基于叶素理论的风力机模拟系统研究

在不具备风场环境或风力机的实验室的情况下,建立风力机输出特性模拟实验平台,对风力发电系统的研究具有重要作用.本文考虑涡流的影响,对叶素进行权系数分配,采用叶素理论建立风轮转矩模型,并根据风力机和直流电动机具有较大相似特性,利用控制直流电动机的输出转矩来模拟风力机的特性,搭建了交流励磁变速恒频风力发电系统实验平台.实验不...     

风场与风力机模拟系统的设计与实现

为了满足变速恒频风力发电技术的研究需要,提出了一种基于谱密度分析的自回归风速模型;并结合基于叶片微元受力分析的风力机转矩计算模型,设计了一套风场与风力机模拟系统。试验证明,该系统能够根据外部设定,结合主控制器指令,真实地模拟风力机在不同风况下的实际运行状态,同时驱动直流电机输出风力机模拟风轮转矩。该系统的实现,为实验室条件下研究风力机的运行提供了一套完整的解决方案,为风力发电技术的试验开发做出了现实铺垫。     

风场与风力机模拟系统的设计与实现

为了满足变速恒频风力发电技术的研究需要,提出了一种基于谱密度分析的自回归风速模型;并结合基于叶片微元受力分析的风力机转矩计算模型,设计了一套风场与风力机模拟系统。试验证明,该系统能够根据外部设定,结合主控制器指令,真实地模拟风力机在不同风况下的实际运行状态,同时驱动直流电机输出风力机模拟风轮转矩。该系统的实现,为实验室条件下研究风力机的运行提供了一套完整的解决方案,为风力发电技术的试验开发做出了现实铺垫。     

变桨距风力机多风况模拟系统研究

基于风力机的特性,运用叶素理论、涡流理论修正风速及权系数分配叶素的改进方法,建立了变桨距风力机模型,在matlab中编制了m文件对上述模型进行了分析,结果表明该模型可以实现对风力机特性的精确模拟,然后,将m文件嵌入到matlab/simulink的M-function中,得到了在组合风速(基本风、随机风、阵风、渐变风)作用下的风力机功率响应曲线。最后,将仿真程序移植到伺服电机实验平台中,通过VBA编程与PLC控制相结合的方法实现了整个系统的实验模拟,实验结果与仿真结果完全吻合,证明了该模拟方法的正确性和实用性。     

基于直流电机模拟风力机的静态和动态特性

分析了风力机的静态和动态转矩特性,确定了风机模拟器的主要模拟对象,建立了风力机模型;制定了简单有效的转矩控制方案,搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟硬件平台,应用LABWINDOWS开发了上位机界面。该风力机模拟系统不仅可以模拟不同风速时风力机的静态转矩特性,也可以模拟风塔效应和剪切效应所造成的转矩脉动,满足变速恒频风力发电系统研发的需要,可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

基于永磁同步电机的风力机模拟器研究

分析了风力机的输出特性,建立了风力机模型,通过比较风力机和永磁同步电机(PMSM)特性,提出了基于PMSM风力机模拟的转矩-转速控制方案;对PMSM采用i_d=0的矢量控制方案,满足风力机转矩输出特性的模拟要求。该风力机模拟系统应用于离网型变速恒频永磁同步风力发电系统,实现了风力机在不同风速、全转速范围的风力机特性输出,满足了永磁同步风力发电系统进行最大功率追踪的需要。搭建了一套完整的风力发电模拟试验平台,验证了PMSM模拟风力机的可行性。     

异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用

分析了异步风力发电系统的特点,介绍该系统各部分模型的结构,根据风速变化的异步风力发电系统动态稳定性分析的需要,建立了在一定程度上反映风电场实际风速变化的风速时空模型。由于风力机与发电机的柔性连接,使得风力机动态数学模型大为简化,取适当的惯性时间常数,风力机可用一阶惯性环节表示。     

风力机风振背景、共振响应特性及耦合项分析

基于已提出的可考虑结构共振模态之间、背景与共振模态之间耦合效应的风振计算方法“一致耦合法”,对某兆瓦级大型风力机系统进行风振反应分析。首先建立风轮-机舱-塔体一体化有限元模型,获取并分析系统动力特性;然后采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论,模拟考虑相干和旋转效应的风轮-塔架脉动风场;最后进行风力机塔轮系统结构的风振动力反应计算。通过与全模态精确解的对比探讨,揭示了风力发电塔轮系统风振背景、共振响应分布特性,以及模态间耦合效应的作用机理,并给出了风力机塔轮系统风振系数的建议取值,为兆瓦级风力机系统的抗风设计提供科学依据。     

基于直流电机模拟风力机的静态和动态特性

分析了风力机的静态和动态转矩特性，确定了风机模拟器的主要模拟对象，建立了风力机模型；制定了简单有效的转矩控制方案，搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟硬件平台，应用LABWINDOWS开发了上位机界面。该风力机模拟系统不仅可以模拟不同风速时风力机的静态转矩特性，也可以模拟风塔效应和剪切效应所造成的转矩脉动，满足变速恒频风力发电系统研发的需要，可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

垂直轴SRG风力发电系统MPPT动态滑模控制研究

以垂直轴风力机与开关磁阻发电机(SRG)为对象,研究了基于风速跟踪的垂直轴开关磁阻风力发电系统MPPT动态滑模控制(SMC)算法。介绍了SMC原理,设计了系统动态滑模控制器,采用Matlab/simulink建立了系统仿真模型,对风速阶跃变化的不同工况进行理论仿真实验。仿真结果表明,所设计的SRG风力发电滑模控制器具有良好的鲁棒性,能使开关磁阻风力发电系统具有良好的动态性能实现风力机最大功率点跟踪,为实际应用提供理论支持。     

基于叶素理论的风力发电机组风轮建模

风力机风轮部分的建模对搭建风力发电整机运行仿真模型有重要意义。在风力机空气动力学特性分析的基础上,讨论了两种风轮建模的基本方法。通过对这两种方法的比较,选用基于叶素理论的方法建立了风轮模型。此风轮模型可适用于各种风力发电机,在已知风力发电机的固有参数的条件下,可以得到设定风速、风轮角速度以及调节桨距角下的风轮输出转矩值。由模型输出得到风力发电机的运行特性曲线,对分析风力发电机运行特性,制定相应的控制策略有着重要的指导作用。对模型施加实际风速信号,实现了对风力发电机组运行状态下输出转矩的模拟,并运用权系数来分隔桨叶的叶素,这不但进一步证明了所建模型的正确性,而且更加合理和精确地建立桨叶的气动模型。     

海上风电机组抗台风技术研究

台风严重制约着海上风电发展。通过台风影响风机的空气动力学分析,计算作用于叶片、塔筒及风电机组整体风荷载,剖析其强度承载能力。结合IEC 61400和GB/T 31519-2015、GB/T 18451.1-2012等设计标准要求,对风机制造各主要部件成本及现有抗台风手段进行分析,提出调整风机叶片材料强度、增加伸缩式叶片定位机械臂来固定风机叶片、将风机塔筒中部固定螺栓连接改为上部塔筒可下沉式折叠结构以及调整海上风机抗台风控制策略等多项措施增强海上风电机组抗台风能力,以期实现海上风电机组成本低、工程实用性强、抗台风效果显著。     

3MW风电机组变桨距无模型控制

随着风电机组装机容量的迅速增加,电网对风电机组的电能品质提出了更高的要求,而功率波动是影响风电机组电能品质的一个重要问题。考虑到风电机组变桨控制中的桨距角和机组功率的非线性关系和外界扰动问题,为了减小风电机组功率波动,基于无模型自适应(MFA)控制理论设计了风电机组变桨无模型控制器,不依赖于风电机组精确的数学模型。为了验证无模型变桨控制器的性能,以3MW双馈风电机组为控制对象在Sinmulink中对该算法进行了仿真并和广泛应用的PID变桨控制器进行了对比。仿真结果表明无模型变桨控制器较好地解决了风电机组变桨控制中的非线性和外界扰动问题,风电机组输出的功率波动明显小于PID控制器。     

风力机的MATLAB模型及其应用

提出了一种简化的定桨距风力机的MATLAB模型。该模型对于风电场的建设与规划 ,对于风力发电机组的运行仿真和设计都具有重要的意义     

基于双馈风电模型的电压稳定性研究

在电力系统仿真软件PSASP6．25中建立了基于双馈式风力发电机组的模型,仿真计算了新疆达坂城风电场中风机模型为双馈式风电机组模型条件下,在阵风、渐变风、随机风时风电场接入对电网电压稳定性的影响。     

含不同风电机组的风电电网仿真研究

为了研究包含恒速异步风力发电机和双馈异步风力发电机的风电场对电网的影响,应用Matlab 7.0建立了含不同风电机组的风电场动态模型。分析了风电场对电网暂态稳定性的影响,风电机组电压恢复情况,有功、无功变化情况,以及不同风电机组的低电压穿越能力。仿真结果表明：双馈异步风力发电机变速平稳、低电压穿越能力较强,有利于优化电能质量;当电网发生故障时,应针对不同的风电机组采取不同的控制策略以提高电力系统稳定性。     

风力机独立桨距角鲁棒自适应跟踪控制

针对风力机非线性电动桨叶系统,分析了桨叶承受的力矩和空气动力造成的不平衡载荷。根据动量矩定理,建立了具有时变不确定项的桨叶动力学模型。设计了风力机独立桨距角鲁棒自适应跟踪控制器,给出了控制器自适应参数的自适应更新率算法。利用李雅普诺夫稳定性理论,证明了桨叶控制系统的稳定性。采用Matlab/Simulink软件建立风力机桨叶动力学模型,仿真验证了控制策略的有效性和可行性。结果表明,在勿需知道桨叶系统时变不确定参数和不平衡载荷的情况下,所设计的控制器能够快速实现独立桨距角跟踪控制,控制器对复杂非线性桨叶模型表现出良好鲁棒控制效果。     

基于降低风电机组叶片损伤的风电机组组合优化

对于大型风电场,研究机组组合优化,可以提高风电场运行水平,提高风电场经济效益。叶片是风电机组的关键部件之一,占风机总成本的20%,是影响风电机组使用寿命的重要因素之一。通过对叶根在不同风况下四种不同载荷工况的受力分析,量化了不同运行工况下叶片损伤量,确定了叶片损伤量与叶片寿命的关系,建立了风电场各机组总叶片损伤量的数学模型;应用改进二进制粒子群(BPSO)优化算法,结合风电场预测功率数据和负荷调度要求,以叶片损伤量最小为优化目标,建立风电场内机组组合优化调度模型。将所提出模型应用于某49.5 MW风电场,对33台机组进行组合优化,算例结果表明在满足负荷的要求下,可减少启停机次数,延长机组寿命,验证了该算法的可行性和有效性。     

Wind turbine emulator based on blade element momentum theory for variable‐speed wind power generation system

This paper proposes a wind turbine emulator (WTE) based on the blade momentum theory, and tests the variable‐speed wind power generation system using a pulse‐width modulation (PWM) converter to verify the accuracy of the emulator. The behavior of the wind turbine for natural wind is reproduced by the WTE based on the proposed theory. The variable‐speed wind power generation system employs a vector control system to control the torque and speed of the permanent magnet synchronous generator in the converter side. The windmill rotational speed is controlled to maximize the efficiency of the wind turbine against wind velocity. And the active power and reactive power are controlled in the inverter side, and the generated power is sent to the grid while controlling the DC link voltage to be constant at the same time. The behaviors of the WTE are compared with the simulation results and experimental results using a real wind turbine. These experimental and simulation results show that the test bench with the proposed WTE has sufficient performance and accuracy to verify variable‐speed wind generator systems. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.