CN103488804B - 定速定桨风机并网功率模型建模方法 - Google Patents

Abstract

定速定桨风机并网功率模型建模方法。本发明公开一种变桨风力发电机组轮毂与低速轴连接处的最优阻力矩动态优化方法。本发明通过等效推导，推导出在低于额定风速下风力发电机组动态阻力矩优化设计方法，并给出解析表达式。该方法通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，有效的提高风轮转速动态响应能力。相对于目前的普遍采用的自寻优方法明显降低由转动惯量巨大导致的最大功率追踪动态响应性能降低的影响，同时并不改变传统自寻优追踪控制的稳态精确追踪性能，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

Description

定速定桨风机并网功率模型建模方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及定速定桨风机并网功率模型建模方法。

背景技术

并网型风力发电机组是目前风能大规模利用的主要设备,由于并网风电装机容量占电网总装机容量的比例逐步增大，风电装机对电网性能的影响已成为目前研究的重要课题，而风电并网引起的接入点电压闪变特性是目前研究风电并网电能质量的主要研究点之一。

对于电力系统而言，风电场或风力发电机组在其接入点往往被等效为功率源，因此建立风电系统并网功率全局通用仿真模型是研究并网电能质量特性的关键研究基础。

风力发电系统是典型的大系统，涉及到空气动力学、机械传动、电机学、自动控制等众多学科，由于多学科的交叉性，长期以来，针对定量描述风电并网功率特性的全局通用仿真模型的建模一直未能取得突破性进展。

目前研究风电并网相关课题往往是在假设并网功率源功率特性情况下进行的，研究成果并不能精确的匹配实际运行工况。

定速定桨风力发电机组由于其结构简单、性能可靠等优点在风电发展过程中的相当长时间占据主导地位，尽管目前MW级变速变桨风机成为风能设备的主流产品，但是在已投入并网运行的风电场中定速定桨风力发电机组所占的份额仍然不可忽视。因此研究定速定桨风力发电系统在闪变频域段内的并网功率特性，建立其并网特性全局通用仿真模型对于研究风电系统并网电能质量特性具有重要的指导意义。

发明内容

本发明提出一种定桨风机并网功率模型建模方法，该方法利用定速定桨风机转速基本恒定的特点，通过在其工作转速附近进行线性化的方法，利用等效滤波器的方式建立定桨风机并网功率滤波器模型。

本发明的技术方案是定桨风机并网功率模型建模方法。

风轮是风力发电机组将风能转化为机械能的装备，由于风轮巨大的转动惯量，转化的风功率中相对高频信号被风轮吸收掉，从而导致风轮的加速减速，而相对低频的能量通过传动环节传递到发电机转化为电能输出。假设传动环节为刚性环节，考虑传动能量损失，则能量转化关系可以表示为：

（1）

式中

表示气动功率;

表示并网有功功率;

表示传动损耗功率, 表示传动效率；

表示低速轴等效转动惯量;

表示低速轴转速。

而风轮吸收的能量可以表示为：

（2）

并网有功功率可以表示为：

（3）

其中

;

;

表示刚性齿轮箱传动比;

表示风轮气动力矩;

表示发电机电磁力矩；

表示发电机转速。

如图1所示，异步电机转速与电磁力矩呈现非线性关系，由于异步工作转速始终保持在额定转速附近，故在其异步电机任意工作点附近较小的邻域内，电磁力矩可以近似线性化为：

（4）

式中

表示在处的导数。

将式(4)代入式(3)，方程两边同时求导可得：

（5）

联立式(1-5)可知，定速定桨风力发电机组在工作点附近的邻域内并网有功功率与风轮气动功率的滤波特性可近似等效为：

(6)

式中，当传动效率为常数时，并网有功功率与风轮气动功率的滤波特性可表示为线性滤波环节。

对于风功率风轮气动功率为：

(7)

将式(7)代入式(6)可得，如图3所示，输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数为：

(8)。

由(8)可知，滤波器时间常数与传动效率、选取的工作点转速以及电机力矩特性有关，与风轮的气动特性无关；滤波器增益正比于传动效率和风能利用系数。在实际运行过程中，当风速发生变化时，由于传动效率和风能利用系数均会随工作点发生变化，因此输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数具有非线性变化特性。

当10分钟平均风速一定时，瞬时风速可以描述为在十分钟平均风速附近波动。由于风轮巨大的转动惯量，风力发电机组基本可以保持在稳定的工作点附近较小的邻域内工作。此时由于传动效率和风能利用系数均近似为常数，则输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数可以近似认为在较短时间段内为线性环节。

由于异步发电机功率因数角随转差率的变化可以表示为：

(9)。

则异步电机吸收的无功功率为：

(10)

式中

表示定子绕组电阻;

表示定子绕组漏电抗;

表示归算后的转子绕组电阻;

表示归算后的转子绕组漏电抗;

表示旋转磁场的同步角速度。

联立式(8-10)，如图4所示，输入风功率与定速定桨风力发电机组发出无功功率的等效滤波传递函数为：

(11)。

附图说明

图1某异步发电机电磁力矩随转速变化曲线；

图2某风机风轮气动特性曲线；

图3某风力机有功等效滤波器参数变化曲线；

图4某风力机无功等效滤波器参数变化曲线。

具体实施方式

异步电机转速与电磁力矩呈现非线性关系，在其工作点附近较小的邻域内，电磁力矩可以按照以下方法近似线性化表述：

定速定桨风力发电机组一般采用鼠笼式异步电机，由异步发电机特性可知，在同步转速附近，电磁力矩对转差率变化响应十分灵敏。因此当风力发电机组外部风速发生变化时，利用异步电机电磁力矩特性可以确保风力发电机组在全工况工作环境下都保持在同步转速附近工作。

根据异步电机的型等效电路，由于激磁阻抗远大于定子侧和转子侧的漏阻抗，所以近似认为激磁支路开路。同时假设电机转差率与电磁力矩在时间轴上完全同步，则电磁力矩可以表示为：

(12)

式中

表示电机相数;

表示电机极对数;

表示定子侧电压;

表示定子侧频率;

表示定子绕组电阻;

表示定子绕组漏电抗;

表示归算后的转子绕组电阻;

表示归算后的转子绕组漏电抗;

表示旋转磁场的同步角速度;

表示高速轴转速。

由式(12)可改写为转速与电磁力矩的关系：

(13)。

由于异步工作转速始终保持在额定转速附近，故在其异步电机任意工作点附近较小的邻域内，电磁力矩可以近似线性化为：

(14)

式中

表示在处的导数;

可以通过对式(13)求导后求得，也可以通过数值方法求得。

风功率,可以按照以下方法计算：

(15)

式中

表示瞬时风速；

表示风轮扫风面积；

表示空气密度。

Claims (2)

1.定速定桨风机并网功率模型建模方法，其特征是利用定速定桨风机转速基本恒定的特点，通过分析风轮气动特性、转动方程及电机电磁力矩变化特性相关因素，在其工作转速附近进行线性化的方法，利用等效滤波器的方式建立定桨风机并网功率滤波器模型，其具体特征在于并网有功功率P_e与风轮气动功率P_b的滤波特性在任意工作点(ω₀,T_e(ω₀))附近较小的邻域内可近似等效为：

$\frac{P_e\left(s\right)}{P_b\left(s\right)}\≈\frac{\mathrm{\η}}{\frac{J\mathrm{\η}}{N^2}\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2K_1{\mathrm{\ω}}_0+K_2}s+1}$

式中

ω₀表示发电机转速工作点；

T_e(ω₀)表示电磁力矩；

T′_e(ω₀)表示T_e(ω₀)在ω₀处的导数；

J表示低速轴等效转动惯量；

N表示刚性齿轮箱传动比；

η表示传动系统传动效率；

其中

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1={T_e}^{\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)\\ K_2=T_e\left({\mathrm{\ω}}_0\right)-{T_e}^{\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right){\mathrm{\ω}}_0\end{array}\right.;$

输入风功率P_v与并网有功功率P_e在任意工作点(ω₀,T_e(ω₀))附近较小的邻域内的等效滤波传递函数为：

$\frac{P_e\left(s\right)}{P_v\left(s\right)}\≈\frac{{\mathrm{\ηC}}_p}{\frac{J\mathrm{\η}}{N^2}\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2K_1{\mathrm{\ω}}_0+K_2}s+1}$

式中

C_P表示风能利用系数。

2.根据权利要求1所述的定速定桨风机并网功率模型建模方法，其特征在于输入风功率P_v与定速定桨风力发电机组发出无功功率Q_e在任意工作点(ω₀,T_e(ω₀))附近较小的邻域内的等效滤波传递函数为：

$\frac{Q_e\left(s\right)}{P_v\left(s\right)}\≈\frac{\frac{-(x_1+{x_2}^{\′})}{r_1+{r_2}^{\′}{\mathrm{\ω}}_s/({\mathrm{\ω}}_s-\mathrm{\ω})}{\mathrm{\ηC}}_p}{\frac{J\mathrm{\η}}{N^2}\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2K_1{\mathrm{\ω}}_0+K_2}s+1}$

式中

r₁表示异步电机定子绕组电阻；

x₁表示异步电机定子绕组漏电抗；

r₂′表示归算后的异步电机转子绕组电阻；

x₂′表示归算后的异步电机转子绕组漏电抗；

ω_s表示异步电机旋转磁场的同步角速度。