基于譜密度分析的風(fēng)力機(jī)風(fēng)速模型研究

基于譜密度分析的風(fēng)力機(jī)風(fēng)速模型研究

0風(fēng)速模型與風(fēng)輪扭矩模型的關(guān)系風(fēng)力發(fā)電是一種干凈、無害的綠色能源發(fā)電方法。開發(fā)風(fēng)能,大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電,對(duì)于解決全球性的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)具有重要的意義。由于受風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣、價(jià)格昂貴等限制,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)很難以進(jìn)行。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)輪槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和當(dāng)前風(fēng)速,利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩,使模擬系統(tǒng)快速產(chǎn)生與瞬態(tài)風(fēng)況相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,代替實(shí)際風(fēng)力機(jī),它既具有和實(shí)際風(fēng)力機(jī)相同的機(jī)械特性,又提供受控的等價(jià)風(fēng)能,可用于設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和測(cè)試應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),大大提高了研發(fā)的效率和有效性,具有一定的研究意義。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的核心是風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的模型建立,其中風(fēng)速特性的輸入尤為重要。這是因?yàn)轱L(fēng)速的易變性和不可控性給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成較大程度的擾動(dòng),這種擾動(dòng)對(duì)機(jī)組本身和與之相連的電力系統(tǒng)都將產(chǎn)生一定的影響,因此,在研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)特性等有關(guān)問題時(shí),只有建立相應(yīng)的風(fēng)速模型,才能對(duì)風(fēng)速的快速變化進(jìn)行模擬,并將該動(dòng)態(tài)風(fēng)速用于風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算實(shí)時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩,提供給風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)?？傊?風(fēng)速模型和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型的建立,其結(jié)果不僅影響風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的控制,而且影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的控制策略的實(shí)施結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)力機(jī)在不同的動(dòng)態(tài)風(fēng)速下的運(yùn)行,滿足發(fā)電機(jī)在亞同步、同步、超同步狀態(tài)以及進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤等方面的研究需要,本文首先對(duì)風(fēng)速特性進(jìn)行研究,在其基礎(chǔ)上建立滿足一定功率譜密度,符合風(fēng)速變化規(guī)律的自回歸風(fēng)速模型。然后在風(fēng)速模型基礎(chǔ)上,考慮尾流效應(yīng),利用權(quán)系數(shù)分配葉素的方法和葉素理論建立風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型。最后通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方案,搭建風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)平臺(tái),進(jìn)行了交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)速模型和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型的正確性,以及風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的有效性和真實(shí)性,為風(fēng)力發(fā)電研究提供了良好的支持。1虛擬風(fēng)場(chǎng)的模擬1.1湍流風(fēng)速模型模擬風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性,首先要對(duì)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況進(jìn)行分析和模擬。風(fēng)是自然界的產(chǎn)物,人們目前還無法對(duì)其進(jìn)行有效的控制,但是風(fēng)速的變化和分布是有一定規(guī)律可循的。Weibull分布是通過常年累月的風(fēng)速預(yù)測(cè),取600s的風(fēng)速平均值進(jìn)行研究,用該平均值來估計(jì)預(yù)測(cè)風(fēng)力資源,但Weibull分布沒有考慮風(fēng)速的快速變化分量,其時(shí)間尺度已經(jīng)大大超過了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)絕大部分動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間常數(shù),所以Weibull分布不足以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究。相比較,平均風(fēng)速與湍流分量相疊加的風(fēng)速模型更能適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究。在該風(fēng)速模型中,平均風(fēng)速可在幾分鐘至幾十分鐘的時(shí)間尺度內(nèi)保持不變,風(fēng)速的變化由湍流分量決定。湍流是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程,滿足以下2個(gè)條件:1)風(fēng)速序列與平均風(fēng)速序列的偏差服從零均值高斯分布;2)風(fēng)速序列滿足一定的功率譜密度。離散時(shí)間隨機(jī)過程的模型通常有自回歸模型(autoregressive,AR)、移動(dòng)平均模型(movingarvrage,MA)及自回歸移動(dòng)平均模型(autoregressivemovingaverage,ARMA),任何ARMA模型或MA模型都可以用一個(gè)足夠高階的AR模型來近似。文獻(xiàn)[8-10]分別采用ARMA/AR模型建立風(fēng)速模型,其中對(duì)自回歸系數(shù)的求解均是直接求解YuleWalker方程,不易計(jì)算,程序移植到VisualC++很不方便,對(duì)階數(shù)和采樣周期的設(shè)計(jì)和選取方法沒有提及,另外對(duì)于湍流風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩建模沒有深入研究,并且缺乏與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doublyfedinductiongenerator,DFIG)配合的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。本文研究的脈動(dòng)風(fēng)速采用VonKarman連續(xù)譜密度函數(shù),具有尖峰無深谷的特征,故采用AR模型建立基于譜密度分析的風(fēng)速模型,采用LevinsonDurbin求解自回歸系數(shù),給出最佳階數(shù)n和采樣周期的確定準(zhǔn)則和方法。在此風(fēng)速模型建立的基礎(chǔ)上,利用Matcom控件將Matlab風(fēng)場(chǎng)程序移植到VisualC++,建立虛擬風(fēng)場(chǎng),同時(shí)為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩建模提供湍流風(fēng)速輸入。1.2自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)考慮一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速序列v(k),k=1,2,3,…,它滿足在平均風(fēng)速v上以σu2為方差的高斯分布,用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述為式中vt(k)為湍流分量。在一定的時(shí)間范圍內(nèi),v一定,vt(k)為一個(gè)隨機(jī)過程,符合VonKarman功率譜密度分布,湍流強(qiáng)度為Tl=σu/v。連續(xù)的VonKarman的譜密度函數(shù)為式中:f為頻率分布;L為湍流尺度;σu2為脈動(dòng)風(fēng)速方差。另一方面,將風(fēng)速的湍流分量視為一個(gè)平穩(wěn)的離散時(shí)間隨機(jī)過程,用AR模型表述為式中:αi為自回歸系數(shù);a(k)為一個(gè)白噪聲序列;n為自回歸階數(shù);k為該風(fēng)速序列的索引值。湍流分量的功率譜密度為式中:ω為數(shù)字角頻率,與采樣周期Ts關(guān)系式為:ω=2πfTs。湍流分量隨機(jī)過程的AR模型,其自相關(guān)函數(shù)表示為當(dāng)l=0時(shí):當(dāng)l≥1時(shí):式中σa2為白噪聲序列a(k)的方差。風(fēng)速的湍流分量是一個(gè)零均值隨機(jī)序列,所以其自協(xié)方差函數(shù)就等于自相關(guān)函數(shù),而自協(xié)方差函數(shù)和功率譜密度函數(shù)是一對(duì)傅里葉變換對(duì),根據(jù)維納–欣欽定理,AR模型的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)是一對(duì)離散傅里葉變換:,根據(jù)傅里葉變換得到Rxx(l)并代入式(6)和(7),便可求出所有的自回歸系數(shù)αi以及a(k)的方差σa2。求解AR模型自回歸系數(shù)的前提是確定最佳階數(shù)n和采樣周期。AR模型的階數(shù)n過低,相應(yīng)的AR模型的極點(diǎn)就少,AR模型譜的譜峰就少,導(dǎo)致平滑的譜估計(jì)值,使真實(shí)譜中的譜峰難以分辨,譜分辨率下降;階數(shù)n選擇過高,雖可以提高譜估計(jì)的分辨率,但同時(shí)產(chǎn)生偽峰,并使計(jì)算量加大。本文AR模型最佳階數(shù)n的確定是結(jié)合最終預(yù)測(cè)誤差(finalpredictionerror,FPE)準(zhǔn)則和信息論(akaikeinformationcriterion,AIC)準(zhǔn)則,逐階預(yù)測(cè)誤差功率σ2an的變化,取預(yù)測(cè)誤差功率基本不變時(shí)的階數(shù)為最佳階數(shù)。當(dāng)階數(shù)大于8時(shí),誤差功率幾乎保持不變。階數(shù)的提高,運(yùn)算量明顯增加,所以最佳階數(shù)為8。采樣周期取值過大,捕捉不到目標(biāo)譜中所含的高頻信息,在高頻區(qū)模擬功率譜和目標(biāo)譜的擬合程度差;采樣周期過小時(shí),模擬精度會(huì)大大降低,所以采樣周期的原則是在保證模擬功率譜和目標(biāo)譜的擬合誤差最小的同時(shí),采樣周期盡可能的小。在階數(shù)確定為8的情況下,在頻率范圍0~2Hz內(nèi)比較,在該頻段內(nèi)取m個(gè)點(diǎn),用最小二乘法來量化擬合的誤差,如式(8)所示,保證譜擬合誤差小、高頻處擬合程度好、盡量小的采樣周期0.25為最佳采樣周期:由于自相關(guān)函數(shù)表示為矩陣時(shí),具有對(duì)稱陣、拖布列茲陣和非負(fù)定陣的相關(guān)特性,利用LevinsonDurbin遞推算法求解Rxx(l),不僅使運(yùn)算量大大減少,而且在使用Matcom將Matlab程序移植到VisualC++時(shí)較方便。n階AR模型系數(shù)的遞推算法簡(jiǎn)化為:式中σ2an稱為n階AR模型的預(yù)測(cè)誤差功率。1.3功率譜密度分析為了驗(yàn)證所建立的基于譜密度分析的自回歸風(fēng)速模型的準(zhǔn)確性和有效性,根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)的一段在600s內(nèi)的風(fēng)速波形進(jìn)行虛擬風(fēng)場(chǎng)模擬,如圖1所示。通過分析圖1的脈動(dòng)風(fēng)速,該600s內(nèi)的風(fēng)速變化規(guī)律基本可分為五段,設(shè)定每段的風(fēng)速相關(guān)參數(shù),基于譜密度分析的自回歸理論的風(fēng)速仿真波形如圖2所示。通過對(duì)比,基于自回歸理論的風(fēng)速模型能夠比較好地模擬在數(shù)十分鐘內(nèi)實(shí)際風(fēng)速的脈動(dòng)情況和風(fēng)速變化規(guī)律。理想VonKarman功率譜密度與和仿真風(fēng)速序列的功率譜密度曲線如圖3所示,通過比較得到,2條曲線的擬合程度較好,雖然在高頻上存在偏差,但是在高頻上的功率譜密度(powerspectraldensity,PSD)值非常小,所以在高頻上的偏差并不大。這更進(jìn)一步說明了模擬譜的精確度較高,采樣周期和階數(shù)的選取都比較合適。2風(fēng)力機(jī)模擬2.1葉片葉素及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速模型由于風(fēng)的湍流分量以及葉片翼型的不同,風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩的建模引起了廣泛的研究。由于在實(shí)際過程中,風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)未知,僅有制造商提供的葉片制造參數(shù)。文獻(xiàn)采用多項(xiàng)式擬合風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,利用交流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī);文獻(xiàn)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的風(fēng)能利用系數(shù);文獻(xiàn)采用復(fù)雜的非線性方程進(jìn)行風(fēng)力機(jī)參數(shù)辨識(shí),建模;文獻(xiàn)采用葉片微元進(jìn)行風(fēng)力機(jī)建模進(jìn)行仿真研究,對(duì)葉素的分割采用平均系數(shù)優(yōu)化,不符合風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律;文獻(xiàn)雖然利用葉素理論計(jì)算風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩,但是忽略了渦流效應(yīng)的影響,并且缺乏與DFIG配合的各種動(dòng)態(tài)風(fēng)速下的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)(風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、并網(wǎng)和最大功率跟蹤運(yùn)行)。本文不僅考慮渦流效應(yīng)的影響,并利用優(yōu)化的權(quán)系數(shù)重新分配葉素,采用葉素理論進(jìn)行風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩建模,該風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型不僅能夠反映出風(fēng)力機(jī)的真實(shí)受力,準(zhǔn)確計(jì)算變槳距角變翼型的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩,而且可以消除高次多項(xiàng)式擬合方法的實(shí)時(shí)性受限和經(jīng)驗(yàn)公式的精確性較差等問題?；谌~素理論的風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩建模是將葉片分為若干個(gè)葉素,通過對(duì)葉素的受力分析求的微元轉(zhuǎn)矩,再將所有的微元轉(zhuǎn)矩相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩。在風(fēng)輪半徑處取一長(zhǎng)度為dr的葉素,如圖4所示,假設(shè)風(fēng)輪始終正對(duì)風(fēng)向,吹過風(fēng)輪的軸向風(fēng)速為v,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為u=ωr(ω為風(fēng)輪角速度),氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為w0,則有:w0=v-u。對(duì)于有限長(zhǎng)的葉片,風(fēng)在經(jīng)過風(fēng)輪時(shí)會(huì)形成渦流,對(duì)風(fēng)速造成一定影響,風(fēng)力機(jī)功率有所損失,即渦流效應(yīng)。為了使基于葉素理論的風(fēng)輪模型更接近于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力機(jī),保證風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算的準(zhǔn)確性,使研究更具有實(shí)際意義和使用價(jià)值,需要對(duì)風(fēng)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速修正。對(duì)于空間某一點(diǎn),其風(fēng)速可以認(rèn)為由非擾動(dòng)的風(fēng)速和由渦流系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)速之和。假設(shè)渦流通過風(fēng)輪的軸向速度為va=av,旋轉(zhuǎn)速度為ua=bu,其中a、b分別為軸向誘導(dǎo)速度系數(shù)和切向誘導(dǎo)速度系數(shù),定義為:式中KL為拉格朗日系數(shù)。由渦流理論可知,渦流形成的氣流通過風(fēng)輪的軸向速度va與風(fēng)速方向相反,旋轉(zhuǎn)速度ua與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向相同,速度矢量圖如圖4所示,在渦流影響下,風(fēng)速為v-va,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為u+ua,相對(duì)風(fēng)速表示為功角i表示為葉素dr在相對(duì)速度w的氣流作用下,受到一個(gè)方向斜向上的氣動(dòng)力dF,dF沿與相對(duì)速度w垂直及平行的方向分解為升力dL和阻力dD,按垂直和平行于旋轉(zhuǎn)平面方向分解為dFa和dFu。風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩dT由dFu產(chǎn)生:式中I=β+i。風(fēng)輪的總轉(zhuǎn)矩T是由風(fēng)力機(jī)槳葉所有葉素的轉(zhuǎn)矩微元dT之和,表示為式中:攻角i(r)表示為葉尖速比λ=ωr/v的函數(shù);w為相對(duì)于葉片的風(fēng)速,w(r)為關(guān)于r的函數(shù);l(r)為在不同高度r上翼型的弦長(zhǎng);Cl(i)為升力系數(shù)關(guān)于攻角i的函數(shù);β(r)為槳距角的函數(shù);σ為Prandtl系數(shù),用于修正多個(gè)葉片風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩,可表示為目前隨著風(fēng)力機(jī)功率的增大,兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的直徑長(zhǎng)達(dá)百米,葉根部和葉尖部的葉素所受力矩將產(chǎn)生巨大的差別,而風(fēng)輪所受力矩也主要由葉尖部的葉素決定,因此,只有根據(jù)一定的權(quán)重重新分割葉素(葉尖部分權(quán)重大),才能提高所建風(fēng)輪模型的精確度。同時(shí)考慮到風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩輸出的實(shí)時(shí)性要求,葉素總數(shù)不可能無限制增大,所以在有限的葉素下,引入權(quán)系數(shù),重新分割葉素,對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的建模。假設(shè)葉素總數(shù)為p,根據(jù)葉片的翼型參數(shù)的變化,將槳葉分成n個(gè)特性區(qū)域,每個(gè)區(qū)域分配的葉素?cái)?shù)pt由權(quán)系數(shù)kt決定,即忽略每個(gè)特性區(qū)域內(nèi)風(fēng)機(jī)固有參數(shù)Cl(i)、ε(i)、l(r)、β(r)等相對(duì)不大的差別,設(shè)定每個(gè)分區(qū)的受力點(diǎn)就在其中心位置,該區(qū)域的風(fēng)輪力矩可表示為由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的平方成一定比例關(guān)系,其權(quán)系數(shù)kt可以優(yōu)化為修正后的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩公式為式中j為每個(gè)區(qū)域內(nèi)葉素參數(shù)的序號(hào)。為了驗(yàn)證基于葉素理論的權(quán)系數(shù)分配的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型,先利用Matlab軟件建立風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩仿真模型,然后利用風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中風(fēng)力機(jī)翼型為NACA23015,R=6.25m。圖5為在一系列風(fēng)速下,在一定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(黑色粗線),其與GHBladed計(jì)算結(jié)果曲線重合,從而證明了基于葉素理論的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型的正確性和精確性。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩(毛刺曲線)為湍流強(qiáng)度為0.16的風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算結(jié)果,通過比較分析,湍流風(fēng)速下的轉(zhuǎn)矩值在GHBladed平均風(fēng)速下的轉(zhuǎn)矩值附近波動(dòng),波動(dòng)值在允許范圍之內(nèi)。圖6為平均值為10~12m/s的階梯風(fēng)速,湍流強(qiáng)度為0.16,每段風(fēng)速持續(xù)時(shí)間為20s,如圖6(a)所示,相對(duì)應(yīng)風(fēng)速的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩如圖6(b)所示,通過比較,證明所建風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩模型能夠反映實(shí)時(shí)風(fēng)速變化,為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。2.2直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)轉(zhuǎn)速控制根據(jù)圖6所表示的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,與直流電動(dòng)機(jī)的特性具有較大的相似性,故可采用直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的控制框圖如圖7所示,首先測(cè)得直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,將其除以齒輪箱的增速比,作為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速;根據(jù)葉片槳距角和當(dāng)前動(dòng)態(tài)風(fēng)速,利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算出風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為參考轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而計(jì)算出電樞給定電流,經(jīng)過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器加上反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償量得到電樞控制電壓。三相全控整流電流是將三相交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī),實(shí)際控制系統(tǒng)的輸出量為觸發(fā)角,將控制電樞電壓轉(zhuǎn)換為觸發(fā)角傳送給同步6脈沖觸發(fā)器以控制三相全控整流橋,最終將電機(jī)電流調(diào)節(jié)到給定電樞電流。3虛擬風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)力機(jī)模型系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究3.1基于譜密度分析法的風(fēng)速模型在基于譜密度分析的自回歸理論的風(fēng)速模型和基于葉素理論和渦流理論的權(quán)系數(shù)分配的風(fēng)力機(jī)模型的基礎(chǔ)上,研制了虛擬風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖8所示。該系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)機(jī)主控制系統(tǒng)、變換器和DFIG,能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬各種動(dòng)態(tài)風(fēng)速下變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的起動(dòng)、并網(wǎng)和最大功率跟蹤運(yùn)行等。其中直流電動(dòng)機(jī)參數(shù):額定功率11kW,額定轉(zhuǎn)速1500r/min,額定電壓440V,額定電流29.9A,勵(lì)磁電壓180V,勵(lì)磁電流4.09A;交流勵(lì)磁DFIG參數(shù):額定功率7.5kW,額定轉(zhuǎn)速1420r/min,轉(zhuǎn)子Y型連接,額定電壓200V,額定電流27.3A;定子Y型連接,額定電壓380V,額定電流19A。虛擬風(fēng)場(chǎng)是通過分段設(shè)置各段風(fēng)速的具體參數(shù),利用基于譜密度分析的自回歸理論風(fēng)速模型產(chǎn)生風(fēng)速序列,按照預(yù)先設(shè)置的方式不間斷循環(huán)運(yùn)行,其中風(fēng)速具體參數(shù)主要指各階段的持續(xù)時(shí)間、平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、湍流尺度和采樣周期。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)速序列、變槳信號(hào)和槳距角和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速,利用風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩模型,計(jì)算出風(fēng)力機(jī)模擬轉(zhuǎn)矩給定值,發(fā)送給直流調(diào)速控制系統(tǒng);直流調(diào)速控制系統(tǒng)通過控制直流電機(jī)的電樞電流,從而控制直流電機(jī)輸出相應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)矩;直流電動(dòng)機(jī)與DFIG連軸,用于模擬風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。3.2實(shí)驗(yàn)分析3.2.1風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)注意事項(xiàng)虛擬風(fēng)力機(jī)模擬了實(shí)際風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)過程,如圖9所示。開始風(fēng)機(jī)停機(jī),槳距角為90°,輸出轉(zhuǎn)矩為0;當(dāng)給定風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng),槳葉開始向0°方向變槳,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升。由于此時(shí)發(fā)電機(jī)尚未并網(wǎng),風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只需要克服摩擦轉(zhuǎn)矩。并網(wǎng)后,當(dāng)前給定風(fēng)速低于額定風(fēng)速,風(fēng)機(jī)處于欠功率狀態(tài),槳距角固定至5°附近,此后風(fēng)力機(jī)模擬轉(zhuǎn)矩跟隨給定風(fēng)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤。3.2.2基于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的dfig仿真圖10是不同風(fēng)速的模擬,其中風(fēng)速的平均值為9、10、11、12、11、10、9m/s,湍流強(qiáng)度為0.16,每段風(fēng)速持續(xù)時(shí)間為20s,圖11是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤階段對(duì)應(yīng)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下的風(fēng)輪模擬轉(zhuǎn)矩輸出。由圖10可知,該虛擬風(fēng)場(chǎng)根據(jù)設(shè)定的方式不間斷循環(huán)運(yùn)行,解決了以往各種風(fēng)速模擬方法的時(shí)間局限性和模擬過程的非連續(xù)性。由圖11可知,風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化而變化,使風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下進(jìn)行最大風(fēng)能捕獲;通過與圖5和圖6的仿真波形比較,實(shí)際直流電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地模擬出風(fēng)力機(jī)高速軸轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律,驗(yàn)證了風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模型的正確性。圖12是風(fēng)速由10m/s階躍至11m/s時(shí),DFIG的變速恒頻運(yùn)行。由圖12(a)可知,當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩增大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)從定子側(cè)輸入電網(wǎng)的能量增多,定子電流幅值增大,但由于轉(zhuǎn)子側(cè)的雙PWM變頻器的勵(lì)磁控制,使電流頻率保持在50Hz,實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)功率是定子側(cè)功率的轉(zhuǎn)差率倍數(shù),當(dāng)在定子側(cè)功率增大時(shí),網(wǎng)側(cè)變換器的功率也會(huì)上升,所以網(wǎng)側(cè)電流增加的幅度比定子側(cè)要小。另外在圖12(b)中可知,當(dāng)風(fēng)速及功率變化時(shí),直流母線電壓能保持穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩增大,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升,轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的控制使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率有所降低,符合轉(zhuǎn)子電流頻率=定子電流頻率×轉(zhuǎn)差率。3.2.3同步速前后轉(zhuǎn)子電流和電網(wǎng)電壓變化當(dāng)風(fēng)速?gòu)?2m/s階躍至為15m/s時(shí),變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由亞同步速1050