风力发电机组数字仿真研究

毕业设计[论文]题目：风力发电机组数字仿真研究院系：水电与数字化工程学院专业：水利水电工程姓名：学号：指导教师：1风力发电机组数字仿真研究开题报告一、课题来源武汉能事达电气公司风电研究项目。二、目的及意义能源、环境日益成为社会各界关心的重要问题，清洁与可再生能源的研究与应用也成为了各国科学研究的热点。风力发电由于其清洁性、投资快速性等明显优势，在近几十年获得了快速的发展。但在目前技术条件下风电与火电、水电相比，也在电能质量、发电成本、机组设备制造和控制技术等方面存在劣势。目前，为了攻克风电机组大功率、高可靠性、高效率、低成本的研究难点,国内外的研究都主要致力于系统优化设计和先进控制策略。由于风电机组是一个受工况影响较大的非线性不稳定系统，因此，在风力发电机组优化设计（包括对机组自身动态特性、暂态过程的研究）和先进控制系统的研究设计过程中，都需要采用计算机数字仿真方法建立风力发电机组的模拟系统，这样不仅可以使风电机组实验不受气象条件的限制，加速产品研究的进程，还可以大幅度地节省开发费用，提高设计水平。另外，为了避免对真实机组重复做一些破坏性试验，也需要建立与风力发电机组运行特性相吻合的仿真模型，以代替真实机组预演破坏性试验的过渡过程，并通过获得的试验数据来分析控制系统的性能。据统计，2007年我国除台湾省外新增风电机组3155台，新增装机容量330.4万kW，使得我国除台湾省外风电机组总装机容量达590.6万kW，如此之高的增长率可见风力发电的强劲发展势头。在通常使用的风力机组中，基于双馈型感应发电机(DFIG)的变速风电机组作为一种非常经济的变速恒频风力发电方案，目前已经成为兆瓦级风力发电机组最普遍采用的形式。因此，在风力发电机组仿真实验平台项目中，本文选用的建模对象就是使用双馈异步发电机的风力发电机组。同时为了最大限度地利用风能,并使风电机组的运行满足电网对功率因数的要求，本文对变速恒频风力发电有功和无功功率的解耦控制技术也进行了仿真研究2三、国内外研究现状为了对风电机组进行研究，首先必须建立相应的数学模型，以描述整台风力发电机组的动态行为。此模型应能描述整个机组所有的基本动力学特性，而且还必须适合于控制目的。典型的使用双馈异步发电机的风力发电机组模型构成如下图所示：经过实验室师兄们的努力，上述模型已经开发出来并基本投入了使用。但在已经开发出来的风电机组仿真实验平台中，变速器模型（传动系统模型）采用的是传统简单的集总质量块模型，把发电机组看成刚性连接，风力机与发电机等效为1个质量块。这种模型中，假设传动轴的刚度为无穷大，轴扭转sθ设为0。而实际上，现代大部分的兆瓦级大中型风电机组轴总刚度比常规发电设备要低30~100倍，轴系柔性的影响不可忽略。连接风电机组各部分的轴系在风力机侧承受机械转矩aT,在发电机侧承受发电机的电磁场产生的电磁转矩eT。传动轴刚度不为无穷大时将承受扭矩sθ。随着轴两侧转矩的变化，轴系会产生扭曲或松弛。在进行电力系统稳定性研究时，有文献指出，轴系扭曲这种动态变化可以导致发电机转速的波动（在轴系的发电机端）。对于双馈异步感应发电机，在机械（发电机转速）与电气参数（有功和无功功率）间存在强耦合。与电网的机电互作用表现为电压、发电机电流、有功和无功功率以及风电机组和电网其他电气参数的波动。因此，对实际使用的大型变速恒频风力发电机组需要采用一种更加精准的传动系统模型来进行建模。由于双馈异步发电机（DFIG）的运行状态和控制策略都是通过控制转子励磁风速模型风力机模型变速器模型发电机模型变距机构模型aTvbTbnefβ双馈控制模型cf∗n∗βeT−偏航机构模型FuFφ3来实现的，所以DFIG励磁控制技术和控制策略是变速恒频风力双馈发电机最基本的关键控制技术。在已经实验室已开发出的仿真平台中，双馈异步发电机控制模型是一个静态环节，忽略了功率控制的动态过程，直接令发电机电磁转矩实际值等于给定值，对无功功率则没有控制。对于并网型风力发电机，目前通常采用定子磁场定向的矢量控制方法，将同步旋转坐标系统的d轴与双馈发电机的定子气隙磁场矢量重合，推导出基于定子气隙磁场定向的双馈发电机稳态下有功、无功解耦的励磁控制模型。这个矢量控制模型可以通过变换器改变转子电流的幅值和相位，控制DFIG的有功和无功功率输出，从而实现风力发电机组的最大风能捕获和对所并电网功率因素的调节。因此，在本毕业设计中，将对DFIG的定子磁场定向矢量控制模型进行建模研究。（1）传动系统建模研究现状在一般的风力发电机组中，风力机和发电机之间的变速传动装置（通常为齿轮箱）是必不可少的，这给轴系带来了很大柔性，并产生了机组动态过程中扭矩振荡的问题，同时也对电气动态过程产生一定的影响。目前国内外对风力发电机问题有一定关注，也提出了不同的传动系统模型。文献[1]尝试用实验数据辨识的方法建立风力机的动态模型，但是其建立的传递函数模型很难与电机的微分方程模型接口，故未发展成为主要的建模方法。而机理建模的方法则应用较为广泛，见诸报道的机理建模主要基于等效集中质量模型方法，这样建立起来的模型与汽轮发电机轴系模型非常类似，典型的风力发电机组轴系一般等效为2至3个质量块。文献[2]应用等效集中质量法，建立了同时考虑风力机叶片弯曲柔性以及风力机和发电机之间传动轴扭转柔性的风力机3个质量块等效模型。结合并网笼型异步发电机的电磁暂态模型，以额定功率330kW(MADE-AE30)和3MW的风力发电机组为例，在电网电压骤降和机械大扰动下，与风力机传统1个、2个质量块等效模型的机组暂态稳定性进行了仿真比较。分析了叶片不同弯曲柔性、不同折断点位置对3MW风电机组电暂态稳定性的影响。结果表明，该文建立的风力机等效模型对准确分析风力发电机组暂态稳定性，特别是3MW大型风电机组是必要和有效的。但与单质量块和两质量块模型相比，三质量块模型的建立更加复杂，需要更多的数据。综上所述，轴系模型的研究有很多方法，在不需要进行应力分布分析和机械强度设计的情况下，往往采用等效集中质量法。单质量块模型对于不使用变速箱的永磁直驱风电机组可以适用，但对于采用使用变速箱的风电机组，需要考虑传4动轴柔性对机组暂态稳定性的影响。由于齿轮箱本身的动态特性已经很复杂，故在以电气动态过程为主或从扭矩振荡问题的角度进行研究时，可对系统进行适当的简化。在机组容量不是特别大，对暂态稳定性分析精度要求不太高的情况下，考虑到齿轮箱是传动柔性的主要来源，从而将风力机与齿轮箱等效为一个质量块，发电机转子等效为另一质量块，而将传动柔性等效至高速轴，从而建立两质量块模型是一种简便而有效的办法。（2）双馈异步发电机定子磁场定向矢量控制模型建模研究现状目前，对于双馈异步发电机定子磁场定向矢量控制模型的研究已经有了较为公认的数学模型，如文献[3]所述。本文也将采用这种解耦控制模型建立起实际的双馈异步发电机功能控制仿真模型。四、关键理论与技术1、系统机理建模总体来说，系统的建模方法主要有机理建模、实验建模和综合建模三种方法。所谓机理模型，实际上就是采用由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理分析简化而建立起来的描述系统各物理量动、静态变化性能的数学模型。因此，机理建模方法主要是通过理论分析推导方法建立系统模型。根据元件或系统行为所遵循的自然机理，如常用的牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫定律等，对系统各种运动规律的本质进行描述，从而建立起变量间相互制约又相互依存的精确的数学关系。通常情况下，是给出微分方程形式或其派生形式，如状态方程、传递函数等。2、面向对象的建模仿真面向对象的建模与仿真是将面向对象技术应用于仿真而形成的一个研究分支。随着面向对象技术的不断发展和完善，面向对象方法已渗透到仿真建模、仿真试验及大型复杂系统仿真等许多方面。面向对象仿真的本质并不在于其运用了某种面向对象的程序设计语言，而在于它引入了一种新的建模仿真思想与方法，因而它有其独特的仿真建模框架体系。传统仿真方法重在提供仿真运行的机制和通用的数据结构与函数。在建立仿真模型时，必须把直观的、动态的实际系统转换为文本的、静态的程序结构，把实际系统固有的并发性转换成过程语言的序贯表达。这种转换过程不仅困难，而5且把系统模型的结构和行为隐藏在程序结构中，既不易于理解，也不利于维护和扩展。与传统仿真方法相比较，面向对象仿真方法具有以下特点：（1）面向对象仿真方法使建模和仿真过程与人们对现实世界的认识过程相一致。仿真用户通过利用直观的对象概念来建立模型，且仿真模型中的对象表示实际系统中的实体，是建模与仿真过程自然、直观。（2）面向对象仿真方法强调的是系统总体结构，而不是系统涉及的过程。通过数据抽象和封装等技术，使得对象成为仿真模型的主要因素，整个仿真系统的行为表现为对象之间的交互行为。（3）利用面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩展。同时，利用对象层次结构的合理设计，可以达到较高的代码重用率。这些都有利于可视化建模仿真环境的建立，为大型复杂系统的仿真研究提供了方便的手段。五、完成方案与预期目标1.传动系统两质量块模型建模仿真实施步骤：（1）通过机理建模得传动系统状态方程，确定模型参数及仿真计算步骤；（2）编程建模，给定输入，初步确定模型正确性；（3）将传动模型加入整个风电机组模型中，通过仿真实验，最终确立模型。描述传动系统两质量块模型的状态方程为：()−⋅−⋅=−⋅=−−=−−=ifkTidtdfTTdtdJfiTTdtdJassbaseebeaabaaaωωθωωθωωωω6式中：预期目标是完成传动系统两质量模型的建模，并替换原有风电仿真平台中的单质量块模型，根据需要可在人机交互界面上加入轴扭转示意曲线。2.双馈异步发电机定子磁场定向矢量控制模型建模实施步骤：(1)建立双馈异步发电机定子磁场定向矢量控制模型，确定模型参数及仿真计算步骤；(2)编程建立控制模型；(3)给定参考输入，通过模型输入输出曲线确定模型正确性。由交流励磁变速恒频风力发电系统的有功和无功功率解耦控制方程：可得到如下所示DFIG矢量控制模型：为轴系刚度），其中（可由下式确定：械转矩，为作用在发电机上的机为轴的扭转电角度，为发电机磁极对数，为摩擦系数，为转动惯量，kifkTTTpfJessbbbn⋅−−⋅=ωωθθs−=−=21111112111dmqmiLLULUQiLLUPφ7预期目标是单独建立双馈异步发电机定子磁场定向矢量控制模型，并正确仿真实现。未来在参数充足的情况下，还可以将此控制模型加入原控制系统模型中，构成功能更加完善的风电机组控制模型。六、课题进展计划11ωωωrs−=11diU−*2qi*1di2di11ωPpnJsf+ω1*2diaTrω2qi转子电流控制模型*P*QsP−1*mLL1*1qi*1PPImLL111ωmLU−1LLm1LLm1di1qi11qiU−111ωLU1P1QPIeTs变速器风力机`aTvβ8参考文献[1]LeitheadWE，RogersMCM，．Designofacontrollerforatest-rigforavariablespeedwindturbine[C]．ControlApplications，ProceedingsoftheThirdIEEEConferenceon，1994．[2]李辉，韩力，赵斌，陈哲.风电机组等效模型对机组暂态稳定分析结果的影响[J].中国电机工程学报，2008,28(17)：105-111.LIHui,HANLi,ZHAOBin,CHENZhe.EffectofEquivalentModelsofWindTurbinesonAnalysisResultsofTransientStabilityforWindGeneratorSystems[J].ProceedingsoftheCSEE,2008,28(17):105-111.[3]刘其辉，贺益康，张建华.并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究[J].中国电机工程学报，2006,26(23)