中小型风电系统风轮输出功率波动的影响因素研究

摘要

随着社会经济的快速发展、能源的需求量增大，资源短缺和生态环境恶化等问题的日渐突显，可再生能源的利用日益引起了人们关注。风力发电是最常见的风能主要利用形式之一，具有良好的发展前景。由于自然风的随机性会导致风力机输出电压和功率产生波动，严重影响了电能质量和设备使用寿命，这些都是风力发电发展亟需解决的问题。
　　影响风电系统功率波动的因素有很多，本文针对中小型风力发电系统，综合风特性和机组自身结构特性两方面研究，分析风轮输出功率波动的主要影响因素，主要分为风速、湍流强度、风剪切和塔影效应对功率波动的影响。
　　本文针对影响风力输出功率波动的主要因素进行了研究，包括风速、湍流强度、风剪切和塔影效应。根据风特性和机组自身结构特性，基于Matlab/Simulink软件仿真平台建立了综合风速仿真模型及风功率仿真模型。其中，综合风速模型考虑了风特性和机组结构特性，包括基本风、阵风、渐变风、随机风、风剪切和塔影效应六部分。对仿真风速与实测风速进行误差和相关系数的统计分析，验证了综合风速模型的可行性。
　　本文给出了中小型风力发电系统风轮输出功率波动的量化指标，用于描述中小型风电系统功率波动的度量。量化指标包括功率波动量、功率波动率和功率波动的相对标准差。在短时间尺度内，依据功率波动的量化指标，对实测风速、功率数据进行分析，得出功率波动的相对标准差与湍流强度呈现相同变化趋势的结论，且随时间尺度的增大，湍流强度和功率波动性会增强。同时，对不同转速情况下的风剪切和塔影效应进行仿真，FFT变换下的频谱图得出了风剪切和塔影效应引起的功率波动频率为风轮旋转频率3倍的结论。一般情况下，中小型风力机转速范围为0~750r/min，即转速频率范围为0~12.5Hz，根据本文的研究结果，由于风剪切和塔影效应的影响，风轮输出功率波动频率范围为0~37.5Hz。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 中小型风力发电技术现状

1.2.2 风电功率波动性的研究现状

1.3 课题的主要内容

第二章 中小型风力发电系统及功率波动影响因素

2.1 中小型风力发电系统

2.1.1 中小型水平轴风力发电机组工作原理

2.1.2 中小型风力发电系统的基本组成

2.1.3 中小型风力发电系统中存在的问题及解决办法

2.2 影响风轮输出功率波动的主要因素

2.2.1 风速

2.2.2 湍流强度

2.2.3 风剪切

2.2.4 塔影效应

第三章 基于Matlab/Simulink建立仿真模型及数据分析

3.1 基于Matlab/Simulink建立仿真模型

3.1.1 风速模型的建立

3.1.2 风轮输出功率模型的建立

3.2 综合风速仿真数据可靠性分析

3.2.1 实测数据与仿真条件的设定

3.2.2 仿真数据的评价标准

3.2.3 仿真数据与实测数据的对比结果

第四章 中小型风电系统风轮输出功率波动特性分析

4.1 风轮输出功率波动的量化指标

4.2 功率波动的时域分析

4.2.1 不同时间尺度的划分

4.2.2 湍流强度对功率波动的影响

4.3 功率波动的频域分析

4.3.1 风剪切与塔影效应对功率波动的影响

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

在读期间取得的科研成果