小型风力发电系统中风力机组合风速模型的研究

小型风力发电系统中风力机组合风速模型的研究

0增加运行成本在自然条件下，风的不补偿会导致风的随机波动。对于具有低动态能力的小型发电系统，它们会在短时间内增加储液系统的小循环充电量，缩短使用寿命，增加运营成本。风电机组输出功率的波动主要来源于风轮输出功率的波动,而风轮输出功率的波动来自风电机组运行过程中的非恒定转矩,该转矩的不稳定不但与风速的变化(如阵风、渐变风等)有关,而且还受机组自身固有特性的影响(如塔影效应、风剪切、偏航误差作用等)1风速模型1.1基本风速模型基本组合风速模型是考虑基本风、阵风、渐变风和随机风四种因素的组合,如式(1)所示:式中,v基本风一般设为常数值。在风力机正常运行过程中,基本风速一直存在,它可由风电场测风所得到的威布尔分布参数来近似确定,仿真过程中一般设为某一常数。阵风用于描述风速突然变化的特性,如式(2)所示:式中,t渐变风速描述风速的逐步变化的特性,如式(3)所示:式中,R随机风速描述在指定相对高度上风速变化的随机特性,在Matlab-Simulink软件中可用随机白噪声代替。1.2等效塔影效应风速模型文献式中,v风剪切是指在垂直方向上,风速随高度的增加而增加,对于三桨叶上风向水平轴风力机而言,常用的等效风剪切风速模型如式(5)所示:式中,V塔影效应是由于塔架对气流的堵塞,在塔架的上游和下游都将使来流速度减小,对于三桨叶上风向水平轴风力机而言,等效塔影效应风速模型如式(6)所示:式中,系数图1、图2是分别利用公式(5)、(6)的模型在Matlab/Simulink仿真得出的曲线,仿真过程中设定各参数按照表1中所示的实际数值。通过图1、图2可知,等效塔影效应比风剪切的值要大得多,塔影效应引起的风速波动要大于风剪效应,这两种效应均呈相同周期的波动变化,并且会使风速减小。由于风剪切和塔影效应的存在,风轮扫掠面上的风速不是固定不变的,不但会使输出电压和输出功率产生一定的波动,而且会降低总的输出功率值。2误差、风向作用以及尾流效应的影响基于小型风力机桨距角固定、无偏航系统和单台风力机并不会受到其他风机布局的影响,因此本文不考虑偏航误差、风向作用以及尾流效应的影响。综合自然风特性和小型风机固有特性,本文建立了综合风速模型。为了更真实反应连续变风速情况,将公式(4)中的轮毂处风速用组合风速公式(1)中的基本风、阵风、渐变风和随机风代替,风剪切和塔影效应风速分别用式(5)和式(6)计算,综合风速如式(7)所示:式中,v3实测与仿真数据对比本文结合实地测量风速数据与风速模型仿真出的风速作对比。实验测试地点为内蒙古包头市达茂旗希拉穆仁镇水利部牧区水利科学院研究所,地势广阔平坦属于较粗糙地面类型,本文的风剪切系数近似取α=0.25。图3是根据实际测量数据绘制的风速变化曲线图,采样频率1Hz。图4中的仿真曲线设采样频率1Hz,结果由多次改变阵风和渐变风的各参数得出。本文利用包括四种风速的组合风速代替轮毂处风速,通过对实测与仿真数据进行统计分析,采用绝对误差、相对误差和相关系数两种参数评价仿真与实际的吻合程度。根据如图4仿真曲线的条件得出仿真数据,应用评价标准对仿真数据与实测数据进行分析,实测风速平均值近似取11.32m/s,得出以下结果,如表2所示。由表2的结果可知,相关系数大于0.5,表示实测数据和仿真数据中度相关,并且图4中仿真风速曲线的变化趋势与实测风速基本相同,风速的变化振幅基本类似,因此,通过对仿真数据的统计分析可以验证用包括四种风速的组合风速近似代替轮毂处风速是可行的。由图5可知,加入风剪切和塔影效应后,风速幅值减小,风速加入了周期性的影响,更接近真实风轮旋转时伴有周期风速变化的情况。由图6可知,综合风速模型与实测风速变化趋势相近,由于实际测量中的风速为某一固定测点的值,并不能反映出整个风轮扫掠面风速的综合变化情况,而添加风剪切和塔影效应的影响使风速持续的变化,有利于风轮输出功率波动等问题的研究。在建立风速模型中,应该考虑风速在突变、渐变、随机变化的过程中还伴随着风剪和塔影效应引起的周期性波动变化,因此,若要建立精确的风速模型,风剪切和塔影效应不能被忽略。4组合风速的定义和作用1)通过设定风速数学模型中的各参数,四分量的组合风速模型可以较精确地模拟出实际测量轮毂处的风速变化。本文用组合风速代替轮毂处风速对研究变风速条件下的输出功率分析和风电系统的仿真研究都具有实际意