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基于MATLAB的风力发电机组的建模与仿真
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摘要：本文在风力发电机组监测与控制实验的基础上，总结了风力发电机组的建模技术，并对整个系统建立了MATLAB仿真模型。仿真结果证明，系统输出的功率波形与输入的风速有关，风能利用系数比较低，发电量不足且输出不稳定。
关键词：MATLAB；风力发电系统；仿真研究

1引言
对大型风力发电机机组进行仿真研究，不可避免的就要建立系统的仿真模型。但是，风力发电系统的结构复杂，模型的精细程度将直接决定仿真结果。一般来说，模型越精细，仿真结果越准确，但其控制难度就越高。本文对风速模型、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。
2风力发电机组的建模与仿真
2.1风速模型的建立
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。本课题不考虑风向问题，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：
（1-1）
（1）基本风速在风力机正常运行过程中一直存在，基本反映了风电场平均风速的变化。一般认为，基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定，且其不随时间变化，因而取为常数
（2）阵风用来描述风速突然变化的特点，其在该段时间内具有余弦特性，其具体数学公式为：
（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。
（3）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）随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点，此处不再描述。
2.2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：
(1-6)
而风轮获得的气动扭矩为：
(1-7)
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：
(1-8)
(1-9)
称为叶尖速比；为风轮角速度，单位为rad/s。
2.3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：
(1-10)
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：
（1-11）
为发电机转速，单位rad/s。
2.4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：
（1-12）
（1-13）
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。
2.5整体模型的建立
对于整体系统的建立，由于比较繁琐，所以在原模块基础上，是每个部分形成整体系统的子系统，分别形成自然风子系统（fengsu），风力机子系统（FLJMX），发电机子系统（fadianji）和传动系统子系统（chuandong）几部分。然后形成整体系统，其示意图如图1-1所示。

图1-1风力发电机整体系统
2.2仿真结果

图1-2输出功率

图1-3风能利用系数
2.3仿真结果说明
（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）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。
3结论与展望
通过本次的学习对风机发电机有利一定的了解，从学习中得知风力发电是20世纪70年代开始研究风电的自主研发能力严重不足，风电设备设计和制造水平比较落后，总体上还处于跟踪和引进国外先进