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风力发电机组动态耦合与风速特性分析
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更新于2024-06-21
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"风速特性与风力发电机组动态耦合的研究与分析" 本文详细探讨了风力发电领域的关键技术和理论,重点关注风速特性与风力发电机组动态耦合的分析。首先,文章介绍了研究背景,指出随着传统能源的日益枯竭,可再生能源,特别是风能,成为全球关注的焦点。在国内外风电发展的对比中,指出了中国风电发展中存在的问题,如技术瓶颈、风能资源评估不足等。 接下来,文章深入讲解了风力发电机的基础理论。包括风力机的工作原理和结构,以及风力发电机的分类,如定速发电机和变速发电机。此外,还涉及了空气动力学相关知识,如贝兹极限、风力机的背面风速、桨叶几何参数和叶素动量理论,这些都是风力机性能优化的关键。 在风力特性的建模部分,文章详细阐述了风的定义、变化特性、统计特性以及风能密度的概念。并通过对威布尔分布的参数估计,进行了风能资源的评估,特别提到了江苏如东地区的风速评估案例。此外,建立了通用风速模型和基于实测数据的预测风速模型,包括自回归理论和谱密度分析方法。 风力机建模章节中,讨论了风轮的空气动力学计算、增速机构的动态数学模型以及发电机的动态特性,区分了恒速和变速发电机的不同。同时,提出了控制策略,包括风力机运行的三个阶段和理想情况下的控制策略。 在MATLAB的仿真算例与分析中,通过Simulink软件模拟了风速和风力机的耦合关系,分析了低风速和高风速条件下的风力机行为,并针对三种特殊状态(如启动、并网和过速保护)进行了耦合特性的详细研究。 最后,文章总结了研究工作,强调了风速特性和风力发电机组动态耦合在提高风能利用率和确保发电稳定性中的重要性。全文通过深入研究和仿真分析,为风力发电技术的发展提供了理论支持和实践指导。
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风速特性与风力发电机组动态特性耦合关系的研究
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骚。
我国风能资源十分丰富。根据国家气象局的资料,中国离地 10 米高的风能
资源 总 储量约 32.26 亿千瓦,其中可开 发和利用的陆地上风能储量有 2.53 亿千
瓦,50 米高度的风能资源比 10 米高度多一倍,为 5 亿多千瓦;近海可开发和利用
的风能储量有 7.5 亿千瓦。
对风力机的研究我国是从 70 年代开始接触并研制的,80 年代相继研制开发
了 30kW、40kW/55kW 风力机,并于 1986 年 4 月在山东荣城建立了第一个风电场。
90 年代 国 家为 了 加 快风 力 发 电技 术 的 发展 , 先 后安 排 了 120kW、 200kW。 300~
600kW 等大中型风力机的研究课题。“十一五”计划中又明确将“兆瓦级变速恒频
的风力发电机组”列入 863 计划。到目前为之,我国自主开发的 750kW 风力机组
国产化率已达 90%。在产品方面,我国首台兆瓦及变速/恒频双馈异步发电机及控
制装置在兰州研制成功,其控制装置又兰州电机、沈阳工大和清华大学联合研制,
属该领域国际前沿项目;06 年,我国广州中科恒源能源科技有限公司自主研制的
全永磁悬浮风力发电机顺利实现了产业化,使得微风发电成为可能。
统计显示,我国已连续三年成为世界上最活跃的风电市场。2008 年,全国新
增风电装机容量 630 万千瓦,总量达到 1220 万千瓦,超越印度,仅次于美国、德
国、西班牙。
现在,我国已提出“风电三峡”宏伟蓝图,建设六大 1000 万千瓦级风电基
地,包括甘肃酒泉、新疆哈密、内蒙古东部、内蒙古西部、河北北部及江苏沿海,
其中最大一处基地的装机容量就达 2000 万千瓦。此外,还将建设一批百万千瓦
级风电基地。据悉,在连接上海本土与洋山岛的东海大桥东侧,一大片海上风电
场正加紧建设,先期由 30 多座 3000 千瓦级别的风电机组构成,现已建成约四分
之一。在上海临近海岸线的各区县,也分布了多处小型风电场。
1.2.4 我国风力发电存在的问题。
目前,我国的风电产业的发展存在好多问题,主要如下:
首先,我国虽然风能资源很丰富,但风能资源分布与电力需求之间仍存有不
匹配的情况,如东南沿海地区电力需求量大,风电场接入也比较方便,但沿海土
地资源紧张,可用于建设风场的面积有限;东北、华北、西北地区风力资源丰富,
可用于建设风电场的面积较大,但电网建设相对薄弱,且电力需求相对较小,需
要将电力输送到较远的电力负荷中心。
第二,自主创新能力不强,主要依靠国外技术的引进。比如目前我国好多设
备技术都是从国外引进或者国际合作,自主开发的能力还不强,和国外相比还有
很大的差距。由于时间比较短,产品的质量、产品的可靠性方面也有一定差距,
风电产业属于经验积累型产业。现在总体来讲,还是有一些小的毛病。
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硕士学位论文
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第三,缺乏一套完善的检测认证体系,风力机组是需要检测认证来判断它的
好坏,尽管现在行业内已经有一些能力,但是能力不够强。检测能力不强,使这
个产业难以准确判断设备的优劣,这是目前面临的一个很大的制约因素。我国风
电产业发展迅猛,但发电效率却远远低于国际标准。有数据显示,我国风力机组
的平均利用率在 20%左右,而国际平均水平在 25%至 30%之间。 这其中一个重要
原因是我国风电设备特别是风机的质量不够稳定。近年来各种问题也逐渐暴露出
来,比如质量不稳定、故障率上升、售后服务较差等等。风电设备制造业无序发
展的结果,一方面是鱼龙混杂,导致产品质量难以保证;另一方面还将导致产能
过剩,影响整个产业的健康发展。
第四,随着风电产业的快速发展,风电上网问题正变得日益凸显。目前电网
已成为制约风电发展的一大瓶颈。据了解,受风力影响,风电相对不够稳定,电
网企业对接收风电的积极性不高,也被认为是造成风电上网难的一个重要因素。
第五,现阶段风电设备投资相对过热,产能过剩。因为风电是以产业链为主
的产业,引进一套设备,买一套图纸,就可以来生产设备,门槛较低,主要的零
部件企业如电机、齿轮箱等,没有一家为了风电而专门建设投资发电机或齿轮箱,
所有都是整机企业,所以这种重复建设容易出现。重复建设带来盲目投资,致使
近期难以消化这么多的产能。当然,现在国内 70 多家设备制造企业,真正具备
能力的可能只有 10 家,真正形成批量的可能就 3 家。因此适当的引导,对提高大
家对这个行业投资的风险,对促进这个产业的健康发展将会起到重要的作用
[4]
。
第六,增值税转型是指由生产型增值税转为消费型增值税,即企业购入设备
的金额允许从销售额中扣除。从国家层面而言,全国增值税由生产型转向消费型,
针对第二产业的机器设备实施税前抵扣,可为企业减轻税收负担。但这对地方财
政而言,意味着大笔减收。
1.3 风力发电的主要研究技术及发展趋势
世界并网型风力发电机组的发展体现在大型化、控制技术和新材料等方面。
目前国外风力发电的发展现状及趋势主要有以下几个方面
[5.6]
:
(1)单机容量越来越大。风机的容量越大,单位电量的成本越低。现在,
风电市场上销售的机组容量一般为 600~2 500 kW。其中单机容量最大的风力机组
是由德国 Repower 公司生产的 5 MW 风力机,预计在 2010 年将开发出 10MW 的风电
机组。
(2)变桨距调节方式将迅速取代定桨距失速调节。变桨距调节能保证发电
机的输出功率按照最佳风能利用系数的功率输出,同时功率输出比较稳定,不会
造成电机超负荷。而且变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低,停机时传动
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风速特性与风力发电机组动态特性耦合关系的研究
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机械的冲击应力相对缓和。
(3)无齿轮箱系统的直驱式风力机的市场份额正在迅速扩大。所谓直驱式
风力机是指风轮直接驱动多极同步发电机,而不存在传动齿轮箱。直驱式风力机
的优点很多,如投资相对较低、传动链损失较少、停机时间较短,以及维护费用
低、可靠性好等,因此直驱式风力机在市场中的比例也越来越大。
(4)风力发电由陆地转向海上。与陆地比,海上风速较高,约高出 20%~100%。
从理论上讲,风能的功率与风速的三次方成正比,如此计算海上的风电功率是陆
地上的 1.7~1.8 倍;陆地上表面不平,有高有低,对风速、风向等有很大影响,
甚至引起紊流,同时对风轮叶片破坏力极大,甚至有可能导致桨叶的振动和断裂。
海上没有次类危险;海面宽阔,不受场地限制,有可能实现风电场的大容量化等。
(5)风力发电机无刷化
无刷化可提高系统的运行可靠性,实现免维护,提高发电效率。
(6)大型风机系统和小型风机系统并列发展
在开发大型机的同时还应重视小型机。大型风力机用于海上风能发电时在景
观、噪声等方面的问题不突出, 可以采用数兆瓦级的 的大型机组;但是在陆地上
受到地形、系统等外部条件限制时,采用小型机相对优势比较明显。
1.4 研究内容及国内外研究现状
我们知道现在各国都在寻找新能源,以期取代即将消耗完的传统能源。而目
前,风电产业在全球正在如火如荼地发展。而且我国风能储存很大,如果能够发
展好,风电产业将是国家发展之大计。
我们在看到光明的同时,也应该看到困难。目前,我国的风力机好多是引进
国外的,对具体风力机和具体的风场没有进行实际的动态分析,国外的风力机并
没有考虑到国内的具体风况,因此说吻合不一定是最好的。基于风特性的多变性,
研究风特性和风力机组动态耦合关系就是一项很必要的任务,对于发展国产风电
有着很重要的意义。
本文主要的研究内容有:建立江苏如东风场的某一段时间内的风速模型;建
立 G80-2.0MW 型风力机的数学模型;仿真分析风速和风力机的耦合关系。
关于国内外对这一块的研究主要有风速模型的建立和风力机模型的建立。而
真正研究两者之间的耦合并不多见。
在风力特性方面,文献[7]利用自回归法建立了具有一定功率密度谱特性
的脉动风速模型,并利用 Matlab 软件进行了仿真模拟;文献[8,9]利用三角函数
叠加谐波的方法和基于数字滤波技术模拟风速,但是谐波合成法计算量大,所产
生的风速不考虑时间的相关性,与实际风速曲线存在一定的差异;文献[10-12]
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分别采用了最小二乘支持向量机、神经网络和自回归滑动平均法建立了风速模型,
但是这些方法要依赖于风速观察数据;
在风力机模型方面,文献[13]分析了传动轴的振型,并用软件 Pro/e 分析了
传动轴的受力情况。文献[14]在介绍双馈变速恒频风力发电系统控制策略的框架
下,提出了用电动机模拟风力机输出特性的总体控制策略,但缺乏具体的模拟算
法和实现方案。文献[15]研究了风力机的传动轴的动态特性,并指出风轮和发电
机之间的连接轴刚度很低柔性很大,主要是由于齿轮传动装置造成的。因此,对
于使 用齿 轮传 动作 为增 速箱 的风 力机 组其 机械 传动 链的 动态 特性 对系 统性 能 有
较为明显的影响。文献[16-18]研究了轴系动态对机组机械应力等方面的影响。
其中文献[16]认为变速风力机对消除传动轴的动态应力要优于恒速风力机。
对于控制方面。文献[19,20]分别设计了无转子位置传感器的控制策略,文
献[21]用鲁棒的方法设计控制系统,不需要对定子电流进行测量,并且具有很好
的系统稳定性。文献[22]用模糊逻辑方法控制双馈电机。
在风力特性与风力机组耦合方面,文献[23]将风速特性和风力机气动转矩特
性联系在一起进行了相关研究,但是没有考虑风力机传动系统而建立了发电机系
统的模型。文献[24]建立了风力机模型并模拟了风速模型,但对与两者的耦合关
系考虑较少。
基于国内外研究的基础之上,本文研究的内容主要有建立风速的预测模型和
风力机模型,并考虑输入风速的影响因素,最后仿真分析风速和风力机之间的耦
合关系。
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