風力發電機組動力學建模與仿真分析

辛金明

摘 要：要想弄清楚風力發電機組的暫態過程將對電力系統產生何種影響，就必須建立一定的模型進行仿真分析，使得出的結論更真實可靠。在本文中，筆者依據發電機組的結構對3種風力發電機組的動力學模型進行分析，即空氣動力學模型、轉子及塔筒動力學模型和傳動鏈模型，接著客觀分析不同環節之間可能存在的相互影響，然后進行模型修正，最終建立有效模型，并進行相應的仿真分析。

關鍵詞：風力發電；暫態模型；動力學模型；非線性模型

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A

1.風力發電機組機械子系統結構

當前并網運行的風力發電機組大致包含以下4種類型：雙饋異步式機組、永磁直驅式機組、全功率異步式機組以及采用鼠籠電機直接并網的異步機組，其中雙饋異步式機組、全功率異步式機組和采用鼠籠電機直接并網的異步機組的機械子系統結構均如圖1所示，而永磁直驅式機組的機械子系統無齒輪箱結構。

在風力發電機組的3個動力學模型中，空氣動力學模型基于激盤理論和葉素理論描述葉片受力情況，通過槳距角和風速將風力資源轉換成升力和阻力，然后經坐標的變換分解，把升力、阻力轉換成旋轉面內、外的力矩；轉子及塔筒動力學模型則是將風輪的3個葉片、塔筒和輪轂看作是具有5個自由度的整體，并且根據拉爾朗日方程的相關求解得出與每個自由度相對應的角位移和轉矩；傳動鏈動力學模型在風力發電機組中起到了將低速旋轉的輪轂轉矩傳遞給高速運動的轉子的作用。

2.風力發電機組動力學模型

2.1 空氣動力學模型

一般情況下，我們習慣用空氣動力學模型來表示風力發電機組中風輪吸收空氣動能并將其轉換成旋轉機械能的數學關系。在這里，筆者簡要談一下葉素理論建模法：葉素理論對長度為無限小的徑向葉素進行相關受力分析，充分參考有限翼展對葉尖可能產生的渦流影響，在此基礎上對葉素作用進行積分，這樣就能計算得出葉根處受到的力矩。

2.2 轉子及塔筒動力學模型

風力發電機組的旋轉發電過程實際上是十分繁復的，具有多自由度、多變量和高非線性耦合的特征，有點類似于多自由度機械臂的運動過程。運用拉格朗日方法對機械系統動力學方程進行建模相對比較簡單，這種建模方法只需要用廣義坐標對物體的運動進行描述，計算出整個系統的動能和勢能。

2.3 傳動鏈動力學模型

輪轂、低速軸、高速軸、發電機轉子、齒輪箱等都是傳動鏈動力學模型的一部分，且其中齒輪箱賦予了風輪和發電機組之間的轉軸以柔性。因為齒輪箱通常被固定在風力發電機組的塔筒頂部，塔筒發生旋轉平面內的左右擺動時，將對齒輪的轉動產生一定的影響，使齒輪得到一個附加轉速，所以，在傳動鏈動力學模型中應當為齒輪箱增添一個獨立于傳動軸的旋轉自由度。在這里不妨建立一個由輪轂、齒輪箱和發電機轉子組成的三質量塊模型，將其看做剛體，將連接輪轂、齒輪箱和發電機轉子的傳動軸看做柔性軸，通過這樣的方式來描述傳動軸的柔性對風力發電機組動態性能的影響就更為簡單準確。

3.模型接口及其修正

由于上面所運用的模型中存在塔筒沿驅動側方向的前后擺動，因此還需要引入相應變量，對空氣動力學模型中的相對風速進行相應的修正。值得注意的是，若模型輸入時采用的數據是風力發電機組風向儀采得的數據，就不需要進行修正。

另外，由于傳動鏈動力學模型中包括發電機轉動慣量，因此還需要通過將電機模型設置為轉速輸入并且忽略轉子慣性來對傳動鏈模型進行修正。

4.仿真分析

為了使本文所述風力發電機組的動力學模型的精度更具說服力，在此筆者對許寅等人撰寫的《風力發電機組暫態仿真模型》一文中提及的模型進行建模，并且輸入相同風速進行等時間等尺度的仿真，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的風況，具體如圖2所示。

由圖2不難看出，當風速在第10s左右發生驟降時，文獻所述模型的轉速受到很大影響，發生驟降；而本文所描述的模型轉速對風速突然變化的影響卻并沒有太大的反應，由此可知，本文建立的模型精度更高。

結語

雖然現在國內外已經有了很多針對風力發電機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力發電機組中的非線性特征，也就降低了該仿真分析結果的可信度。本文所提出的運動理論力學拉格朗日法對風力發電機組進行建模和仿真分析，不但加強了對風力發電機組機理的理解，而且為以后開展并網暫態分析等提供了一定的理論依據。

參考文獻

[1]王磊.海上風電機組系統動力學建模及仿真分析研究[D].重慶大學，2011.

[2]劉先正，王興成，溫家良，等.風力發電機組動力學建模與分析[J].電力系統自動化，2015（5）：15-19+141.