第三章风力发电机组的特性范例.pptx

风力发电机组监测与控制 第三章　风力发电机组的特性分析 第三章　风力发电机组的特性分析 第一节　风力发电机组的基本特性第二节　传动系统的动态特性第三节　发电机及变流器的特性 第一节　风力发电机组的基本特性 一、风力机的特性二、风力发电机组的转矩-转速特性三、实度对风力机特性的影响四、CQ-λ曲线五、CT-λ曲线六、KP-1/λ曲线七、转速变化的影响八、桨距角变化的影响九、变桨调节 一、风力机的特性 图3-1　风力机-λ曲线 一、风力机的特性 图3-2　定桨距风力机的-λ曲线 二、风力发电机组的转矩-转速特性 从理论上讲，输出功率是无限的，它与风速的三次方成正比关系。但实际上，由于机械强度和电力电子器件容量的限制，输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些设备便不能工作。因此，风力发电机组受到两个基本限制： 1.功率限制 所有电路及电力电子器件受功率限制。 2.转速限制 所有旋转部件的机械强度受转速限制。 图3-3　风力发电机组在运行区域内的转矩-转速特性 二、风力发电机组的转矩-转速特性 三、实度对风力机特性的影响 (1)低实度产生一个宽而平坦的曲线，这表示在一个较宽的叶尖速比范围内CP变化很小。(2)高实度产生一个含有尖峰的狭窄的性能曲线，这使得叶轮的CP值对叶尖速比变化非常敏感，并且，如果实度太高，CP的最大值将相对较低，CPmax的降低是由失速损失所造成的。(3)由图3-5可以看出，三桨叶产生最佳的实度。 图3-4　不同叶片数量情况下的-λ曲线 三、实度对风力机特性的影响 四、CQ-λ曲线 图3-5　不同叶片数量情况下的-λ曲线 五、CT-λ曲线 图3-6　不同叶片数量情况下的-λ曲线 六、KP-1/λ曲线 图3-7　-1/λ曲线 六、KP-1/λ曲线 图3-8　定桨恒速风力发电机组的理论与实际功率曲线 七、转速变化的影响 图3-9　定桨距风力发电机组运行转速与功率输出的关系 八、桨距角变化的影响 图3-10　桨距角与功率输出的关系 九、变桨调节 图3-11　变桨控制保持大风情况下的稳定功率 第二节　传动系统的动态特性 一、刚性轴模型二、两质块柔性轴模型 第二节　传动系统的动态特性 图3-12　传动系统的组成 一、刚性轴模型 刚性轴模型认为低速轴、齿轮箱的传动轴、高速轴是刚性的，叶轮转子和发电机转子只有一个旋转自由度，高速轴与低速轴之间的速度比在任何时刻为固定值。假如传动系统的扭转刚度很大时，这种模型能适应于所有计算。发电机和叶轮的加速度来自于气动转矩与发电机反转矩之间的不平衡。可建立模型如下： Tgen-T′wtr=Jechdω/dt T′wtr=Twtr/Kgear2 Jech=Jgen+Jwtr/Kgear2 (3-11) 式中，Tgen为发电机转矩；Twtr为叶轮转矩；Jgen为发电机转动惯量；Jwtr为叶轮转动惯量；Kgear为齿轮箱速比。 柔性轴模型认为低速轴和高速轴是柔性的，它允许叶轮转子和发电机转子有各自的旋转自由度。叶轮转子的加速度依赖于气动转矩和低速轴转矩之间的不平衡。发电机转子的加速度依赖于高速轴转矩和发电机反转矩之间的不平衡。轴的转矩可以通过式子T=kθ+Bθ(T、k、B、θ分别为传动轴的转矩、刚度、阻尼、角位移)来计算。下面分别分析传动系统各个组成部分的动态特性。 可以用一个简单的弹簧-质量-阻尼模型来描述叶轮和低速轴的动态特性，受力示意图如图3-13所示。可建立模型如下： T′wtr=J′wtrdω′wtrdt+D′e(ω′wtr-ωgen)+k′se(θ′wtr-θgen)dθ′wtrdt=ω′wtr-Tgen=Jgendωgendt+D′eωgen-ω′wtr+k′se(θgen-θ′wtr)dθgendt=ωgen(3-12) 二、两质块柔性轴模型 二、两质块柔性轴模型 图3-13　两质块柔性模型 图3-13中，J′wtr为叶轮折算到高速轴的转动惯量，T′wtr为叶轮折算到高速轴的转矩，Tgen为发电机转矩，Jgen为发电机转动惯量，D′e为系统阻尼粘性系数，k′se为系统等效刚度。此外，还可定义ω′wtr为折算到高速轴的叶轮角速度，ωgen为发电机角速度，θ′wtr为折算到高速轴的叶轮角位移，θgen为发电机角位移。于是可建立模型如下： T′wtr=J′wtrdω′wtr/dt+D′e(ω′wtr-ωgen)+k′se(θ′wtr-θgen) dθ′wtr/dt=ω′wtr -Tgen=Jgendωgen/dt+D′e(ωgen-ω′wtr ) +k′se(θgen-θ′