第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性分析剖析

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與控制第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性分析第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性分析第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本特性第二節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性第三節(jié)發(fā)電機(jī)及變流器的特性第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本特性一、風(fēng)力機(jī)的特性二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性三、實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響四、CQ-曲線五、CT-曲線六、KP-1/曲線七、轉(zhuǎn)速變化的影響八、槳距角變化的影響九、變槳調(diào)節(jié)一、風(fēng)力機(jī)的特性圖3-1風(fēng)力機(jī)-曲線一、風(fēng)力機(jī)的特性圖3-2定槳距風(fēng)力機(jī)的-曲線二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性從理論上講，輸出功率是無(wú)限的，它與風(fēng)速的三次方成正比關(guān)系。但實(shí)際上，由于機(jī)械強(qiáng)度和電力電子器件容量的限制，輸出功率是有限度的，超過(guò)這個(gè)

2、限度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的某些設(shè)備便不能工作。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到兩個(gè)基本限制：1.功率限制所有電路及電力電子器件受功率限制。2.轉(zhuǎn)速限制所有旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械強(qiáng)度受轉(zhuǎn)速限制。圖3-3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性三、實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響(1)低實(shí)度產(chǎn)生一個(gè)寬而平坦的曲線，這表示在一個(gè)較寬的葉尖速比范圍內(nèi)CP變化很小。(2)高實(shí)度產(chǎn)生一個(gè)含有尖峰的狹窄的性能曲線，這使得葉輪的CP值對(duì)葉尖速比變化非常敏感，并且，如果實(shí)度太高，CP的最大值將相對(duì)較低，CPmax的降低是由失速損失所造成的。(3)由圖3-5可以看出，三槳葉產(chǎn)生最佳的實(shí)度。圖3-4不同葉片數(shù)量情況下

3、的-曲線三、實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響四、CQ-曲線圖3-5不同葉片數(shù)量情況下的-曲線五、CT-曲線圖3-6不同葉片數(shù)量情況下的-曲線六、KP-1/曲線圖3-7-1/曲線六、KP-1/曲線圖3-8定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的理論與實(shí)際功率曲線七、轉(zhuǎn)速變化的影響圖3-9定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速與功率輸出的關(guān)系八、槳距角變化的影響圖3-10槳距角與功率輸出的關(guān)系九、變槳調(diào)節(jié)圖3-11變槳控制保持大風(fēng)情況下的穩(wěn)定功率第二節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一、剛性軸模型二、兩質(zhì)塊柔性軸模型第二節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性圖3-12傳動(dòng)系統(tǒng)的組成一、剛性軸模型剛性軸模型認(rèn)為低速軸、齒輪箱的傳動(dòng)軸、高速軸是剛性的，葉輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

4、只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，高速軸與低速軸之間的速度比在任何時(shí)刻為固定值。假如傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度很大時(shí)，這種模型能適應(yīng)于所有計(jì)算。發(fā)電機(jī)和葉輪的加速度來(lái)自于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩之間的不平衡?？山⒛Ｐ腿缦拢篢gen-Twtr=Jechd/dtTwtr=Twtr/Kgear2Jech=Jgen+Jwtr/Kgear2 (3-11)式中，Tgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Twtr為葉輪轉(zhuǎn)矩；Jgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jwtr為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Kgear為齒輪箱速比。柔性軸模型認(rèn)為低速軸和高速軸是柔性的，它允許葉輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)自由度。葉輪轉(zhuǎn)子的加速度依賴(lài)于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加

5、速度依賴(lài)于高速軸轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩之間的不平衡。軸的轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)式子T=k+B(T、k、B、分別為傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩、剛度、阻尼、角位移)來(lái)計(jì)算。下面分別分析傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的動(dòng)態(tài)特性?？梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量-阻尼模型來(lái)描述葉輪和低速軸的動(dòng)態(tài)特性，受力示意圖如圖3-13所示?？山⒛Ｐ腿缦拢篢wtr=Jwtrdwtrdt+De(wtr-gen)+kse(wtr-gen)dwtrdt=wtr-Tgen=Jgendgendt+Degen-wtr+kse(gen-wtr)dgendt=gen(3-12)二、兩質(zhì)塊柔性軸模型二、兩質(zhì)塊柔性軸模型圖3-13兩質(zhì)塊柔性模型圖3-13中，Jwtr為葉輪折算

6、到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Twtr為葉輪折算到高速軸的轉(zhuǎn)矩，Tgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Jgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，De為系統(tǒng)阻尼粘性系數(shù)，kse為系統(tǒng)等效剛度。此外，還可定義wtr為折算到高速軸的葉輪角速度，gen為發(fā)電機(jī)角速度，wtr為折算到高速軸的葉輪角位移，gen為發(fā)電機(jī)角位移。于是可建立模型如下：Twtr=Jwtrdwtr/dt+De(wtr-gen)+kse(wtr-gen)dwtr/dt=wtr-Tgen=Jgendgen/dt+De(gen-wtr ) +kse(gen-wtr)Dgen/dt=gen (3-12)二、兩質(zhì)塊柔性軸模型第三節(jié)發(fā)電機(jī)及變流器的特性一、普通異步發(fā)電機(jī)的特性二、雙饋

7、異步發(fā)電機(jī)及變流器的特性三、永磁同步發(fā)電機(jī)及變流器的特性一、普通異步發(fā)電機(jī)的特性(一)機(jī)械特性(二)電氣特性(三)轉(zhuǎn)子電阻的調(diào)節(jié)一、普通異步發(fā)電機(jī)的特性圖3-14異步電機(jī)的等效電路(一)機(jī)械特性圖3-15異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線(750kW，4P)(二)電氣特性(1)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無(wú)功功率，皆取自電網(wǎng)。(2)大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負(fù)載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦。(3)風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機(jī)械應(yīng)力，希望發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性不能太硬，即圖3-16中的直線部分有一定的斜度。(4)并網(wǎng)瞬間與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng)，并加裝軟起動(dòng)限流裝置。圖3

8、-16異步發(fā)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系(750kW，4P)(二)電氣特性圖3-17繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性(三)轉(zhuǎn)子電阻的調(diào)節(jié)二、雙饋異步發(fā)電機(jī)及變流器的特性(一)雙饋異步發(fā)電機(jī)及變流器的工作原理(二)發(fā)電機(jī)及變流器的特性(一)雙饋異步發(fā)電機(jī)及變流器的工作原理圖3-18交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(一)雙饋異步發(fā)電機(jī)及變流器的工作原理圖3-19變速恒頻雙饋發(fā)電技術(shù)原理圖(一)雙饋異步發(fā)電機(jī)及變流器的工作原理圖3-20雙饋發(fā)電機(jī)組的功率關(guān)系(二)發(fā)電機(jī)及變流器的特性1.基本關(guān)系2.坐標(biāo)變換3.磁場(chǎng)定向1.基本關(guān)系圖3-21雙饋異步電機(jī)的等效電路2.坐標(biāo)變換由電機(jī)學(xué)的坐標(biāo)變換理論可知，若將在固定軸線(定子)上的電壓、電流和磁鏈變換到旋轉(zhuǎn)的軸線(轉(zhuǎn)子)上來(lái)，可以將電機(jī)中隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角而變化的自感和互感變換成常值，從而使恒速運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電壓方程，從時(shí)變系數(shù)的微分方程變換為常系數(shù)微分方程，進(jìn)而使求解大為簡(jiǎn)化。圖3-22坐標(biāo)變換系統(tǒng)2.坐標(biāo)變換3.磁場(chǎng)定向圖3-23交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制框圖三、永磁同步發(fā)電機(jī)及變流器的特性(一)永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓控制(二)永磁同步發(fā)電機(jī)與變流器的特性(一)永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓控制1.不控整流+直流調(diào)壓+可控