风力发电机组动力学建模与仿真分析

辛金明

摘 要：要想弄清楚风力发电机组的暂态过程将对电力系统产生何种影响，就必须建立一定的模型进行仿真分析，使得出的结论更真实可靠。在本文中，笔者依据发电机組的结构对3种风力发电机组的动力学模型进行分析，即空气动力学模型、转子及塔筒动力学模型和传动链模型，接着客观分析不同环节之间可能存在的相互影响，然后进行模型修正，最终建立有效模型，并进行相应的仿真分析。

关键词：风力发电；暂态模型；动力学模型；非线性模型

中图分类号：TK83 文献标识码：A

1.风力发电机组机械子系统结构

当前并网运行的风力发电机组大致包含以下4种类型：双馈异步式机组、永磁直驱式机组、全功率异步式机组以及采用鼠笼电机直接并网的异步机组，其中双馈异步式机组、全功率异步式机组和采用鼠笼电机直接并网的异步机组的机械子系统结构均如图1所示，而永磁直驱式机组的机械子系统无齿轮箱结构。

在风力发电机组的3个动力学模型中，空气动力学模型基于激盘理论和叶素理论描述叶片受力情况，通过桨距角和风速将风力资源转换成升力和阻力，然后经坐标的变换分解，把升力、阻力转换成旋转面内、外的力矩；转子及塔筒动力学模型则是将风轮的3个叶片、塔筒和轮毂看作是具有5个自由度的整体，并且根据拉尔朗日方程的相关求解得出与每个自由度相对应的角位移和转矩；传动链动力学模型在风力发电机组中起到了将低速旋转的轮毂转矩传递给高速运动的转子的作用。

2.风力发电机组动力学模型

2.1 空气动力学模型

一般情况下，我们习惯用空气动力学模型来表示风力发电机组中风轮吸收空气动能并将其转换成旋转机械能的数学关系。在这里，笔者简要谈一下叶素理论建模法：叶素理论对长度为无限小的径向叶素进行相关受力分析，充分参考有限翼展对叶尖可能产生的涡流影响，在此基础上对叶素作用进行积分，这样就能计算得出叶根处受到的力矩。

2.2 转子及塔筒动力学模型

风力发电机组的旋转发电过程实际上是十分繁复的，具有多自由度、多变量和高非线性耦合的特征，有点类似于多自由度机械臂的运动过程。运用拉格朗日方法对机械系统动力学方程进行建模相对比较简单，这种建模方法只需要用广义坐标对物体的运动进行描述，计算出整个系统的动能和势能。

2.3 传动链动力学模型

轮毂、低速轴、高速轴、发电机转子、齿轮箱等都是传动链动力学模型的一部分，且其中齿轮箱赋予了风轮和发电机组之间的转轴以柔性。因为齿轮箱通常被固定在风力发电机组的塔筒顶部，塔筒发生旋转平面内的左右摆动时，将对齿轮的转动产生一定的影响，使齿轮得到一个附加转速，所以，在传动链动力学模型中应当为齿轮箱增添一个独立于传动轴的旋转自由度。在这里不妨建立一个由轮毂、齿轮箱和发电机转子组成的三质量块模型，将其看做刚体，将连接轮毂、齿轮箱和发电机转子的传动轴看做柔性轴，通过这样的方式来描述传动轴的柔性对风力发电机组动态性能的影响就更为简单准确。

3.模型接口及其修正

由于上面所运用的模型中存在塔筒沿驱动侧方向的前后摆动，因此还需要引入相应变量，对空气动力学模型中的相对风速进行相应的修正。值得注意的是，若模型输入时采用的数据是风力发电机组风向仪采得的数据，就不需要进行修正。

另外，由于传动链动力学模型中包括发电机转动惯量，因此还需要通过将电机模型设置为转速输入并且忽略转子惯性来对传动链模型进行修正。

4.仿真分析

为了使本文所述风力发电机组的动力学模型的精度更具说服力，在此笔者对许寅等人撰写的《风力发电机组暂态仿真模型》一文中提及的模型进行建模，并且输入相同风速进行等时间等尺度的仿真，为了排除变桨可能带来的控制效果，此处的仿真选择一段不超过额定点的风况，具体如图2所示。

由图2不难看出，当风速在第10s左右发生骤降时，文献所述模型的转速受到很大影响，发生骤降；而本文所描述的模型转速对风速突然变化的影响却并没有太大的反应，由此可知，本文建立的模型精度更高。

结语

虽然现在国内外已经有了很多针对风力发电机组电气控制方面的研究分析，但是不管是广度还是深度都是不够的，部分仿真分析忽略了风力发电机组中的非线性特征，也就降低了该仿真分析结果的可信度。本文所提出的运动理论力学拉格朗日法对风力发电机组进行建模和仿真分析，不但加强了对风力发电机组机理的理解，而且为以后开展并网暂态分析等提供了一定的理论依据。

参考文献

[1]王磊.海上风电机组系统动力学建模及仿真分析研究[D].重庆大学，2011.

[2]刘先正，王兴成，温家良，等.风力发电机组动力学建模与分析[J].电力系统自动化，2015（5）：15-19+141.