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風力發電系統建模與仿真畢業論文(編輯修改稿)

2025-10-02 20:06 本頁面

　

【文章內容簡介】 —— 空氣密度（ 3/mkg ）； R—— 風機葉輪半徑（ m ）； ?—— 葉尖速比，定義為eqturvR??? ，其中 tur? 為風力機葉輪轉速（ srad/ ），eqv 為等效風速（ sm/ ）； ? —— 槳距角（ deg ）； PC —— 風能利用系數，是葉尖速比 ? 和葉片槳距角 ? 的函數；對于給定的風力機系統， PC 的表達式是一定的。一種變槳距風力機的風能轉化效率系數： ? ? ????? , ??????? ??? eC P 10 3 ???? ???? （ 210）風力機獲得轉矩為： turww PT ?? （ 211）風力機傳動裝置發電機槳距角控制風速 wv aeT mT g? ? ?E 定義 ? ???,TC 為轉矩系數， ? ? ? ?? ???? , PT CC ? （ 212）注：由eqturvR??? 推出 eqopttur vR?? ? （ 213） ① 對于給定的葉片槳距角 ? ，不同的葉尖速比所對應的 PC 值相差較大； ② 對于給定的 ? ，有且僅有一個固定的 opt??? 能使 PC 達到最大值； ③ 在風速不斷變化的情況下 ,要保持 opt? 、 tur? 必須隨著風速按照 Ropt? 的比例變化，才能保證風力機捕獲的風能最大、效率最高。這是采用變速風電機組代替固定轉速風電機組的初衷之一。圖 27 風機 PC ? 特性曲線對于變槳距型風力發電機組， PC 特性可近似表示為： ??? fRCfP eRCC 2 ????????? ??? （ 214）式中， fC 為葉片設計常數，一般取 1~3。風力機的穩定工作區空間曲面雖然能包含風力機運行的所有狀態點，但是對于分析不太方便，所以在實際應用中多是取幾個離散的 ? 值，畫出平面圖的方法，如下圖所示，取 6組 ? 值，繪制如下：圖 28 風力機穩定工作區曲線圖在 ? ?vT ,? 曲線中，以轉矩 T 的最大值為頂點連成的一條線 AB，將曲線簇分成了兩部分，其中右側為穩定運行區域，左側部分為不穩定工作區域。 ]6[ 對比? ?vP ,? 和 ? ?vT ,? 曲線，我們發現當 T 達到最大時， P 并沒有達到最大，具體而言，就是最大功率點對應的轉速值要大于最大轉矩點的轉速值。如圖 26 所示，曲線CD 是由最大轉矩點的連線而成的，曲線 EF 則是由最大功率點的連線而成。這樣一來，在 ? ?vP ,? 曲線簇中， CD 曲線和 EF 曲線之間的部分也是穩定區域。基于葉素理論的風力機建模基于葉素理論的風輪建模是將葉片分為若干個微元，稱為葉素，通過對葉素的受力分析求得微元轉矩，再將所有微元轉矩相加得到風力發電機風輪的輸出轉矩 ]75,5[ ，在風輪半徑 r 處取一長度為 dr 的葉素，其弦長為 l ，節距角為 ? 。圖 29 葉素微元受力分析圖如上圖所示，來流方向的風速為 v ，在半徑為 r 處的風輪機速度為 ru t ???（ t? 為風輪機角速度），氣流相對于葉片的相對速度為 w ，則有： uvw ?? （ 215）葉素 dr 在相對速度為 w 的氣流作用下，受到一個方向斜向上的氣動力 dF的作用。將 dF 沿與相對速度 w 垂直及水平方向可分解為升力 dL 和阻力 dD ，當dr 很小時，可以近似的將葉素面積看成弦長與葉素長度的乘積，可得如下計算公式： ???????drlwCdDdrlwCdLdl222121?? （ 216）氣動力 dF 按垂直和平行于旋轉平面方向分解為法向力 adF 和切向力 udF ，風輪轉矩 dT 由切向力 udF 產生，則有轉矩微元： ? ?IdDIdLrdFrdT u c o ss in ?????? （ 217）令 ld CC /?? ，得總轉矩計算公式： ? ??? ??????? Rr ldrIICr lwndTnT0c o t1s i n21 2 ?? （ 218）式中， 0r —— 輪轂半徑； n—— 風輪包含的槳葉個數； I —— 傾斜角 (槳距角 ? 與攻角 i 之和 )。上式為基于葉素理論的風輪模型函數，可以寫為如下形式： ? ??,uvfT ? ，即風輪輸出轉矩為風速 v ，風輪轉速 u ，槳距角 ? 的函數。基于 PSCAD 風力機模型與仿真基于 PSCAD 的風力機模型如下：圖 210 風力機簡化模型基于上面的原理及理論公式，仿真結果如下：圖 211 風輪機機械轉矩輸出及參數設置圖 212 風輪機機械轉矩模擬仿真結果

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