風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析

辛金明

摘 要：要想弄清楚風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)過程將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生何種影響，就必須建立一定的模型進(jìn)行仿真分析，使得出的結(jié)論更真實(shí)可靠。在本文中，筆者依據(jù)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)對(duì)3種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，即空氣動(dòng)力學(xué)模型、轉(zhuǎn)子及塔筒動(dòng)力學(xué)模型和傳動(dòng)鏈模型，接著客觀分析不同環(huán)節(jié)之間可能存在的相互影響，然后進(jìn)行模型修正，最終建立有效模型，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；暫態(tài)模型；動(dòng)力學(xué)模型；非線性模型

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大致包含以下4種類型：雙饋異步式機(jī)組、永磁直驅(qū)式機(jī)組、全功率異步式機(jī)組以及采用鼠籠電機(jī)直接并網(wǎng)的異步機(jī)組，其中雙饋異步式機(jī)組、全功率異步式機(jī)組和采用鼠籠電機(jī)直接并網(wǎng)的異步機(jī)組的機(jī)械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均如圖1所示，而永磁直驅(qū)式機(jī)組的機(jī)械子系統(tǒng)無齒輪箱結(jié)構(gòu)。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的3個(gè)動(dòng)力學(xué)模型中，空氣動(dòng)力學(xué)模型基于激盤理論和葉素理論描述葉片受力情況，通過槳距角和風(fēng)速將風(fēng)力資源轉(zhuǎn)換成升力和阻力，然后經(jīng)坐標(biāo)的變換分解，把升力、阻力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)面內(nèi)、外的力矩；轉(zhuǎn)子及塔筒動(dòng)力學(xué)模型則是將風(fēng)輪的3個(gè)葉片、塔筒和輪轂看作是具有5個(gè)自由度的整體，并且根據(jù)拉爾朗日方程的相關(guān)求解得出與每個(gè)自由度相對(duì)應(yīng)的角位移和轉(zhuǎn)矩；傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中起到了將低速旋轉(zhuǎn)的輪轂轉(zhuǎn)矩傳遞給高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子的作用。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)模型

一般情況下，我們習(xí)慣用空氣動(dòng)力學(xué)模型來表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)輪吸收空氣動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的數(shù)學(xué)關(guān)系。在這里，筆者簡要談一下葉素理論建模法：葉素理論對(duì)長度為無限小的徑向葉素進(jìn)行相關(guān)受力分析，充分參考有限翼展對(duì)葉尖可能產(chǎn)生的渦流影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)葉素作用進(jìn)行積分，這樣就能計(jì)算得出葉根處受到的力矩。

2.2 轉(zhuǎn)子及塔筒動(dòng)力學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)發(fā)電過程實(shí)際上是十分繁復(fù)的，具有多自由度、多變量和高非線性耦合的特征，有點(diǎn)類似于多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過程。運(yùn)用拉格朗日方法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行建模相對(duì)比較簡單，這種建模方法只需要用廣義坐標(biāo)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能。

2.3 傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型

輪轂、低速軸、高速軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪箱等都是傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型的一部分，且其中齒輪箱賦予了風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)軸以柔性。因?yàn)辇X輪箱通常被固定在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔筒頂部，塔筒發(fā)生旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的左右擺動(dòng)時(shí)，將對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，使齒輪得到一個(gè)附加轉(zhuǎn)速，所以，在傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型中應(yīng)當(dāng)為齒輪箱增添一個(gè)獨(dú)立于傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)自由度。在這里不妨建立一個(gè)由輪轂、齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成的三質(zhì)量塊模型，將其看做剛體，將連接輪轂、齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸看做柔性軸，通過這樣的方式來描述傳動(dòng)軸的柔性對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)性能的影響就更為簡單準(zhǔn)確。

3.模型接口及其修正

由于上面所運(yùn)用的模型中存在塔筒沿驅(qū)動(dòng)側(cè)方向的前后擺動(dòng)，因此還需要引入相應(yīng)變量，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)模型中的相對(duì)風(fēng)速進(jìn)行相應(yīng)的修正。值得注意的是，若模型輸入時(shí)采用的數(shù)據(jù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)向儀采得的數(shù)據(jù)，就不需要進(jìn)行修正。

另外，由于傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型中包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此還需要通過將電機(jī)模型設(shè)置為轉(zhuǎn)速輸入并且忽略轉(zhuǎn)子慣性來對(duì)傳動(dòng)鏈模型進(jìn)行修正。

4.仿真分析

為了使本文所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)模型的精度更具說服力，在此筆者對(duì)許寅等人撰寫的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)仿真模型》一文中提及的模型進(jìn)行建模，并且輸入相同風(fēng)速進(jìn)行等時(shí)間等尺度的仿真，為了排除變槳可能帶來的控制效果，此處的仿真選擇一段不超過額定點(diǎn)的風(fēng)況，具體如圖2所示。

由圖2不難看出，當(dāng)風(fēng)速在第10s左右發(fā)生驟降時(shí)，文獻(xiàn)所述模型的轉(zhuǎn)速受到很大影響，發(fā)生驟降；而本文所描述的模型轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速突然變化的影響卻并沒有太大的反應(yīng)，由此可知，本文建立的模型精度更高。

結(jié)語

雖然現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有了很多針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制方面的研究分析，但是不管是廣度還是深度都是不夠的，部分仿真分析忽略了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的非線性特征，也就降低了該仿真分析結(jié)果的可信度。本文所提出的運(yùn)動(dòng)理論力學(xué)拉格朗日法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模和仿真分析，不但加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)理的理解，而且為以后開展并網(wǎng)暫態(tài)分析等提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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