第2章 風(fēng)力機的氣動和機械系統(tǒng)建模

2.1 概述

風(fēng)在通過風(fēng)力機時會產(chǎn)生升力，驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，從而可利用風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。該過程的分析涉及空氣動力學(xué)和流體力學(xué)，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(shù)，對葉片各處受力進行詳細計算，其數(shù)學(xué)建模較為復(fù)雜。當(dāng)主要關(guān)心風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)的電氣特性時，通常采用簡化的建模方法建立風(fēng)力機的氣動模型。

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

風(fēng)力機的氣動模型體現(xiàn)了捕獲的機械轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速、轉(zhuǎn)速及槳距角的關(guān)系。在介紹基本的風(fēng)力機氣動特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)特性曲線給出了風(fēng)力發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩的模型。

風(fēng)力機的機械系統(tǒng)是指機械傳動系統(tǒng)，由旋轉(zhuǎn)部分和連接軸組成，非直驅(qū)機組還包括齒輪箱。由于風(fēng)力機風(fēng)輪與發(fā)電機之間通過剛度較低的軸系相連，與傳統(tǒng)發(fā)電廠的軸系系統(tǒng)相比，風(fēng)力機的軸系相對較軟，故雙質(zhì)塊模型更能全面地模擬風(fēng)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(zhì)塊分別表示風(fēng)力機風(fēng)輪和發(fā)電機轉(zhuǎn)子。本章將介紹描述機械系統(tǒng)的集中質(zhì)塊模型和雙質(zhì)塊模型。