1、風電機組建模與基本特性分析1、風電機組控制系統組成概述、風輪、傳動鏈、發電機、調節器、執行機構組成發電運行控制系統。發電運行實現控制作用的系統組成框圖、機艙、塔架和基礎組成支撐結構動力特性模型（模態子結構法）其中M1-輪箍質量，M234-葉片質量，M5-機艙質量 M6塔架質量未加控制力的發電機組傳動系統模型和特性表示風力發電機組動態特性的微分方程通常寫成如下形式： 式中 I風力發電機組的轉動慣量；B阻尼系數；K傳動系統剛度；TA驅動力；軸的旋轉角度。、加控制力機組發電傳動系統模型和動態特性當系統加入控制力TF后，其動態特性方程改變為 (1-4)假定控制力TC 是以比例加積分的方式作用在旋轉軸上

2、的，即： (1-5)這時，微分方程可以寫成 (1-6)其中阻尼系數從B增加到(Bki)，剛性系數從K 增加到(K+kp)。 kp=K1 Ki=K2 、討論運動方程全解的物理意義寫出特征根表達式 討論系統的輸出響應 0 、討論運動方程全解的物理意義研究變距控制系統的運動變距運動的穩定性分析-即微分方程的通解變距運動的動態響應-即微分方程的全解控制理論復習2階時域系統復平面及時間函數的分布單位階躍響應第一節、風力機風輪基本特性1.1 風電機組葉片的輸出特性第三章 風電機組特性分析 最佳尖速比功率系數第三章 風電機組特性分析風輪的性能計算計算風機性能風輪半徑r處葉素上的軸向推力、轉矩和功率軸向推力、

3、轉矩和功率 第三章 風電機組特性分析風輪的性能計算計算風輪性能系數、葉片的載荷分析風輪葉片受力分析空氣動力使葉片承受彎曲和扭轉力；離心力使葉片承受拉伸、彎曲和扭轉力；重力使葉片承受拉壓、彎曲和扭轉力。風力葉片受力簡圖取風輪葉片軸為oz軸；取風輪旋轉平面為oy軸。取風輪旋轉軸為ox軸，方向與氣流方向一致；第三章 風電機組特性分析葉片的載荷分析葉片轉軸位于葉片的轉軸位于葉片各剖面的翼弦處，與各剖面的氣動中心的連線盡量接近，以減少作用在轉軸上的轉矩。壓力中心升力作用線和弦線的交點焦點相對于該點俯仰力矩不隨攻角發生改變。第三章 風電機組特性分析第三章 風電機組特性分析風輪葉片基本載荷空氣動力引起的載荷

4、（記號a)單位長度空氣動力空氣動力剪切力空氣動力彎矩空氣動力扭矩P：壓力中心C：扭轉中心葉片的載荷分析第三章 風電機組特性分析重力引起的載荷(r0和F0是折算密度和面積）單位長度重力（y是葉片旋轉方位角,葉片轉軸和水平面之間夾角）重力拉（壓）力重力剪力重力彎矩葉片的載荷分析第三章 風電機組特性分析重力扭矩離心力引起的載荷單位長度離心力（翼剖面重心G）離心拉力離心剪力葉片的載荷分析第三章 風電機組特性分析離心力彎矩離心力扭矩合成載荷單位長度載荷葉片的載荷分析第三章 風電機組特性分析剪力和拉力（壓力）彎矩扭矩陣風引起的彎曲力 由于風速的增加和風向的變化，陣風在葉片中產生彎曲應力增加。由于風力機的慣

5、性和風向實度對風電機組特性的影響第三章 風電機組特性分析CQ-曲線第三章 風電機組特性分析CT-曲線第三章 風電機組特性分析KP -1/曲線第三章 風電機組特性分析第三章 風電機組特性分析1、槳葉的翼型、槳葉的幾何參數與空氣動力特性功角升力角零升力角風向弦長AB攻角：來流方向與弦線的夾角零升力角：弦線與零升力線夾角升力角：來流方向與零升力線夾角2、槳葉上的氣動力總的氣動力，S 槳葉面積，Cr 總氣動系數C壓力中心升力，與氣流方向垂直，Cl 升力系數阻力，與氣流方向平行，Cd 阻力系數相對前緣點由F產生的力矩，Cd、Cl 是由設計的葉片決定的固有參數，也是氣動力計算的原始依據。變距調節第三章 風

6、電機組特性分析風電機組的轉矩轉速特性第三章 風電機組特性分析第二節、傳動系統特性式中:K是整體剛度矩陣,M是整體質量矩陣,C是整體阻尼矩陣,R是外載荷列陣,u、分別為節點的位移、速度、加速度列陣。第三章 風電機組特性分析 傳動軸剛性系統上式中，Tgen為發電機轉矩，Twtr為葉輪轉矩，Jgen為發電機慣量，Jwtr為葉輪慣量，Kgear為齒輪箱速比。如欲建立更詳細的模型，則可在發電機慣量上疊加高速軸聯軸器和制動圓盤的慣量，在葉輪慣量上疊加低速軸的慣量。如欲簡化計算，則因通常葉輪慣量折算到高速軸后也遠大于發電機慣量，所以有時可以忽略計算發電機慣量。第三章 風電機組特性分析柔性系統圖中Jwtr是葉

7、輪折算到高速軸的慣量，Twtr是葉輪折算到高速軸的轉矩，Tgen是發電機轉矩，Jgen是發電機慣量，De為系統阻尼粘性系數，Kse為系統等效剛度。此外，還可定義wtr為折算到高速軸的葉輪轉速，gen為發電機轉速，wtr為折算到高速軸的葉輪角位移，gen為發電機角位移。于是可建立模型如下：第三章 風電機組特性分析柔性軸模型認為低速軸和高速軸是柔性的，葉輪轉子和發電機轉子有各自的旋轉自由度。葉輪轉子的加速度依賴于氣動轉矩和低速軸轉矩之間的不平衡。發電機轉子的加速度依賴于高速軸轉矩和發電機反轉矩之間的不平衡。軸的轉矩可以通過式子T來計算：柔性傳動鏈第三章 風電機組特性分析剛性軸模型的從氣動轉矩到發電

8、機轉速之間的傳遞函數 柔性傳動鏈第三章 風電機組特性分析當參數給定如下時：第三章 風電機組特性分析風力發電中所用的同步發電機絕大部分是三相同步電機，其輸出連鄰近三相電網或輸配電線。第三節、交流發電機1.基本工作原理 1）分定子和轉子兩部分。定子：電樞繞組，產生感應電動勢和產生旋轉磁場的部件。轉子：可由勵磁繞組調節，產生一個強磁場。2）具體：勵磁繞組外接直流電源得到勵磁電流，產生磁極磁場（主磁場或勵磁磁場），風機拖動轉子旋轉時，得到一個機械旋轉主磁場，該磁場對定子發生相對運動，在定子繞組中感應出對稱的交流電勢。由于定于三相對稱繞組在空間相差120度電角度，因此三相對稱的電勢也在時間上相差120度

9、電角度?？杀硎緸閑OA,eOB,和eOC第三章 風電機組特性分析=2fs ,是勵磁電流產生的每極磁通；K是一個與電機極對數和每相繞組匝數有關的常數。2.交流電勢的頻率頻率取決于電機的極對數P和轉子轉速ns，即3.每相繞組的電勢有效值4.同步發電機的額定值 1）額定容量：是指出線端的額定視在功率，以千伏安（kVA）、兆伏安(MVA)為單位；2）額定功率：是指發電機輸出的額定有功功率，一般以干瓦（kW）或兆瓦（MW）為單位。 第三節、交流發電機風力驅動的同步發電機與電網并聯 5 并網同步風力發電系統舉例一 同步發電機1）注意并網條件第三節 交流發電機 帶調速系統的恒速恒頻同步發電機風力發電系統帶變

10、頻器的變速恒頻同步發電機風力發電系統5 并網同步風力發電系統舉例一 同步發電機第三節 交流發電機 第三節 交流發電機 1)同步發電機的主要優點是可以向電網或負載提供無功功率，它不僅可以并網運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負載的需要。 2)同步發電機的缺點是它的結構以及控制系統比較復雜，成本比異步發電機高。一 同步發電機6.同步發電機的優缺點1.結構：1)異步發電機稱感應發電機，有鼠籠型和繞線型兩種。2)風力發電系統中并網運行的異步電機，其定子與同步電機的定子基本相同，定子繞組為三相的，可接成三角形或星型接法；轉子則有鼠籠型和繞線型兩種。 二異步發電機第三節、交流發電機第三節 交流發電機 2.

11、工作原理：1)根據異步電機理論，異步電機并網運行時由定子三相繞組電流產生的旋轉磁場的同步轉速決定于電網的頻率及電機繞組的極對數，即：式中：ns為同步轉速； f為電網頻率；p 為繞組對數。 二異步發電機第三節 交流發電機 2）當異步電機連接到頻率恒定的電網時，異步電機可以有不同的運行狀態； 轉子轉速小于異步電機的同步轉速時（即nns），處于發電運行狀態，此時異步電機吸收由原動機供給的機械能而向電網輸出電能。二異步發電機2.工作原理第三節 交流發電機 2）當異步電機與電網并聯后作為發電機運行時，轉差率S為負值。 |s|取值越大，則系統平衡陣風擾動的能力越好，一般與電網并聯運行的容量較大的異步風力發

12、電機其轉速的運行范圍在ns與s之間。 1）異步電機的不同運行狀態可用異步電機的轉差率S來區別表示。異步電機的轉差率定義為：二異步發電機3.轉差率第三節 交流發電機 1）缺點：在向電網提供有功功率的同時，要從電網中吸收無功功率。2）優點：并網要求不像同步發電機那么嚴格，只要轉速接近同步轉速時就可并網。？并網方式結論 ：在與電網并聯運行的定槳距風力發電系統中大多采用異步發電機 。為了充分利用低風速時的風能，廣泛采用雙速異步發電機。 二異步發電機4.優缺點3、普通異步發電機特性第三節 交流發電機 4、變距變速雙饋發電機第三節 交流發電機 變速恒頻發電系統第三節 交流發電機 變速恒頻運行原理第三節 交流發電機 雙饋發電機有功及無功調節第三節 交流發電機 5、永磁風電機組的運行特性永磁同步電機定子、轉子空間布置的軸向示意圖第三節 交流發電機 永磁風電機的全功率驅動變流器第三節 交流發電機 永磁發電機等效電路第三節 交流發電機 Ps=3/2ri