固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究

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附錄 固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究抽象程度越來(lái)越高的風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中需要一項(xiàng)準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定模式. 因?yàn)樵S多風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往集合在一起，其中等價(jià)建模幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為關(guān)鍵. 本文介紹的降階動(dòng)態(tài)固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型適合暫態(tài)穩(wěn)定模擬.該模型是使用一個(gè)模型還原技術(shù)所構(gòu)建的高階有限元模型. 然后， 用等價(jià)方式表明如何將幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力合并成一個(gè) 單降階模型. 用模擬個(gè)案來(lái)說(shuō)明一些獨(dú)特性能的動(dòng)力系統(tǒng)，含風(fēng)力發(fā)電機(jī). 所以說(shuō)，本文著重于介紹水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)用異步電機(jī)直接連到電網(wǎng)作為 系統(tǒng)的發(fā)電機(jī). 用參數(shù)計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定模擬系統(tǒng)，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模，計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)造型.一.最近，大家對(duì)風(fēng)能的發(fā)展展現(xiàn)出了濃厚的興趣. 伴隨著使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱潮，現(xiàn)在需要對(duì)電力動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 電力傳輸規(guī)劃的設(shè)計(jì)評(píng)估. 本文的第一個(gè)目的是提出一個(gè)準(zhǔn)確的低階動(dòng)態(tài)模型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它是 符合現(xiàn)代機(jī)電暫態(tài)模擬計(jì)算機(jī)程式的. 本文中，開(kāi)發(fā)的模式著重于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 或風(fēng)力機(jī)直接連到同步網(wǎng)時(shí)采用異步發(fā)電機(jī). 這其中還包含許多現(xiàn)代大型發(fā)電系統(tǒng). 由于大型風(fēng)力裝置的構(gòu)建是由許多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建模是一個(gè)迫切的需求. 因此， 本文的第二個(gè)目的是提供一種方法，它結(jié)合數(shù)個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到一個(gè)電網(wǎng)上，然后通過(guò)一個(gè)共同模式整合成一個(gè)單一的等效模型. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為定速或變速. 以最小單位，渦輪驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)為例，它是直接連接到電網(wǎng)上的. 渦輪轉(zhuǎn)速變化很小，那是由于陡坡的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的特性所制； 因此，它被稱為定速系統(tǒng). 還有變速裝置，發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的技術(shù)使渦輪速度受到控制，以最大限度地表現(xiàn)出來(lái)(例如，電力的控制) . 這兩種方法在風(fēng)力工業(yè)均非常普遍. 在本文中， 我們將目光集中在建模定速裝置和等效模擬幾個(gè)固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電集成園. 第一種典型的風(fēng)力機(jī)械頻率是在 0 至 10 赫茲范圍； 這也是各種機(jī)電振蕩的頻率. 因此，這涉及到機(jī)械振動(dòng)的風(fēng)力互動(dòng)學(xué)與機(jī)電動(dòng)力學(xué). 這方面的例子參見(jiàn)本文. 因此，為了構(gòu)建一個(gè)精確的模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可用于暫態(tài)穩(wěn)定的研究. 第一種渦輪機(jī)械動(dòng)力學(xué)必須能準(zhǔn)確的代表模型. 這里的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型建出了導(dǎo)電模型，減少了一個(gè)詳細(xì)的 650 階有限元模型的一個(gè)典型的 橫向軸 . 氣動(dòng)力和機(jī)械動(dòng)力的減少與非線性四階雙渦輪慣性模型相結(jié)合生成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)模型. 模擬計(jì)算表明了模型的精確性.幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng)上通過(guò) 一個(gè)單一的模型建模，因?yàn)槊總€(gè)渦輪暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)都過(guò)于繁瑣， 我們的目的是整和風(fēng)力發(fā)電園成為相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的極小系統(tǒng). 我們對(duì)等價(jià)建模的風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率整和成單一當(dāng)量的渦輪機(jī). 模擬結(jié)果表明，這種方法能夠提供準(zhǔn)確的結(jié)果.二. 范例關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模的代表范例是關(guān)于暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的，它包括在[2] - [10] . 模擬結(jié)果表明，固定頻率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要集中在以下兩個(gè)主要方法. 第一種方式是把汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為一個(gè)單一的慣性體從而忽略系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率 [2] - [5] . 第二種方式是把渦輪葉片和樞紐之一的慣性體接上發(fā)電機(jī)加上一個(gè)彈簧 [6] [9] . 在所有這些論文中，彈簧剛度的計(jì)算是從系統(tǒng)的主要部分中提取的. 我們的研究顯示，較第一型機(jī)械頻率來(lái)說(shuō)第二型才是至關(guān)重要的一個(gè)精確的模型. 有限元分析表明，第一類(lèi)動(dòng)力的變化主要是因?yàn)殪`活的渦輪葉片不夠精確. 根據(jù)建模方法的算法，我們得知的主要事實(shí)是，小而靈活的機(jī)械部件是渦輪上的刀片. 結(jié)果[7]集中表明了幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和降階風(fēng)園模型的類(lèi)型和與類(lèi)型相結(jié)合的方法. 但是， 作者不能解決水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合時(shí)采用這種方法保存的機(jī)械要求. 我們的研究結(jié)果表明:這關(guān)鍵在于有一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)示范園. [10]詳細(xì)討論了降階變速渦輪機(jī)載的建模. 作者稱渦輪的機(jī)械能所代表的類(lèi)型是一個(gè)單一的個(gè)體， 從動(dòng)態(tài)的機(jī)電動(dòng)力學(xué)分析，那是因?yàn)闄C(jī)械的慣性使它的變速性能產(chǎn)生堵塞. 我們分析時(shí)不考慮變速情況.[2] - [10]的工作闡述著重于低階水輪機(jī)模型，從而可以容易地實(shí)現(xiàn)大型暫態(tài)穩(wěn)定代碼的測(cè)量.相當(dāng)多的研究集中在建模定額一個(gè)更深入的層次. [17]是一個(gè)很好的概況和文獻(xiàn). 從高度詳細(xì)的有限元模型角度，詳細(xì)的闡述了建模方法，還較簡(jiǎn)單的敘述了六轉(zhuǎn)五轉(zhuǎn)，三轉(zhuǎn)水輪機(jī)模型.這些模型中的大部分都采用動(dòng)量理論來(lái)計(jì)算氣動(dòng)力. 三.我們對(duì)發(fā)展渦輪動(dòng)力的一個(gè)降階模型為出發(fā)點(diǎn)，把所有機(jī)械和氣動(dòng)渦輪機(jī)動(dòng)態(tài)效果以高度詳細(xì)的用機(jī)電射程的形式表示出來(lái). 在這個(gè)還原過(guò)程中，是以消費(fèi)者的角度來(lái)分析渦輪軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的. 目的是為了準(zhǔn)確反映軸轉(zhuǎn)速和扭矩特性與最小模型的秩序和復(fù)雜性. 數(shù)值調(diào)查表明，機(jī)械氣動(dòng)和機(jī)械效應(yīng)的一個(gè)例子所展現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有限元建模環(huán)境. 該系統(tǒng)是一種新興的橫向風(fēng)軸機(jī)床，包括三個(gè) 31.7 米葉片，葉片的一套點(diǎn)俯仰角度為 2.6 ， 一個(gè) 82.5 米的主軸，它們的額定功率為 18.2 - RPM 和 1.5 兆瓦，在 15 米/秒的風(fēng)速條件下. 汽輪機(jī)是透過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的異步發(fā)電機(jī)模型直接連接到 60 赫茲的機(jī)械. 它還利用ADAMS 有限元軟件(來(lái)自機(jī)械動(dòng)力學(xué) 公司) ，加上毫微克(即由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室)軟件進(jìn)行模擬. 這兩個(gè)軟件一起被稱為亞當(dāng)斯. 所有參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的模型研制出一個(gè)現(xiàn)實(shí)的大型機(jī) 器. 整個(gè)系統(tǒng)包含 325 個(gè)自由度，包括非常詳細(xì)地模擬動(dòng)力和外部作用力. 由于機(jī)械設(shè)計(jì)中的大多數(shù)水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)極為相似， 結(jié)果使該方法的適用面廣. 研究者在用亞當(dāng)斯/分?jǐn)?shù)制進(jìn)行了研究以后，還廣泛接觸了以一個(gè)制動(dòng)脈沖對(duì)該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)的研究方法.為了模仿長(zhǎng)達(dá) 0.1 毫米的三相短路，發(fā)電機(jī)軸對(duì)電路的混亂反應(yīng)進(jìn)行了分析.1 . 從圖 1 ，系統(tǒng)的反應(yīng)是一個(gè)阻尼振蕩的過(guò)程. 詳細(xì)的擬態(tài)分析表明，系統(tǒng)的振蕩是由于外層部分的葉片振動(dòng)對(duì)兩者的內(nèi)在部位的葉片的作用.這樣的結(jié)果是很典型的. 1)亞當(dāng)斯仿真結(jié)果. 現(xiàn)代風(fēng)力渦輪葉片非常大，有彈性， 而且往往顫動(dòng). 1 表明，它主要包含 4 Hz 分量.這也是典型的大型渦輪機(jī)， 它通常有第一型機(jī)械自然頻率在 0 至 10赫茲范圍內(nèi). 因?yàn)檫@個(gè)范圍也是典型的機(jī)電振蕩頻率范圍， 這還是風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)鍵頻率范圍.而研究者會(huì)傾向于研究機(jī)電振蕩的頻率. 模態(tài)的第一振蕩模式會(huì)產(chǎn)生一系列的主導(dǎo)反應(yīng). 從圖 1 起見(jiàn)，該模型的描圖可以代表兩標(biāo)準(zhǔn)單彈簧阻尼系統(tǒng)，這是基礎(chǔ)的降階模型和一個(gè)的外部分的葉片 2 ) . 葉片尖端硬性連接描圖. 2 )"刀環(huán)" 葉片的細(xì)片(忽略質(zhì)量)作為一個(gè)單一的慣性體，其所有的瞬態(tài)干擾行為通過(guò)發(fā)電機(jī)軸的所有刀片.其他慣性力的代表如集聚效應(yīng)的葉根，輪轂，渦軸，齒輪，軸發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的慣性都很大.一個(gè)典型的系統(tǒng)，內(nèi)部慣性主導(dǎo)地位取決于葉根和發(fā)電機(jī)的慣性量.許多研究者都推斷整個(gè)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)成為一個(gè)單一的惰性體從而忽略第一機(jī)械型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的作用.別人都認(rèn)同第一動(dòng)態(tài)模式，但不認(rèn)同模式葉片彈性模式.相反，這些作者都假設(shè)葉片是一個(gè)慣性體而把模型渦輪軸作為一個(gè)彈簧體. 但是，在一個(gè)典型的系統(tǒng)中，軸上的刀片相比其他元件來(lái)說(shuō)靈活得多. 我們的研究表明，第一機(jī)械模式的葉片可以與豎軸作為一個(gè)剛體. 我們的研究還表明，正確建模是研究力學(xué)的關(guān)鍵，以獲取準(zhǔn)確的瞬態(tài)仿真結(jié)果. 四.單一風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型由兩個(gè)基本部分組成: 降階雙渦輪慣性模型和驅(qū)使風(fēng)力的力矩.在本文中， 我們假設(shè)發(fā)電機(jī)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異步電機(jī)直接連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，這也是最常見(jiàn)的配置方法. ( 1 )葉片數(shù)目:有效傳動(dòng)比=實(shí)際渦輪轉(zhuǎn)速/額定渦輪轉(zhuǎn)速； 電氣頻率基數(shù)； 每個(gè)葉尖惰性體:每個(gè)葉片根部惰性+慣性+慣性渦輪軸傳動(dòng)力/慣性力+發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)子的慣性力； 葉片剛度，葉片阻尼，氣動(dòng)風(fēng)力矩.發(fā)電機(jī)電氣扭矩和葉尖角度通過(guò)齒輪傳動(dòng)反映出發(fā)電機(jī)軸向角.計(jì)算這個(gè)角需要有葉片斷裂的慣性力和彈簧減振器的相關(guān)參數(shù)(見(jiàn)圖 2).如果葉片放置在不破裂的正確位置，然后得到的機(jī)械模態(tài)形狀就會(huì)正確了. 研究的突破點(diǎn)主要在一個(gè)刀片力學(xué)性能上，可以從有限元分析或試驗(yàn)的葉片得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)似乎發(fā)生在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)彎曲的葉片上.在研究實(shí)例個(gè)案上，降階系統(tǒng)的靈敏度放置不當(dāng)?shù)耐黄泣c(diǎn)是很大的. 所幸的是， 最先進(jìn)的葉片或制成品設(shè)施(如在國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施)有所需的資料用以確定葉片的斷裂點(diǎn).電力工程師只需要這一信息請(qǐng)求便可輕易計(jì)算出典型制造的數(shù)據(jù).還可以計(jì)算出知識(shí)系統(tǒng)的第一型機(jī)械固有頻率的使用剛度. （2）哪里第一模型機(jī)械研究技術(shù)領(lǐng)先，其機(jī)械的固有頻率與系統(tǒng)連接到一起的幾率就大. 例如，在上一節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)情況就是這樣.一般來(lái)說(shuō)，制成品可以提供這樣的頻率范圍.它可以很容易的用制動(dòng)脈沖對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析.在大多數(shù)情況下葉片阻尼很小，并假定為零.在旋轉(zhuǎn)機(jī)中，衡量葉片的剛度是用彈簧剛度來(lái)計(jì)算的.主要衡量葉片的邊緣剛度.可以看出，在( 3 )中 ，計(jì)算剛度是依靠俯仰的角度的. 這也僅限于從零度至 10 度的典型情況. （3）根據(jù)這一限制表明，差異很小的不同位置需要設(shè)置不同的點(diǎn).這意味著，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的支持，這是水輪機(jī)模型很小敏感性變異系統(tǒng)的準(zhǔn)確的俯仰角. 假設(shè)一個(gè)理想的轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)進(jìn)行風(fēng)力矩的計(jì)算.（4）在葉尖部分反映出的實(shí)際速度，加上空氣密度的影響，通過(guò)清掃面積的葉片的磨合，計(jì)算出了機(jī)組的功率系數(shù). 不幸的是，這不是一個(gè)常數(shù) . 然而，大多數(shù)渦輪制成品的特性反映出同一條曲線. 曲線表示，作為功能機(jī)組的葉尖速比. 葉尖速比的定義是自由風(fēng)速度比渦輪葉片的冰山速度. ( 5 )葉片掃描半徑單元葉尖速比. 3 顯示了一個(gè)典型的風(fēng)力渦輪機(jī)曲線. 我們的研究已表明，可以假設(shè)固定情況下極高的風(fēng)力條件下進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定研究. 這是因?yàn)榈湫偷淖儺惾~尖速比下一個(gè) 10 秒的瞬態(tài)葉尖比小.假定風(fēng)并沒(méi)有顯著的改變模擬時(shí)間， 實(shí)際上，渦輪軸的扭矩實(shí)際上是一個(gè)調(diào)制版. 調(diào)制是眾所周知的，而且主要是考慮由于大樓遮蔽和力學(xué)失衡的作用，在專(zhuān)業(yè)人員和模式上才能出現(xiàn)典型的調(diào)制頻率(注: 1 人，是一種模式，每一個(gè)渦輪葉片).我們不把這些效應(yīng)考慮在內(nèi)，我們假定扭矩引起的暫時(shí)性故障比調(diào)制扭矩的多. 許多其他研究者已進(jìn)行了這個(gè)假設(shè).今后的研究將側(cè)重于檢驗(yàn)這一假設(shè). 在一般情況下，雙渦輪慣性模型在這里是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)健的模式，涵蓋了許多汽輪機(jī)運(yùn)行條件. 所有模型參數(shù)相對(duì)恒定，缺少敏感性的俯仰角度. 因?yàn)橹饕M成部分能量是短暫的，那是由于汽輪機(jī)的慣性能量的影響， 而且失速型風(fēng)力渦輪機(jī)可準(zhǔn)確模擬這種方式. 乙發(fā)電機(jī)模型中的標(biāo)準(zhǔn)做法是行之有效的建模發(fā)生器[1].標(biāo)準(zhǔn)而詳細(xì)的兩軸感應(yīng)機(jī)模型是用來(lái)代表異步發(fā)電機(jī)[1]的.由此方程( 6A )可知，凡是暫態(tài)開(kāi)路的時(shí)間常數(shù)，滑移速度，都是同步的電抗，還是暫態(tài)電抗.而且并在 D 軸和 q 軸定子電壓中， 并在 D 軸和 Q 軸的每單位定子電流中. 轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是從( 6B )及定子電流的計(jì)算中得到的，是通過(guò)( 6C )款的發(fā)電機(jī)模型參數(shù) ( 6 )計(jì)算出 (第 562 ) ( 106 ) ( 7C )的相關(guān)參數(shù).風(fēng)園造型中的風(fēng)園分為幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng)中整和為一個(gè)單一的系統(tǒng).這需要建模，因?yàn)槊總€(gè)渦輪暫態(tài)穩(wěn)定，可過(guò)于繁瑣.我們的目標(biāo)是整和風(fēng)園成為一套最起碼的等效模型.等價(jià)建模風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率成一個(gè)單一相當(dāng)于渦輪機(jī)的系統(tǒng). 每個(gè)這些等效的渦輪然后連接到異步發(fā)電機(jī)上.甲相當(dāng)于水輪機(jī)模型的前提，我們的 做法是: 因?yàn)檩啓C(jī)都離不開(kāi)一個(gè)共同的系統(tǒng)，每個(gè)渦輪也受到了同樣的干擾力矩. 因此，渦輪機(jī)的性能相似于震蕩階段.因此渦輪可合并為一個(gè)平行的機(jī)械組合.模態(tài)分析風(fēng)力公園系統(tǒng)支持這個(gè)假說(shuō)。例如，考慮要予以合并的渦輪相同的自然頻率機(jī)械.，那么等于渦輪建模方程( 1 ) ( 7 )式中，彈簧和阻尼條件汽輪機(jī)分別是慣性體.渦輪得到的風(fēng)力矩是利用( 4 ) ，并迫使水輪機(jī)具有相同輸出功率為渦輪的總和，是機(jī)組的功率系數(shù)為渦輪機(jī). 乙相當(dāng)于發(fā)電機(jī)模型用異步發(fā)電機(jī)參數(shù)的納加權(quán)平均法[16]來(lái)進(jìn)行計(jì)算.用此方法，相當(dāng)于機(jī)床參數(shù)和計(jì)算，以加權(quán)平均納每一科的異步電機(jī)等效五 結(jié)論研究者已提交了降階動(dòng)態(tài)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型適合于暫態(tài)穩(wěn)定性的方案.該模型是汽輪機(jī)作為一個(gè)四階非線性模型與風(fēng)速作為輸入?yún)?shù)得出的結(jié)論.渦輪方程符合標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)的用于暫態(tài)穩(wěn)定的電氣方程.一個(gè)等效辦法還表明如何在幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的情況下整和成風(fēng)園，還可以組合成單一模式的風(fēng)園. 模擬案例的提交證明這是正確的做法.今后的研究將側(cè)重于測(cè)試效果用于調(diào)制力矩的建模方法.