1、摘 要 随着风力发电 技术的不断革新 和 风电 装机规模的不断增加，风电 行业的发展也不断的面临新的 挑战。 风电场环境的复杂性 、 风能资源的间歇性 以及风况的多样性对风力发电 系统的运行 及其控制提出了更 高的要求。这就需求我们对风电机的运行特性有更加深刻 的了解 ,目的在于 通过对风力发电机 在模拟现实环境的情况下进行建模与仿真，从而更加准确的把握 风电机组的在不同风况下的有功 功率、无功功率出力特性，增强 风电机 组运行的稳定性与可靠性，使风力发电技术的 发展 得到质的飞跃 。 主要研究了 永磁直驱 风 力发 电机 组 的有功 功率、无功功率输出这一 重要特性，通过 调整控制参数对变流
2、器有效控制 ，使得发电机能够在不同风况下 能够最大限度的捕获风能 。通过 学习和 使用 Bladed 软件，对风力发电机进行参数计算和模拟仿真，得出风电机组的出力 特性 ，最后提出一系列功率 优化控制系统控制策略 。 主要运用 Bladed 软件对 2MW 永磁同步 风电机组进行建模，并使用建成的模型对风电机在 风切变、塔影效应以及 不同的风况下的运行进行模拟和仿真，得出风电机组在 风切变、塔影效应以及 不同风况下的有功无功功率输出特性，更加准确的了解风电机组的 出力 特性。 关键词： 风力发电； Bladed；建模仿真； 出力特性； 永磁同步风力发电机 ABSTRACT With the r
3、apid development of renewable energy, people are using the wind energy in a larger scale. However, people are also faced with new problems and challenges. Because of the difficulty in using wind energy and the various conditions of different wind farms, a higher standard is needed for the wind turbi
4、ne and its controlling. Through modeling and dynamic stimulation, we can get a more profound understanding of the characteristics of wind turbines. As a result, we can improve the stability and reliability of wind turbines. This article is mainly focused on the research of the active and reactive po
5、wer of the electrical machinery. Through vector control, the wind turbine can make the most use of wind energy under different circumstances. By modeling and dynamic stimulation based on Bladed, we can get characteristics of the wind turbine. We use bladed to model and stimulate and great emphasis w
6、ill be put on the design of vector control. Through stimulation in wind shear, tower shadow effect and variable wind speeds, we can understand the electrical machinery more about the active and reactive power. As a result, we can understand the wind turbine more thoroughly. KEY WORDS: wind energy, m
7、odeling and dynamic stimulation, Bladed, Output characteristic, permanent magnetic synchronous generator 第一章 绪论 1.1 课题背景 当代世界经济飞速发展，环境、 能源 成为人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以 石油、煤 、天然气为主 ,它们不仅储量 有限 ,而且 其使用会造成 严重的大气污染 和环境破坏 。风能在转换成电能的过程中 ,仅 降低了 来流气体 的速度 ,不会 给大气造成任何 潜在污染。用风能 发电可减少常规能源的损耗 量 ,从而降低 2CO 、 2SO 的排放 量
8、,对 维护 环境和生态平衡 、 改善能源结构具有 伟大 意义。因此 ,开发 利用 可再生能源 ,尤其对风能的开发利用显得更为重要 。 风 力发电设备 是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展 扩张 的基础和保障。 随着风电产业的不断发 展，风电装机规模的不断增加，风电行业也不断 面临着新的问题和挑战。风能资源的间歇性，风电场的复杂环境以及风况 的 多样性对风力发电机 的性能 提出了更高的要求，这就需要我们对风电机 组 的 出力 特性有更加深入的了解。 风力发电机 出力特性 曲线是风力发电机设计中最重要的环节 ,它是评价风能利用率的有效手段 ,又是 设计 风 力发电 机控制系统的基本依据。设计
9、出风机叶片气动外形之后计算其气动性能曲线 ,可以作为对设计结果的评价 ；反之 ， 气动性能计算结果 输出 可以作为反馈 依据 ,为修正叶片气动外形提供 参考数据。为了使得风机在各种工况下 最大 限度地 吸收风能 ,控制系统 (主要是指变桨系统 )也需要借助风机 出力特性 功率 曲线进行相应 的 参数设置。计算风力发电机出力 性能曲线是以空气动力学为基础的。 风电机组的有功功率和无功功率的输出是风力发电机的重要特性，其对风力发电机组的 切出 与 切入 电网有着重要的影响。 相对于双馈发 电机 1500r/min 的额定转速， 多级对数的永磁同步电机以 10 r/min 25 r/min 低速运行
10、，其在几十米高空中 没有 高速旋转 的部件，省去了齿轮箱等高频率 故障元件，发电可靠性得以 有效 提升。因此， 大型永磁同步风力发电机组具有 结构简单 、 直 接驱动 、效率高等优点， 直驱式风机在全国风电场中所占的比重越来越高 。因此，对于 永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真 分析机组有功与无功出力性能越来越凸显其重要性，这 对风电场的规划、设计提供指导，为电力系统稳 定性、可靠性和动态品质的研究提供帮助， 并且能够为各种控制和保护策略的验证提供支持。 1.2 国内外发展现状 依 据 2014 中国风电发展报告， 2013 年全国风电新增装机容量 16089MW，与 2012 年相比增
11、加 3130MW，自 2010 年以来，风电装机数据首次企稳回升。 2013 年全国累计风电装机容量 91413MW。同时， 2013 年全国新增风电并网容量14490MW，累计并网容量 77160MW。全国风力发电量 134.9TWh，是继火电、水电之后的第三大电源。到 2013 年底，全国累计核准风电项目容量 137.65 GW，其中 2013 年全国新核准 413 个风电项目，新增核准容量 30.95GW。 中国风电仍保持着持续发展的后劲，市场预期良好，随着风电产业的不断发展，风电装机规模的不断增加，风电行业也不断面临着新的问题和挑战，风能资源的 间歇性，风电场的复杂环境以及风况的与多样
12、性对风力发电机提出了更高的要求，这就需要我们对风电机的电气特性有更加深入的了解。 国外的风力发电技术起步较早 ,发展较为成熟 ,国内的产业升级加速了风电技术的推进 ,相应标准和设计参考手册的制定标志着国内风电技术进人了高速发展阶段。 英国的 GL Garrad Hassan(GH)公司是世界领先的风能咨询公司。它的业务也包括离岸风电，海洋能和太阳能。 GH公司有 Andrew Garrad 博士和 Unsal Hassan 博士在 1984 年创建并已经在 18 个国家拥有 750 名雇员。公司已经 作为独立工程师为 21,000 MW 的风能项目并实施了超过 80,000 MW 的风能评估。
13、 英国GH公司开发的 bladed 软件在风力发电机组的设计及认证过程中的载荷分析、性能计算结果被德国 劳埃 船级社 (Germanischer Lloyd)认可 ,现已成为工业标准软件之一。 GH Bladed 软件 为用户提供 了 一个陆上、离岸风机性能和负载的设计解决方案。 Bladed 软件具有基于 Windows 的 用户 绘图界面 以及 在线帮助功能，操作方便 简洁 ，同时 其 风机设计计算采用 的是实际 工业标准。 1.3 本文的主要研究内容 本 课题以 2MW 永磁直驱式风电机组为研究对象，对风力发电机的原理，系统结构和 发电机功率输出特性 几个方面进行了由浅入深，逐渐递进的理
14、论分析，对2MW 直驱式风电机组进行建 模仿真以及出力特性分析，针对仿真分析结果提出可行的优化设计方案， 得出结论。本文研究的主要内容有： （ 1） 对永磁直驱风力发电机组的各个环节进行数学分析，建立风 速 模型、风力机模型、机械传动 链 模型、永磁同步 发 电机模型、 全功率变流器模型 ，为后面的仿真研究 做好准备 。 （ 2） 对 Bladed 软件进行深入的学习，了解和掌握该软件的功能和特点，运用软件设定在不同风况下 以及 设置风切变和塔影效 应 对该模型进行仿真， 在Bladed 软件上设置风电机组的各项参数并通过计算得出机组模型的数据和曲线，得出在 风切变、塔影效应以及 设定风况如基
15、本风、渐变风、阵风等情况下风电机的有功无功功率的出力输出特性。 （ 3） 分析不同风况下直流电压波动情况，对风电机组的有功无功功率的出力输出特性进行深入的分析和研究 , 提出 优化控制系统 控制策略， 提高系统最大风能捕获能力，改善有功功率与无功功率的输出，优化机组低电压穿越能力。 第二章 风力机理论基础 2.1 风能捕获原理 由流体力学可知 ,气流的动能为 : 221 mE 其中 , m 为气体的质量 , 为气体的速度； 设单位时间内气流通过截面积为 S 的气体的体积为 V ,则 : SV 如果以 表示空气密度 ,该体积的空气质量为 : SVm 这时气流所具有的动能为 : 321 SE 从风
16、能公式可以看出 ,风能的大小与气流密度和通过风轮的面积成正比 ,与气流速度的立方成正比 .其中 和 随地理位置、海拔、地形等因素而变。 Betz 理论假设风力机 是理想的，即 具有 数量 无限多的叶片 ， 没有轮毂 ， 来流气体通过风力机 时 完全 没有阻力 影响 ； 除 此 之外，假设来流气体 经过整个风轮的 扫掠面积是均匀的，并且 来流气体通过风力机 前后的速度 方向 为 风轮的 轴向方向。 理想 的风轮在流动 大气中的情况， 此处 规定： 1 为气流距离风轮一定距离的上游速度 ， 为 气流通过风轮时的实际速度 ， 2 为 气流离风轮远处的下游速度 ,经推导作用可得出来流气体在风力机上的力
17、和风轮捕获的功率为 ： )(21 22212 SP )(41 212221 SP 最大功率为： 31max 278 SP 将上式除以 来流气体 通过扫掠面积 S 时气流 所具有的动能 ,可以推 导 得 出 风力机的 最大 理论效率 (或称为理想 风能利用系数 )为 : 593.0271621 31maxmax SP 上式即为贝兹 (Betz )理论的极限值。该式 表 明 ,风力 机可以从自然风中所 捕获 的风能 是有限的，其 能量 损失 的 部分可以解释为留在尾流 气体中的旋转动能。能量转换将导致功率 下降，它随所采用的风力机和发电机的形式 与性能 而异。因此，风力机的实际风能利用系数 593
18、.0pC ， 就是说无论外部与内部条件如何，风能的实际利用系数不可能高过 0.593， 风力机实际能得到的有用功率输出是 : pS SCP 3121 2.2 动量 -叶素理论 目前， 运 用于大型风力 发电 机 的叶片气动分析理论包括： 叶素理论 、 动量理论 、 动量 叶素理论 、 贝兹理论 等，其中动量 -叶素理论给出了求解周向诱导因子和轴向诱导因子 的方法，并通过 Wilson 修正 、 普朗特修正 、 Glauert 修正等方法对叶片 气动模型进行修正，是当前 最常用、最成熟的叶片设计方法，其基本公式推导如下 : 根据动量理论，有 ： drrabdM rdraadT 3121)1(4
19、)1(4 根据叶素理论，有 ： rdrCcBdMdrCcBdTtn20202121 根据叶素理论，速度矢量可表示为 ： 001)1(cos)1(sinrba令前两式中的 dT 与 dM 相等，由三式 可得： cossin81sin81 2tnCrBcbbCrBcaa式中， 0 为相对来流速度； 1 为来流风速； a 为轴向诱导因子； b 为周向诱导因子； 为空气密度； c为叶素剖面弦长； B 为叶片数； nC 为法向力系数； tC为切向力系数； dC 为阻力系 数； 为入流角； F 为修正系数。 cossin sincosdltdln CCC CCC 式中， lC 为升力系数。 若考虑普朗特叶
20、尖损失修正因子： s i n2e x pc o sa2 r rRBrF 则控制方程可修正为： c o ss i n81s i n81 2FCrBcbbFCrBcaatn当风力机的 叶片部分进入 涡环状态时，动量方程不再适用，可用以下 的经验公式对动量 -叶素理论进行修正。 （ 1） 当 38.0a 时，采用 Wilson 修正方法。 将 2sin81 FCrBcaa n替代为 ： 22 s i n81 96.05 8 7.0 F CrBca a n （ 2） 当 2.0a 时，采用 Glauert 修正方法。 将 2sin81 FCrBcaa n替代为 ： )1(4a2-122-1221 22
21、 ccc kakaKa 式中 ： nCFBcrk 2sin8 2.0ca 。 考虑风轮锥角的修正。在上述轴向诱导因子 a 和周向诱导因子 b 的计算中，都假设风轮的锥角 为 0。当风轮锥角不为 0时，将 2sin81 F CrBcaa n 替代为 ： cossincos81sincos81 2FCrBcbbFCrBcaatn式中， 为风轮锥角。 上述动量 -叶素理论是进行风力机叶片气动分析与外形结构设计的理论基础，但同时考虑到大型风力机叶片的气动性能不仅与其自身翼型结构和风场 环境 有关，而且与风力发电机组的结构形式和控制方式有关， 考虑求取以上因素的理论分析方程解析解非常困难，本文采用基于动
22、量 -叶素理论的 ladedB 软件进行数值求解与气动分析。 2.3 恒速恒频与变速恒频风力发电机 风 力发 电系统的结构主要可以分为四个部分：风轮机及调速装置、发电机、电力电子变流器和相关组件 的状态监测设备。现在风力发电系统主要是按发电机设备对 应 于风机转速的可调和不可调分为两种类型：一种是恒速恒频的 风力发电机 ，另一种是变速恒频的 风力发电机 。 恒速恒频的风力发电机组在正常运行阶段，主要是靠调速系统 调速 使得发电机的转速稳定在 相应的 同步频率，使得其输出电流也是同步频率，这是现在使用的主要风电机型。恒速恒频风力发电系统的发电机普遍使用同步电机以及鼠笼式感应电机。 使用同步电机能
23、够获得很高的电能质量而且 并网性能好 、 频率稳定 甚至能够不使用无功补偿装置，同时还能向电网吸收和发出无功功率。但是因为风速的变化随机性很强 , 使得电机的转矩有波动，这对调速箱要求很高 ，而且调速系统也很容易损坏。恒速恒频同步发电机系统结构示意图如图 2-1所示。 图 2-1 恒速恒频风力发电机发电系统结构图 变速恒频风力发电机正常运作时，发电机转速随 来流风速的 大小变化而变化，经整流逆变后并网 。目前很大的优势在于其强大的风速适应能力和极高的风能有效利用率；通过有效地 结合变桨距控制方式能够保持风能的高效利用。而且通过改变电力变换器的控制方式，能够吸收或者发出无功功率使得其可以在电网故
24、障时有良好的适应能力 ，全面提高风机的低电压穿越能力 。变速恒频同步发电机系统结构示意图如图 2-2 所示。 图 2-2 变速恒频永磁同步风力发电系统结构图 两种技术相对来说，恒速恒频风电技术目前更加成熟，产业链更加稳定，成本也更加低廉，但是存在其风能利用系数不够高，机械传动环节易 发生 故障，后期维护成本 较 高等问题。变速恒频风电技术其受到的风速限制 范围 小，发电效率比恒速恒频风机能提高 5%到 10%，低电压穿越能力优越，同时结构简单可靠而且后期维护成本低。 按照风场类别的划分，国内 50%的风场都是属于三类风区，这类风区的风速比较低。因此，适用于低风速的永磁直驱风力发电机对我国具有更
25、加重要的意义。 第三章 直驱式同步风力机基本构造与设计原理以及发展现状 3.1 直驱式风 电系统 基本结构 直驱型风力发电系统主要包含风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统、控制系统等。其基本结构如图 3-1 所示： 图 3-1 永磁直驱风力发电系统主要部件结构图 直驱式风力发电系统的风力机与发电机的转子直接藕合 ,所以发电机的输出端电压、频率随来流风速的变化而变化。要实现风力发电机组的并网 ,需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。其基本原理是首先将风能转化为幅值和频率变化的交流电 ,再经整流之后变为交流 ,然后经逆变器变换为三相频率恒定的交流电送入电网。通过中间的电力电子
26、变换环节来对系统的有功和无功功率进行控制 ,以达到最大风能追踪的目的。 3.2 直驱式风力运行发电原理 直驱式风力发电机由风的动能 直接驱动发电机，这种发电机采用的方式 就是所谓的直驱式 。风电机组通过将风轮吸收的风 运动的动 能转换成风轮旋转的机械能，直接驱动永磁同步发电机（ PMSG） 的转子，永磁体转子旋转产生与发电机定子有相对运动的磁场，定子切割旋转磁场，定子绕组中感应交流电动势，其频率60npf 。 由于风速的不稳定性， n 也不是稳定的数值，这时，定子交流感应电动势经由与定子相连的四象限背靠背双 PWM 全功率变流器整流转为直流电，最后通过逆变器转换为与电网频率、相位、电压一致的交
27、流电并入电网。通过中间的电力电子变换环节来对系统的有功和无功功率进行控制 ,以达到最大风能追踪的目的。 3.3 相比较传统风电系统而言 ,直驱系统有如下优点： （ 1） 发电效率高： 直驱永磁风力发电机组为叶轮直接驱动永磁发电机发电，无需电励磁，减少了电能损耗；没有齿轮箱等中间部件，传动链短，减少了传动损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率更高。 （ 2） 可靠性高： 齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。 （ 3） 并网性能优异： 直驱永磁风力发电机组采用交流 -直流 -交流的全功率变流模式，风机侧电能与网侧电能隔绝，可按用户需要提供性能稳定的高品质电能；同时具有低电压穿越能力，可在电网干扰期间保持接入电网，更加符合电网的要求。 （ 4） 所需备件及消耗材料较少 ： 采用无齿轮 箱 直驱技术可减少风力发电机组零部件 的数量，避免齿轮箱油 定期更换，降低了运行维护成本。 3.4 永 磁直驱风力发电机的发展 相对双馈式发电机来说永磁直驱风力发电机无论是叶片还是发电机本身其体积都很大，而且其工作过程更加依靠风力机的空气动力性能，因此需要非常良好的设计，但是这方面的研究难度比较大。 永磁直驱风力发电机需要将 频率变化的电流转换为频率等于电网频率的 电
