2MW直驅式風電機組建模答辯課件

2MW直驅式風電機組建模仿真與出力特性分析導師姓名：田德姓名：邱雨微學號：1111540116班級：風能1101班時間：2015年6月17日研究任務圍繞2MW直驅式風電機組的基本結構和設計基本原理，運用GH-Bladed軟件對2MW直驅式風電機組進行建模，對所建模型分別在風切變、塔影效應、不同風況下仿真得出其出力特性，針對仿真結果進行分析并且提出可行的優(yōu)化設計方案，得出結論。設計流程課題背景國內外發(fā)展現(xiàn)狀主要研究內容2MW直驅機組基本構造與設計原理以及發(fā)展現(xiàn)狀2MW直驅機組數(shù)學模型風速模型風力機模型傳動鏈模型永磁直驅發(fā)電機模型全功率變流器模型Bladed軟件對機組模型的仿真軟件操作的簡要介紹穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的出力特性分析風切變和塔影效應對葉片的影響湍流風況下的出力特性分析極端風況下的出力特性分析結論分析與優(yōu)化設計方案提出目錄2MW直驅式風電機組現(xiàn)已成為國內外風力發(fā)電行業(yè)的主流機型，通過對2MW直驅式風電機組進行建模仿真以及出力特性分析，為2MW直驅式風電機組的優(yōu)化設計提供必要的理論基礎。選題背景國內外發(fā)展現(xiàn)狀風電市場中直驅式風電機組的單機容量持續(xù)增大金風科技與德國Vensys公司研制的1.5MW直驅機組安裝上千臺在風電場金風科技有限公司研制的2.5MW直驅式風電機組已經批量投放國內外市場2013年新增大型風電機組中，永磁直驅式風電機組約占31%湘電公司的2MW直驅風電機組也已大批量進入市場國內外發(fā)展現(xiàn)狀直驅式機組新型設計與控制技術策略全功率變流器d-q軸解耦控制高效調節(jié)有功與無功功率提高機組低電壓穿越能力轉矩與槳距角的協(xié)調獨立變槳控制實時追蹤最大風能利用率低轉速變速恒頻發(fā)電技術高效利用風能永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)基本結構風力機與發(fā)電機轉子直接藕合，輸出電壓頻率隨風速的改變而改變。風力機吸收風能將其轉換成幅值、頻率改變的交流電能。定子側變流器整流交流電能為幅值、頻率不變的直流電。網(wǎng)側逆變器變換直流電為滿足機組并網(wǎng)條件的交流電饋入電網(wǎng)。全功率變流器解耦控制系統(tǒng)有功功率和無功功率輸出，達到捕獲最大風能的目的。GH-Bladed風切變和塔影效應對葉片的影響風切變是指穩(wěn)定狀態(tài)下在垂直方向上平均風速隨高度變化的現(xiàn)象。Bladed軟件中對風切變的定義有兩種方式，即指數(shù)模型和對數(shù)模型，其目的是能夠對風切變進行建模，用來計算不同高度處的風速，以及對機組的影響。指數(shù)模型采用風切變指數(shù)對風切變定義：風切變和塔影效應對葉片的影響塔影效應是由于塔架的存在而導致的穩(wěn)態(tài)平均風場畸變的現(xiàn)象。Bladed中描述塔影效應可以用三種不同的模型，即潛流模型、經驗塔尾跡模型和組合模型。第一種模型適用于運行在上風向的風力機，而后兩種模型則適用于下風向運行的風力機。故本文采用潛流模型如圖所示。風切變和塔影效應對葉片的影響軟件仿真分別輸出在有風切變和塔影效應及無風切變塔影效應兩種情況下葉片力矩圖譜和發(fā)電機輸出功率圖譜。為了排除其他條件對葉片的影響，選用不隨時間變化的定速風模型，風速設定為12m/s。在

軟件的主界面下，打開Wind模塊，選擇Towershadow標簽，為了效果明顯，取修正因子取2；選擇windshear標簽，取風切變指數(shù)為0.2.風切變和塔影效應對葉片的影響方向的擺振載荷隨時間周期性變化，且曲線光滑，說明葉片所受載荷均勻變化。在有風切變和塔影效應時，葉片所受載荷也呈現(xiàn)一種周期性變化，但是每個周期有很大波動，所受載荷也比無風切變和塔影效應時大，其中擺振載荷更加明顯，且擺振載荷瞬時變化劇烈而出現(xiàn)毛刺。風切變和塔影效應對葉片的影響定速風12m/s下的發(fā)電機輸出功率，在2MW數(shù)值處趨于平穩(wěn)，曲線光滑，說明機組輸出功率穩(wěn)定不受影響。在有風切變和塔影效應時，發(fā)電機功率輸出有明顯的波動，且頻率較高，平均輸出功率值也比定速風情況下要小。風切變和塔影效應對葉片的影響由以上分析可見，風切變與塔影效應對機組影響顯著。隨著機組大型化發(fā)展，塔架高度和風輪的直徑越來越大，風切變與塔影效應對機組造成的影響也越來越明顯。在整個風輪面上因為有風切變與塔影效應的作用，導致風速變化。作用在風輪葉片上的氣動載荷表現(xiàn)為周期性的變化，對機組出力特性、振動、疲勞、穩(wěn)定性等影響需要十分重視。結論：以定子電流前饋的方式結合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制定子電流與發(fā)電機有功功率輸出有相同的變化趨勢，電網(wǎng)發(fā)生故障時，機組槳距角調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應時間通常在幾百毫秒級別，對于毫秒級發(fā)生的電網(wǎng)短路故障而言，釆用變槳調節(jié)限制發(fā)電機輸出的有功功率是不現(xiàn)實的。因此，采用以定子電流前饋PI控制的方式結合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制不僅可以彌補變槳控制在相應時間上的不足優(yōu)化控制機組的功率輸出，同時獨立槳葉控制又可以減弱風切變與塔影效應對機組在突變風速下的載荷與功率的影響。結論：以定子電流前饋的方式結合獨立槳葉控制方案優(yōu)化變槳控制湍流風況下的出力特性分析經計算，可得風速與電功率隨時間的變化曲線如下圖所示：湍流風況下的出力特性分析湍流風況下的出力特性分析10m/s極端風況下的出力特性分析經計算，可得風速與電功率隨時間的變化曲線如下圖所示：10m/s極端風況下的出力特性分析10m/s極端風況下的出力特性分析結論：并網(wǎng)運行控制策略結論：并網(wǎng)運行控制策略2MW直驅永磁風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行控制策略在故障過程中釆用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率通過有功功率前饋在網(wǎng)側控制直流電壓穩(wěn)定通過機側和網(wǎng)側無功功率的比較，在網(wǎng)側完成無功功率的調控

在故障過程中采用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率

在故障過程中采用限制發(fā)電機定子電流的方式限制發(fā)電機輸出有功功率

結論：并網(wǎng)運行控制策略

通過有功功率前饋在網(wǎng)側控制直流電壓穩(wěn)定

通過定子d、q軸電流分量與網(wǎng)側d、q軸電流分量經過PI變換后，將其經過SVPWM調制成變流器指令，完成有功功率、無功功率和直流電壓控制。通過機側和網(wǎng)側無功功率的比較，在網(wǎng)側完成無功功率的調控

電網(wǎng)發(fā)生故障時，釆用變槳調節(jié)限制發(fā)電機輸出的有功功率是不現(xiàn)實的。由于發(fā)電機電流的動態(tài)調節(jié)時間能夠控制在數(shù)十毫秒以內，因此在故障期間釆用限制發(fā)電機轉矩電流的方式來限制發(fā)電機的電磁功率，從而達到限制發(fā)電機輸出有功功率的目的。保證機組并網(wǎng)時在風速突變和電網(wǎng)故障情況下對有功功率、無功功率、直流電壓的控制。因