风力发电机组系统建模与仿真研究

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染,施工周期短,投资灵活,占地少,具有较好的经济效益和社会效益。在目前技术条件下风电与火电、水电相比从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势,我国风电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距。国内对风电机组系统设计技术的研究十分薄弱,风电机组的大型化、变桨距控制、变速恒频等先进风电技术还远未解决,致使我国大型风力机几乎全部为进口产品。因此,深入研究风力发电机组系统设计技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。目前,风力发电机组的研究难点是风电机组大功率、高可靠性、高效率、低成本。为攻克这些难点,国内外的研究热点是系统优化设计和先进控制策略。由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统,因此,系统建模分析是风力发电机系统设计的关键。本论文是重庆市重大科技攻关项目“风电机组系统设计分析技术”的前期预研,针对风电机组系统建模的相关问题从风电机组的空气动力学理论、系统非线性数学模型、系统结构动力学分析及系统实现最大风能捕获控制策略进行了研究。主要内容包括: ①研究了空气动力学理论和方法。空气动力学理论是风力发电机组建模和分析的关键,目前风力发电机组常用的空气动力学计算理论是叶素动量理论,但是,叶素动量理论不能考虑由空气质量引起的风速滞后效应。针对这一缺陷,本文将应用于直升机悬翼空气动力学计算的两种理论Pitt-Peter理论和GDW理论用于风力发电机的空气动力学计算。在分析比较了直升机旋翼和风力发电机组风轮的差异基础上,根据风轮的自身独特的特点,对这两种理论进行了修正,提出了基于该理论的风轮空气动力学计算方法,并且应用Matlab simulink编制计算分析程序。然后以某600千瓦风力发电机组为对象,对其空气动力学性能进行了分析,并将分析结果同国际权威风电机组分析软件Bladed分析结果进行了比较,结果很接近。这表明经过本论文修正后的Pitt-Peter理论和GDW理论不仅可以用于风力发电机组空气动力学分析中,而且相对叶素动量理论分析结果更加准确。 ②建立了描述风电机组传动链系统动态特性的非线性数学模型。研究了目前国际上流行的风电机组传动链布置形式,总结了其特点,并按国际风力发电机组权威认证规范IEC标准建模,保证了数学模型的规范性和通用性。在该非线性数学模型的基础上,应用Matlab simulink建立了系统的仿真分析模型。同时对某600千瓦风力发电机组进行了系统性能仿真分析,将分析结果同国际权威软件Bladed分析结果比较,其结果很接近,验证表明该数学模型可以用于风电机组系统性能仿真分析。 ③风力发电机组结构动力学联合仿真分析。由于单独使用一种分析方法不能考虑到风轮结构和气动载荷的耦合关系,分析出的结果准确性将受到影响。针对这一问题,本文将联合仿真技术引入风电机组结构动力学分析中。该分析方法考虑到了风电机组结构的气弹性问题,即将用Matlab计算的气动力和用ADAMS计算的结构变形相互耦合。仿真情况更接近于实际风电机组的工作情况,计算精度较好。将该联合仿真技术对某600千瓦风力发电机进行了结构动力学分析。分析表明,该方法能较好的模拟风力发电机组的结构动力学特性。但是由于仿真模型计算精度较高,考虑的自由度较多,计算耗时较长。针对仿真分析方法的这一局限性,本文在应用联合仿真技术计算出一系列样本工况后,采用人工神经网络方法对风电机组结构动力学性能进行分析预测。分析表明,采用仿真分析与人工神经网络相结合的方法对风力发电机组结构振动进行分析和预测,可以减少振动分析的时间,保证预测精度,弥补单独使用仿真分析方法的局限性。 ④将本文所建立的传动链系统分析模型应用于风电机组的功率控制策略研究分析中。在研究风能最大捕获原理的基础上,研究了国际常用的四种风电机组控制策略,定性地总结比较了它们各自的优缺点。并以某600千瓦风力发电机组为研究对象,采用本文建立的系统分析仿真模型,分析其在采用不同控制策略下的发电性能,定量地比较了各种控制策略的优缺点。分析结果比较表明,采用变速变浆距控制策略的风电机组发电品质相对采用其它控制策略的风电机组发电品质更好,验证了模型的正确性,表明采用本文建立的传动链系统模型可以应用到大型风电机组的性能仿真和控制策略研究上,从而指导风电机组的总体设计。