第2章 風力機的氣動和機械系統建模

2.1 概述

風在通過風力機時會產生升力，驅動風輪旋轉，從而可利用風力機將風能轉化為機械能。該過程的分析涉及空氣動力學和流體力學，對其準確建模需要采用葉素理論，利用葉片的幾何尺寸等參數，對葉片各處受力進行詳細計算，其數學建模較為復雜。當主要關心風力發電機組并網的電氣特性時，通常采用簡化的建模方法建立風力機的氣動模型。

風力發電并網對電力系統的擾動來源于風速的隨機性和波動性，研究風電場動態特性、并網運行及調度管理等問題需建立與之相適應的風速模型，從而為風力發電系統的仿真研究提供正確的源參數。風速模型可采用基于實測值的風速序列，其優點是用真實的風速來仿真風力機的性能，缺點是需要大量實測數據。如果某風速范圍內沒有滿足特性要求的實測風速序列，仿真就不能進行，為了使風速的建模更為準確，本章采用數值模擬的方法，通過對相應參數賦予合適的值來模擬不同特性的風速，其中風速的模型主要包括威布爾分布風速模型和組合風速模型。

風力機的氣動模型體現了捕獲的機械轉矩與風速、轉速及槳距角的關系。在介紹基本的風力機氣動特性的基礎上，根據風能利用系數特性曲線給出了風力發電機的功率和轉矩的模型。

風力機的機械系統是指機械傳動系統，由旋轉部分和連接軸組成，非直驅機組還包括齒輪箱。由于風力機風輪與發電機之間通過剛度較低的軸系相連，與傳統發電廠的軸系系統相比，風力機的軸系相對較軟，故雙質塊模型更能全面地模擬風力機的軸系特性。由于齒輪箱慣性相對較小，通常被忽略不計，雙質塊分別表示風力機風輪和發電機轉子。本章將介紹描述機械系統的集中質塊模型和雙質塊模型。