两部分：一部分是风力机模型的计算，用来求取参考转矩；另一部分是直流电动机的转矩控制。电机与电力电子研究所emaTC I第30页/共48页电机与电力电子研究所图5 风力机模拟控制系统 第31页/共

19、48页电机与电力电子研究所谢 谢第32页/共48页电机与电力电子研究所第33页/共48页电机与电力电子研究所直驱型风力机内部结构第34页/共48页电机与电力电子研究所表1.风力发电机组类型分类第35页/共48页电机与电力电子研究所水平轴风力机垂直轴风力机第36页/共48页电机与电力电子研究所高速风力机低速风力机第37页/共48页电机与电力电子研究所风向与风力机的位置关系第38页/共48页电机与电力电子研究所风电机组的轴系第39页/共48页电机与电力电子研究所阵风风速第40页/共48页电机与电力电子研究所渐变风速第41页/共48页电机与电力电子研究所随机风速第42页/共48页电机与电力电子研究所

20、气流经过风轮的速度变化第43页/共48页电机与电力电子研究所图2变浆距风力机特性曲线第44页/共48页电机与电力电子研究所图3 定浆距风力机特性曲线 第45页/共48页 在定浆距情况下，叶尖速比决着风能利用系数的大小。对于一个特定的风力机，在不同的风速下，只有一个最佳的风能利用系数。即风力机输出的功率值是最大的。电机与电力电子研究所最大风能捕获原理第46页/共48页主要参考文献：1 李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术M.北京：机械工业出版 社,2008.92 姚兴佳，宋俊.风力机发电机组原理与应用M.北京：机械工业出版社，2009.63 杨淑英.双馈风力发电变流器及其控制D.合肥：合

21、肥工业大学，20074 谢震.变速恒频双馈风力发电模拟平台的研究D.合肥：合肥工业大学，20055 隋红霞.双馈风力发电机组接入电网特性研究D.沈阳：沈阳工业大学，20086 刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究D.浙江：浙江大学， 20057 刘彦超.基于直流电动机的风力机模拟器研究D.内蒙古工业大学，2009.8 刘博.基于直流电动机的风力机特性模拟实验平台的研究D.成都：电子科技大 学，2009.9 贺益康,胡家兵.风力机特性的直流电动机模拟及其变速恒频风力发电研究中的应用J.太阳能学报,2006,27(10):1006-101210 刘其辉.基于直流电动机的风力机特性模拟J.中国电机工程报,2006,26(7):134-139第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页