基于matlab的风力发电机组的建模与仿真.doc

实验一：风力发电机组的建模与仿真
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一、实验目标:
1.能够对风力发电机组的系统结构有深入的了解。
2.能熟练的利用MATLAB软件进行模块的搭建以及仿真。
3.对仿真结果进行研究并找出最优控制策略。

实验类容：
对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用MATLAB软件进行了仿真。
三、实验原理：
风力发电系统的模型主要包括风速模型、传动系统模型、发电机模型和变桨距模型，下文将从以上几方面进行研究。
1、风速的设计
自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。本文不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成：基本风速、阵风风速、渐变风速和噪声风速。即模拟风速的模型为：
V=+++（1-1)
.基本风=8m/s

基本风仿真模块

阵风风速

(1-2)
式中：
(1-3)
t为时间，单位s；T为阵风的周期，单位s；，为阵风风速，单位m/s；为阵风开始时间，单位s；为阵风的最大值，单位m/s。

本例中，阵风开始时间为3秒，阵风终止时间为9秒，阵风周期为6秒，阵风
最大值为6m/s。
渐变风速

渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下：
(1-4)
式中：
(1-5)
为渐变风开始时间，单位s；为渐变风终止时间，单位s；，为不同时刻渐变风风速，单位m/s；为渐变风的最大值，单位m/s。

（4）噪声风速
选择一个随机噪声模块就可以
风速V=+++

风力机模型的建立
风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转化将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数<0.593。风力机实际得到的有用功率为：
(2-1)
而风轮获得的气动扭矩为：
(2-2)
其中：
表示有用功率，单位为w；表示空气密度，单位为Kg/m；R表示风轮转动半径，单位为m；表示风速，单位为m/s；表示风能利用系数；表示气动转矩系数；
并且有：
(2-3)
(2-4)
称为叶尖速比；为风轮角速度，单位为rad/s。
（1）的搭建

（2）风力机的搭建（包含风力机实际得到的有用功率，风轮获得的气动扭矩）

传动系统模型的建立:
本实验在分析传动系统机理的基础上，建立系统的刚性轴模型。刚性轴模型认为传动系统是刚性的，即低速轴，增速齿轮箱传动轴，高速轴都是刚性的。忽略风轮和发电机部分的传动阻尼，最后可得传动系统的简化运动方程为：
(3-1)
其中：
为风轮转动惯量，单位；n为传动比；为发电机转动惯量，单位；
为发电机的反转矩，单位。
并且：
（3-2）
为发电机转速，单位rad/s。

传动系统仿真模块

4、发电机模型的建立：
本实验只建立发电机的模型，而忽略变频装置。发电机的反扭矩方程为：
（4-1）
（4-2）
其中：
为发电机极对数；为相数；为电压；为修正系数;为发电机的当量转速；
为发电机转子转速；为发电机的同步转速；，分别为定子绕组的电阻和漏抗；
，分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，单位为Ω。

发电机反扭矩仿真模块

所有模块链接

实验结果与分析：
1、风速仿真结果

基本风速

阵风风速

渐变风速

随机噪声风速

总的风速模型

风力机仿真结果

仿真波形

的仿真波形

的仿真波形
传动系统仿真结果

的仿真波形

发电机仿真结果

U1仿真波形

WG仿真波形

Te的仿真波形
风力机组模型仿真结果

W的仿真波形
风速、输出功率波形都在上面给出波形了，这里不再给出。
结果分析
（1）由上图可知系统输出的功率波形与输入的风速有关，由于系统中存在噪声所以输出地功率存在很大的噪声，风轮机和发电机的输出功率远远大于额定输出功率。
（2）输出地角速度在一段时间后趋于稳定状态。角速度没有太大的冲击变化，对硬件机器的损坏很小。
（3）功率系数图可以看出，风能利用系数比较低，基本运行在0.35以下，必会造成风能的极大浪费。
（4）风轮转速基本一直运行在0.9rad/s以下，而文章的风轮额定转速为19.8r/min，即2.0724rad/s。在此种情况下，风轮转速远远低于额定转速，从而必定导致发电量不足，发电效率低下。
五、实验心得
通过本次的学习对风机发电机有利一定的了解，风力发电的优势不需要燃料、不占耕地、没有污染，运行成本低。；风力发电产业发展前景非常广阔，为风力发电没有燃料问题，也不会