第三章风力发电机组的特性分析剖析

1、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-曲线五、CT-曲线六、KP-1/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-曲线一、风力机的特性图3-2定桨距风力机的-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

2、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

3、的-曲线三、实度对风力机特性的影响四、CQ-曲线图3-5不同叶片数量情况下的-曲线五、CT-曲线图3-6不同叶片数量情况下的-曲线六、KP-1/曲线图3-7-1/曲线六、KP-1/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

4、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-Twtr=Jechd/dtTwtr=Twtr/Kgear2Jech=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

5、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=k+B(T、k、B、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：Twtr=Jwtrdwtrdt+De(wtr-gen)+kse(wtr-gen)dwtrdt=wtr-Tgen=Jgendgendt+Degen-wtr+kse(gen-wtr)dgendt=gen(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，Jwtr为叶轮折算

6、到高速轴的转动惯量，Twtr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，De为系统阻尼粘性系数，kse为系统等效刚度。此外，还可定义wtr为折算到高速轴的叶轮角速度，gen为发电机角速度，wtr为折算到高速轴的叶轮角位移，gen为发电机角位移。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、两质块柔性轴模型第三节发电机及变流器的特性一、普通异步发电机的特性二、双馈

7、异步发电机及变流器的特性三、永磁同步发电机及变流器的特性一、普通异步发电机的特性(一)机械特性(二)电气特性(三)转子电阻的调节一、普通异步发电机的特性图3-14异步电机的等效电路(一)机械特性图3-15异步电机电磁转矩-转差率的关系曲线(750kW，4P)(二)电气特性(1)发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。(2)大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦。(3)风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机的机械特性不能太硬，即图3-16中的直线部分有一定的斜度。(4)并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置。图3

8、-16异步发电机功率和转差率的关系(750kW，4P)(二)电气特性图3-17绕线转子异步发电机转矩-转速调节特性(三)转子电阻的调节二、双馈异步发电机及变流器的特性(一)双馈异步发电机及变流器的工作原理(二)发电机及变流器的特性(一)双馈异步发电机及变流器的工作原理图3-18交流励磁变速恒频风力发电系统(一)双馈异步发电机及变流器的工作原理图3-19变速恒频双馈发电技术原理图(一)双馈异步发电机及变流器的工作原理图3-20双馈发电机组的功率关系(二)发电机及变流器的特性1.基本关系2.坐标变换3.磁场定向1.基本关系图3-21双馈异步电机的等效电路2.坐标变换由电机学的坐标变换理论可知，若将在固定轴线(定子)上的电压、电流和磁链变换到旋转的轴线(转子)上来，可以将电机中随转子转角而变化的自感和互感变换成常值，从而使恒速运行时电机的电压方程，从时变系数的微分方程变换为常系数微分方程，进而使求解大为简化。图3-22坐标变换系统2.坐标变换3.磁场定向图3-23交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向矢量控制框图三、永磁同步发电机及变流器的特性(一)永磁同步发电机的电压控制(二)永磁同步发电机与变流器的特性(一)永磁同步发电机的电压控制1.不控整流+直流调压+可控