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基于叶素理论的风力发电机风轮建模方法探讨

本文讨论了基于叶素理论的风轮建模的基本方法。此风轮模型可适用于各种不同型号的风力发电机,在已知风力发电机固有参数的条件下,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。通过对风速的模拟,实现了对风力发电机运行状态下输出转矩的模拟,对搭建风力发电机整机运行仿真模型有重要意义。另外,通过设定风速、风轮角速度以及调节桨距角,可以得到风力发

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基于叶素理论的风力发电机风轮建模方法探讨 张欧 西华大学数学与计算机学院成都 6 0 3 10 9

摘要:文讨论了基于叶素理论的风轮建模的基本方法。此风轮模型可适用于各种不同型号的风力发电机,已知本在风力发电机固有参数的条件下,以得到设定风速、轮角速度以及调节桨距角下的风轮输出转矩值。通过对风速的模可风拟,实现了对风力发电机运行状态下输出转矩的模拟,搭建风力发电机整机运行仿真模型有重要意义。外,过设定对另通风速、风轮角速度以及调节桨距角,以得到风力发电机的运行特性曲线,可对分析风力发电机运行特性,定相应的控制制策略有着重要的指导作用。 关键词:叶素理论风轮桨叶风力发电机组

1风力发电的意义及存在问题 .

如图所示,风力发电机组整机运行模型主要包括模拟风力

随着科学技术的发展,地球上煤炭、石油、天然气等地下资源正面临着枯竭危险,能源短缺现象日趋严重,与此同时,严重的环境污染也己成为威胁人类生存的主要问题。在这一系列的 问题之下,们对环境保护的重视日益增强。人 我国的风力资源十分丰富,主要集中在沿海、北、北及西东

机模块、伺服电机、发电机三个部分。在P机上搭建模拟风力 C机模块产生风轮转矩,通过DA/转换器将风轮转矩输出至伺服驱动器,带动伺服电机驱动发电机,电机直接并网运行。同发时,伺服驱动器也通过DA换器对P机有反馈输入,中包/转 C其 括对风轮转速【桨距角 B等的反馈调节。 o、 风力发电机组整机运行模型是一个半物理模型,即模拟风力机模块为软件实现的风轮模型,服电机、电机为硬件实伺发

华北的北部地区,可开发的风力能源内陆为2 3 .亿兆瓦, 5可利用的近海风能资源约为1亿兆瓦。但截止2 0年底,国风电 0 03我装机容量为5 .万千瓦, 6 7占电力总装机的02发展风力发电, .%。 一

现的物理模型,主要目的是想通过搭建这样一个半物理实验台,研究风力发电机组先进控制策略和控制系统仿真。不同的 风力发电机,桨距风力发电机、桨距风力发

电机,制如定变其控

方面有利于我国电源结构的调整,减轻我国面临的电力危

机;另一方面又有利于减少有害污染气体的排放而缓解环境污 染,同时,有利于减少能源进口方面的压力,提高我国能源还对

策略和控制系统都所有不同,而本实验台希望可以针对不同类型的风力发电机研究其控制策略,这就要求模拟风力机模块, 即风轮转矩输出模块可用于多种风力发电机,有很好的通用具

供应的多样性和安全性将做出积极的贡献。发展我国的风力发 电,有十分必要的可行性与重要的意义。具

但目前,国风电技术仍处于发展的初期阶段,国外相我与比,技术落后、产品质量低,而且存在对风资源调查不够细致, 全面进行风资源的测量和分析方法不够完善,电机组的制造风

性。而对风轮部分的建模,其结果直接影响到伺服电机及发电机的运行结果,也直接影响到对风力发电机采用的控制策略的实施结果。所以,风轮部分的建模尤其重要。 3基于叶素理论的风轮建模 .

水平较低,尚不具备自行开发制造3 0 W以上大型风电机组 0K的能力,对风电机组性能测试设备和技术相对落后,缺少相应 的认证机构,电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火 风电生产和运行相比有明显的差距,乏对运行过程中出现的问缺

基于叶素理论的风轮建模是将叶片分为若干个微元,为称叶素,通过对叶素的受力分析求得微元转矩,再将所有微元转矩相加而得到风力发电机风轮的输出转矩。 在冈轮半径故取一长度为d叶素,弦长为1韵其,角为 B。节距

题和故障的详细记录及分析等一系列问题。这一系列的问题导 致风力发电的成本增加,碍了发展规模和速度,阻因此迫切需

要采取措施来提高风力发电的技术水平。 2风力发电机建模概述 .

下图为风力发电机组整机运行建模框图。 』 nH

,

图2叶素受力分析

如上图所示,假设风轮始终正对风向,吹过风轮的轴向 图1风力发电机组整机运行建模框图

风速为 v风轮转速为 u【 r【为风轮角速度 )气流相对于叶,= o o (, 2 0 0 8, 6

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