第2章 风力机的气动和机械系统建模

2.1 概述

风在通过风力机时会产生升力，驱动风轮旋转，从而可利用风力机将风能转化为机械能。该过程的分析涉及空气动力学和流体力学，对其准确建模需要采用叶素理论，利用叶片的几何尺寸等参数，对叶片各处受力进行详细计算，其数学建模较为复杂。当主要关心风力发电机组并网的电气特性时，通常采用简化的建模方法建立风力机的气动模型。

风力发电并网对电力系统的扰动来源于风速的随机性和波动性，研究风电场动态特性、并网运行及调度管理等问题需建立与之相适应的风速模型，从而为风力发电系统的仿真研究提供正确的源参数。风速模型可采用基于实测值的风速序列，其优点是用真实的风速来仿真风力机的性能，缺点是需要大量实测数据。如果某风速范围内没有满足特性要求的实测风速序列，仿真就不能进行，为了使风速的建模更为准确，本章采用数值模拟的方法，通过对相应参数赋予合适的值来模拟不同特性的风速，其中风速的模型主要包括威布尔分布风速模型和组合风速模型。

风力机的气动模型体现了捕获的机械转矩与风速、转速及桨距角的关系。在介绍基本的风力机气动特性的基础上，根据风能利用系数特性曲线给出了风力发电机的功率和转矩的模型。

风力机的机械系统是指机械传动系统，由旋转部分和连接轴组成，非直驱机组还包括齿轮箱。由于风力机风轮与发电机之间通过刚度较低的轴系相连，与传统发电厂的轴系系统相比，风力机的轴系相对较软，故双质块模型更能全面地模拟风力机的轴系特性。由于齿轮箱惯性相对较小，通常被忽略不计，双质块分别表示风力机风轮和发电机转子。本章将介绍描述机械系统的集中质块模型和双质块模型。