变速恒频风力发电机组建模研究

论文总字数：38757字

摘 要

本文从分析风力发电的优缺点出发，强调开展风力发电机组建模研究的优势所在。同时对国内外风力发电技术的发展现状和未来发展趋势做了介绍。针对目前在发展风力发电机组中常用到的建模方法，对风速、风轮、传动系统、发电机这四大模块详细阐述目前主流的建模和设计方法。文章中涉及的建模都针对VSCF这一风力发电机组的主流趋势。其中，风速建模采用广泛应用的四分量法，同时分析塔影效应和风剪切效应对风速的影响。对风轮建模采用Wilson设计法，传动系统采用刚性轴分析方法建模，发电机以主流双馈异步电机为对象建模。本文方案所用的编程方法力求简单便捷，程序效率高，数据来源精确可靠。同时，本文以介绍方法原理为主，因此忽略了一些复杂的实际问题。

关键词：建模、风力发电、设计

Name: Guo Feng

Student ID: 03011304

Instructor: Shen JianXian

Modeling Study on Wind

Power System

Abstract

This article firstly analyses the merit and demerit of wind power generation, enhancing the advantages of developing modeling study on VSCF wind power system and introducing current and future wind power technology at home and aboard. Based on now mostly used modeling methods, this paper elaborates currently preferred modeling and designing methods of four main components, including wind speed, wind blade, transmission and generator. All the models mentioned in this article are aiming at the VSCF technology that is the mainstream of wind power technology. The modeling of wind speed uses the method of four components and contains the analysis of the wind shear and the tower shadow effect. Wind blade model uses Wilson designing method. Modeling of transmission and generator are based on rigid shaft and doubly-fed induction generator respectively. Easy, efficient and reliable are what the program in this paper pursuing. Meanwhile, this paper focuses on introducing the designing and modeling methods and theories, thus neglecting some complex practical problems.

Key words: Modeling, Wind power system, VSCF, designin

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 进行风电建模研究的原因 1

1.2 我国风电机组的发展 2

1.3 风电发展的趋势及展望 2

第二章 风的建模 5

2.1 基于SIMULINK风速模型 5

2.2 风剪切模型 9

2.3 塔影效应模型 9

2.4 应用MATLAB建立的风剪切与塔影效应模型 10

第三章 风轮的建模 24

3.1 风机叶片参数的选择 24

3.2 Wilson叶素设计方法 26

3.3 基于MATLAB Wilson设计方法的实现 27

3.4 叶素参数的调整 30

3.5 叶素空间坐标获取方法 32

3.6 叶片三维模型的实现 39

第四章 传动系统的建模 40

4.1 系统结构的模拟 40

4.2 传动系统的力学模型 40

4.3 发电机数学模型 41

4.4 传动系统的最终模型 42

第五章 双馈异步电机模型 46

5.1 双馈异步电机工作原理 46

5.2 双馈异步发电机的等效电路 47

5.3 双馈异步发电机的数学模型 48

5.3.1坐标变换 49

结论 53

参考文献 55

致 谢 56

第一章 绪论

1.1进行风电建模研究的原因

能源生产利用过程会对环境造成一定破坏，我国目前的能源生产利用主要依赖燃煤火电机组，尽管相关的减排环保措施已经有一定的效果。中国主流的燃煤发电仍然导致了大气污染，其消耗不可再生能源并且开采过程造成地质结构破坏等问题。燃煤发电产生大量CO2，而CO2是导致温室效应的主要气体。尽管不可再生能源开采技术在进步，我们发现了更多探明储量。但地球总量却仍然越用越少，可再生能源的利用成为了本世纪以来人类关注的一大话题。风力发电的原理是将风的动能转化为风力机机械能，再通过发电机电磁效应转化为电能。在能量转换过程中，只有风的动能减小，而风的动能来自于太阳照射大气表面不均匀造成大气环流，归根结底，风能也来自太阳能。利用风能发电，可以减少化石燃料的使用，最终减小CO2等气体排放，缓解环境压力。尽管风力发电会对鸟类等生物造成一定影响从而造成环境破坏，但与传统火电相比，这种破坏远远不及。所以开展风电有利于保护环境优化我国能源结构。风力发电技术被认为是可再生能源单位发电成本最有希望与火电媲美的，也是最可能较大规模替代传统火电的技术。

风向和风速是随机的，以及风能密度低是风能主要劣势。风能资源优异地区一般地处的高山、沙漠、海滩、海岛等比较偏僻地区，其工作环境十分恶劣，尤其是海上风机，还要承受大海里某些盐分形成化学物质的侵蚀。如果使用真实风力机进行试验研究，不仅会花费大量的资金、劳动力；同时，由于风力发电技术越来越广泛，单机大容量风机能够降低发电成本、提高风能利用率，大容量机组意味着尺寸各方面都巨大，单机成本也非常高。同时风力机并网技术的提高使得很多风机与电网相连，这不仅会危及实验人员的人身安全，同时由于试验失败、故障等对电网造成的冲击、破坏也是十分可观的。所以，只依赖传统的真机实验研究方法是不适用与风力发电的研究的。使用微机仿真有很多好处，比如说：风机不会受到天气条件的约束；成本较真机而言十分低廉，几乎无安全隐患。

变速运行的风力机，在风速超过额定风速是采取变桨距调节风能利用系数，使风机在大范围内工作在最大的风能利用系数，可以从风中获得更多的能量。因此，叶轮速度变化但输出频率恒定的机组是主流趋势。在这其中，DFIG（双馈异步）机组最为普遍，本文以该机型为对象展开讨论。

1.2 我国风电机组的发展

风力发电机组研制在我国已经有了较长的历史，但产业化发展的道路近些年才真正走上。在1996—2005这十年期间， 我国开始了风电整机企业的建立，在首批建设中，有6家风电整机研发企业对国外以丹麦为主的风电技术引进并学习模仿。首先被掌握得是0.6Mw和0.75Mw定桨形机组。一部分企业能够对以上机组进行总体组装，并且能设计和制造风力机组中的关键设备。这一成果为我国风力发电自行研制开发打下了坚实的基础，为今后实现风力发电机产业化、规模化提供了保障，迈出了至关重要的一步。自2004年以来，风力发电引起了发改委等相关部门的重视，政府陆续出台和制定了关于发展以风力发电为主的可再生能源促进扶持政策。在一系列政策的刺激下，国内外众多企业大举涉足，积极发展中国风电整机制造业。通过引进国外技术，获取生产许可，发展合资企业， 建立自主研发项目或者和国外先进国家合作研发等等。大体而言，由于政策的刺激，越来越多实力雄厚有相关经验的企业投入到大型风力发电机组的研发中来，我国的风电整机制造、设计能力取得了辉煌的发展，进一步促进了风电的产业化过程。 不过，核心技术还是掌握在国外技术先进的国家， 但国产产品技术性能的提升是值得称赞的。目前，1.5MW机组是最广泛，商业化程度最高的机型。此外，更高级别的2MW、3MW级机型也陆续被批量化生产，销售。 专家们预测，今年将会有5~6MW机型实现批量化生产，而在未来，更大容量的机组也会陆续被研发。

虽然我国的风力发电机组主流机型已经转向MW级以上大容量机组，但必须清醒的认识到我国大型风力发电机组的开发在很大程度上还是依赖国外技术。迄今为止，我国尚未开发出获得认证许可的商业化整机设计软件，尚不具备在地面对风力发电机组进行全工况加载试验的能力。随着我国风力发电机组整机制造产能的迅速扩大，一大批实力雄厚的专业配套厂也投入了风力发电机组的主要部件开发，风力发电机组的国产化水平迅速提高。近几年来，相关核心部件，如：变桨距轴承、偏航轴承和主轴承等陆续研发成功，无疑对我国的风机制造业打了一剂强心剂。但是与整机开发技术类似，我国在关键部件的设计和可靠性验证方面与国外的先进技术还是有很大的差距。

1.3 风电发展的趋势及展望

随着风力发电在世界范围越来越受重视，其技术也在渐渐完善。最为明显的趋势有以下几点：小功率向大功率、内陆向近海、定桨失速向变速变桨、恒频发展，结构设计越来越向简约、柔性增强、重量降低，寿命延长等等。

大型化

单机容量大型化可以有效降低风机单位量的发电成本，所以它无疑是是世界风能发展的共识。在国际上，目前市场主要机型都是MW级机组以上， 目前风电领先的国家——Denmark, 其国内运行的单机最大容量已经超过了6MW。7MW，甚至10MW等巨型机组都已经成为现实，正接受测试运行。不少业内人士认为, 传统的风力发电技术是制造机器，而今制造机器正逐渐转变为制造发电厂。我国发改委在 “十二五“计划中提出，第十二个5年，我们要积极开展风电技术研制。力求在未来五年研发出国产自主知识产权的6~10MW陆地或者近海变速恒频风力机组（双馈式和直驱式），并且掌握整机制造技术。

海上风电

风资源在海上具有持续稳定的特点，可以一点程度上弥补风的随机性和不确定性。此外，海上风风速很高，潜在发电量大，一次台风可以另一台巨型风力机创造上亿元的经济价值。且海上风力机具有地理优势，一是其不消耗土地资源，而是经济发达地区常常坐落在近海地区，而经济发达地区往往是电力负荷中心。海上风电可以不需要建设长距离的输电线，并且产生的电能够被很好的并网消纳，不易出现弃风。经济发达地区有能力制造风力机并进行大规模生产，从而减少运输成本。所以，种种因素叠加使得海上风电的成本变得可以接受，并真正趋势化发展。

变速运行

定速运行的风机往往不能工作在最大风能利用系数，而变速运行的风机可以在较大风速范围内工作在最大风能利用系数附近。风速变化后，控制机构通过调节浆距等等受控结果改变风轮旋转速度，使其最佳。所以，变速风力机相比恒速风力机能够捕获更多风能，产生更多电能，对风速变化有更好的适应性。具有单位电能生产成本较低，而效率较高等优点。

变桨距

定桨距机组在启动时一般需要借助外加电源。变桨距机组使启动时升阻比最大，使得启动更容易、节能。此外，变桨距调节风轮转速从而改变发电机转子转速，进而控制电磁转矩，以此实现功率的稳定输出。不必像失速型机组那样承受较大弯矩，通过对浆距角进行合理调节来降低机组结构受力。当风速过高时，可以使桨叶顺桨来保护机组，使机组承受的弯矩降至最低。如此一来，风机的使用寿命得以增加。不过，变桨装置需要较为复杂的控制系统，增加了整个系统的复杂性，也增加了系统发生故障的概率。

直接驱动型

顾名思义，这种机组在风轮转轴与发电机转子间没有安装变速齿轮箱。所以，其结构明显简化，结构更为简单。而齿轮箱式系统中故障率较高的构件，所以没有齿轮箱的直驱型机组系统可靠性和效率都明显高得多。

第二章 风的建模

2.1 基于SIMULINK风速模型

自然中由于地区各地区受热不均引起的自然风存在很大的随机性，变化突然。变化的不仅是速度，还有方向，这也是风力发电机的最大劣势。不过，在经过科学的观测，统计，我们可以总结出风速的变化存在着一定的规律。为了着重分析风速大小的变化，我们忽略风速方向变化，重点描述其随机性。四分量法是目前广泛应用的风速分析方法，其将风分为以下四个分量：基本风、阵风、渐变风、随机风。

基本风：由Weibull distribution ratio近似确定，该量决定于当地的环境条件，风机运行过程中并不随时间变化

式2-1中：A为威布尔分布尺度参数，K为形状参数

本文假定基本风为：13m/s

阵风：用来描述风速突然变化的性质，一般可以表示为：

式2-2、2-3中：maxG为阵风峰值，TG为阵风结束时间，T1G为阵风开始时间。设定阵风起始于10s,终止于40s，峰值为3m/s. 利用simulink搭建的阵风模型框架如图1：

图1 阵风模型框图

其运行结果如图2：

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