基于某matlab风力发电系统的建模与仿真.docx
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基于某matlab风力发电系统的建模与仿真
（2009届）
毕业设计（论文）
题目:
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姓名:
风力发电系统的建模与仿真
嘉兴学院
电气工程及其自动化
电气091
指导教师:
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教务处制
年月日
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年月曰
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论文作者签名：
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年月曰
风力发电系统的建模与仿真
摘要
本篇论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略，在定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探究和研究。
通过控制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制功能。
利用控制系统使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。
本篇论文主要是通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。
关键词：
风力发电系统；建模；仿真
ModeIingandsimulationofthewindpowersystem
ABSTRACT
ThispapermainlyintroducedthebasiccontroIrequirementsandcontrolstrategyofwindgeneratingset,thefixedpitchwindturbinecontrolsystemSimulationhasmadeapreIiminaryexplorationandresearch.ThroughthecontrolsystemtokeepthesafeandreIiableoperationofwindturbine,andreaIizesstableoutputpowergeneratingunitandtheoptimizationofthecontrolfunctionofthepowercurve・Usecontrolsystemtomakewindpowersystemwithintheprescribedperiodoftimeisnotoutoforderorlessoutoforder,andwhenfaileditwiIIrepairwiththequickestspeedsystemtoresumenormaIwork・
ThispapermainlyusingtheMATLABSimulationsoftware,windpowersystemcontroImodeIisestabIishedandthecompIetesampIewindpowergenerationsystemmodeI,tobuildthecontrolmodeIfortheSimulationanalysis,toverifytheusabiIityofthewindpowersystemcontrolmodeI,andcarriesontheanaIysistotheSimulationresuItthroughsinglecurvedrawing,andusethecurveplottingmoduIegeneratesagraphicscanbedirectlyusedintheSimulationresuItsofthestudy.
Keywords:
v/indpowergenerationsystem;Modeling;Simulation
摘要111
ABSTRACTIV
1绪论1
1.1风力发电系统的研究背景和意义1
1.2国内外风力发电的发展槪况2
1.2.1世界风力发电的发展状况2
1.2.2中国风力发电的发展状况2
1.3本论文的主要工作4
1.3.1课题的研究内容和基本要求4
1.3.2研究方法步骤5
2风力发电系统的基本原理6
2.1风力发电的基本原理6
2.2风轮机理论7
2.3水平轴风力发电机结构7
2.4定浆距风力发电机组8
2.5永磁同步发电机基本原理8
2.5.1同步电机基础8
2.5.2同步电机的基本结构9
2.5.3同步电机的工作原理10
3风力发电系统的建模12
3.1风速模型12
3.2风力发电机组气动性能模型15
3.3传动齿轮模型17
3.4三相同步发电机模型18
3.5风力发电系统整体建模20
4风力发电系统的仿真分析21
5总结思考27
参考文献29
1绪论
1.1风力发电系统的研究背景和意义⑴⑵
工业生产的进步与发展带来的能源危机和环境问题，使得人们把目光转向可在生能源。
以煤炭、石油、天然气、水利和核物质为原料的传统电力开发给环境造成了很大的负担，如环境污染、酸雨、气候异常、放射性废物处理、石油泄專等等。
而风力发电对环境的影响则十分微小，具有显著的环境友好特性,是典型的清洁能源。
目前，在除水利发电以外的各种再生能源的开发中，风力发电的开发最具潜力，发电成本低，并且在技术上日趋成熟，从而形成一个新兴的产业，成为电力系统结构中相对增长速度最快的新能源发电。
因此，对于风力发电技术的研究有着重要的意义。
风能是一种无污染、可持续发展的能源，近年来风能的利用越来越受到人类的重视。
风力发电作为一种风能的主要利用形式正以前所未有的速度发展，风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升，并在电力系统受越来越受到欢迎和重视⑶。
近十年来，风力发电技术得到了飞速的发展和越来越广泛的应用。
要进行风力发电系统的研究，传统的方法是将发电机与风轮机相连，在现场做实验，但是这样做成本较高并且可能影响电力系统的运行。
仿真建模技术由于不受上述条件的限制，投入低，见效快，因而在风力发电的研究领域得到了越来越广泛的应用，极大地丰富了风力发电的研究手段⑷
随着电力工业的飞速发展和对供电的需求，利用新能源发电日益受到人们的关注，风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具开发规模条件和商业化发展前景的发电方式之一。
本次选题正是了解到发电系统的新趋势和国家节能减排的计划，对风力发电的研究产生了浓厚的兴趣。
为了对风力发电系统的流程深入学习，熟悉一些建模仿真的实现方法，掌握一种仿真软件并且较好的应用，所以选择了风力发电系统的建模与仿真这个题目。
风力发电是清洁的、无污染可再生能源，它具有明显的优势。
首先，煤、石油、天然气等常规资源并不是取之不尽用之不竭的，必须考虑开发新能源，而风能资源能够完美的体现它的价值，必将受到人们的重视；第二风力发电不像火力发电等其他常规发电方式，它清洁无污染，不会产生温室气体，对环境无污染：
第三风力发电运行成本低且可以大规模建设，提高发电效率。
1.2国内外风力发电的发展概况⑷⑸⑹
1.2.1世界风力发电的发展状况
风力发电于1890年起源于丹麦，1891年丹麦建成了世界上第一座风力发电站，从此之E风力发电便开始迅速发展壮大超来，之后经过几个重要的发展阶段。
第一阶段：
二战前随着能源能源需求的增大，很多国家陆续开始将注意力集中在风力发电上。
1941年美国研制生产了一台1250KW的所谓的大型风力发电机组，当时还处于初级研制阶段而且技术复杂。
因此这种风力发电机组仍处于科研阶段，无法在现实中投产生产。
第二阶段：
70年代初期，世界上相继爆发的几次能源危机很大地促进了风力发电的发展。
此时，丹麦己研制出"55—630KW”的系列化风力发电机组。
第三阶段：
出现在80年代，西方各国如徳国、美国等国家开展节能计划，加上各国的鼓励政乗，如对风电经行减少稅费，对风电经行投资支持等促进了风力发电的发展。
第四阶段：
到了90年代，随着全球能源环境问题加剧，人们的画报意识增强，在这种呼声下，各国更加注重发展风力发电，在科学技术进步的强有力的推动下，风力发电的发展前景令人瞩目。
风力发电机组的研发和生产以欧洲国家为主，如丹麦、德国、美国等。
其中丹麦的风力发电技术发展最早技术也较为成熟，德国的风力发电技术发展最快且发电量最大。
印度的风力发电令人瞩目，是发展中国家中发展最快的国家。
到2003年底风电累计装机容量居前五位的国家依次是：
德国（14612MW）.西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。
未来国外风力发电的发展有几个明显的趋婷：
一是发展海上风力发电技术,我们都知道海上风能资源丰當，丹麦、德国等北海岸国家拥有丰富的海上风能资源，也在积极发展海上风力发电：
二是风力发电机组向大型化发展，90年代,千瓦级的风力发电机组在欧洲广泛推广使用，在发达国家，兆瓦级的风力发电产品以初具规模，并呈稳步发展的势头；三是风力发电设备的生产制造技术不断成熟，可大大提高风力发电的发电效率，同时也能降低发电成本。
今后应该将研发工作的重点放在如何在风速变化的情况下确保电网的稳定性。
1.2.2中国风力发电的发展状况⑶⑹
风力发电在新能源发电技术中发展较为成熟，规模较大而且具有很好的发展前景，目前其发电成本已与其他常规发电方式相接近。
中国的风能资源十分丰富。
目前，我国主要使用国外生产的并网型风机，装机投产的大型风机也多位国外生产。
在风机生产和研发方面，我国生产的风电机组最大功率为750千
效培来源：
CWEA
2006-2012年中国各区域累计风电装机容量
1.3本论文的主要工作
在学习和掌握风力发电机组的基本控制要求和控制策略前提下，对定桨距风力发电机组控制系统仿真方而作初步的探究和研究。
以使学生对大学所学的电气系统知识、自动化知识、电子技术和计算机技术知识综合运用于解决工程实践问题的能力进行有效的工程训练。
1.3.1课题的研究内容和基本要求⑺⑻⑼
主要是通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。
以便通过控制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制功能。
1.风力发电系统的基本原理
a）了解风力发电的基本原理，以及当前的发展及应用情况。
b）风力发电机的结构与组成等。
2.风力发电控制系统模型的建立。
a）结合控制系统工作原理，风力发电系统的控制策略。
b）利用软件建模。
c）仿真，特例举例。
1.3.2研究方法步骤
本设计是以我们学校现有的5KW风力发电机为原形进行的建模与仿真。
具体方法步骤如下：
第一步：
大量查阅国内外风力发电的相关资料，了解风力发电技术的发展趋势和最新动态。
第二步：
确定风力发电机组的数学模型，主要有风速模型，风力发电机气动性能模型，传动系统动力学模型和感应电机模型。
第三步：
学习MATLAB使用方法，研究MATLAB仿真建模的相关理论并使用其建模和仿真。
第四步：
利用MATLAB仿真软件搭建仿真模块准备仿真。
第五步：
对风力模型进行仿真并分析仿真结果。
2风力发电系统的基本原理
2.1风力发电的基本原理他⑷
风力发电的原理是利用风带动风车叶片转动，将风能转化为机械能，然后机械能带动风力发电机发电。
v
图2-1风力发电原理图
风力发电机主要包含三部分：
风轮、机舱和塔杆。
大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。
风轮叶片由复合材料制造。
不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。
比较简单的风力发电机是采用固定速度的。
通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。
这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。
利用可变速操作，风轮的空乞动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。
因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风。
风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。
在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。
不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有显著的发展。
设与塔底的变压器（或者有些设於与机舱内）可提升发电机的电压到配电网电压（香港的情况为11千伏）。
所有风力发电机的功率输出是随着风力而变的。
强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。
使用失速调节的风电机，超过额定风速的企风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。
当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。
使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而隸转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。
当风力过企时，叶片转动至迎气边缘而向来风，从而令风轮刹车。
2.2风轮机理论
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。
当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。
风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。
风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。
但应用最广的还是前两种类型的风轮机。
2.3水平轴风力发电机结构⑴山2】
风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。
该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速E来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。
风力发电机组结构示意图如图2-2o
234567
1.叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机
8、轴流风机9、机座10、滑环11.偏航轴承12、偏航驰动13.轮毂系统
图2-2风力发电机组结构示意图
2.4定浆距风力发电机组⑴何
风力机的功率调节完全依靠叶片的气动性能，称为定浆距风力发电机组，定桨距风力发电机组的主要结构特点是：
桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。
风力机获得的功率随风速不停的变化。
发电机发电机工作与同步转速附近，而风电机组一般工作在小于额定风速时风轮机的转换效率Cp的最佳区段。
当风速超过额定风速吋，为了确保发电机输出功率恒定，必须通过叶片失速来降低Cp,来维持功率恒定。
定浆距发电系统的发电机正常工作滑差小于1%,允许的滑差范围一般小于5%,但是风速变化范围却很大。
图2-3为风轮机的典型Cp~入特性曲线。
叶尖速比;I
图2-3*A关系曲线
从上图关系来看，大功率的发电机工作在高风速区段，小功率发电机工作再低风速区段，通过这种方法来调整叶尖速比入，实现机组在Cp最大下工作。
所以定浆距风力发电机组的浆距角B设定为0度。
2.5永磁同步发电机基本原理问
2.5.1同步电机基础
同步电机是另一种交流电机。
同步电机的特点是在稳定运行时，它的转速
n与定子电流的频率有着严格不变的关系，即
式中心同步转速。
因此而命名为“同步电机”。
异步电动机中，不存在这种关系，在稳定运行时,
其转速n与定子电流的频率必须是
P
即异步运行。
这种机理上的差异是由两者转子中的电流中的性质不同所字致的。
异步电机稳态运行时，其转子转速为n,转子电流频率f2，转差率为$=（他-“）/吗，如“=“（），转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，则5=0,转子电流频率f2=Of这意味着转子绕组内的电流是直流电流。
如果改变异步电机的转子结构，使它成为用直流电流励磁，且可以转动的电礁铁，这样的交流电机便是同步电机。
同步电机可以作发电机运行，也可以作电动机运行。
至今，主要作发电机运行，目前全世界的发电量几乎全部由同步发电机发出。
同步电动机在舲止的变频电源未经开发前，虽有功率因数可以调节的优点，因其转速不可调节，其用途受到限制。
随着电力电子技术突飞猛进的发展，静止的变频装置和整流装置的应运而生，同步电机便别开了生面，特别是新型永磁材料的问世，同步电机采用永糜材料励磁，简化了结构，充分发挥功率因数高、高效节能的优好，便日益扩大了应用的场合，成为控制系统中的一颗新星。
2.5.2同步电机的基本结构
同步电机也是由舲止的定子和转动的转子两个基本部分组成。
（一）定子
同步电机定子这个结构部件和异步电机一样，起着输入或输出电功率，并产生旋转濟场的作用，其结构形式与异步电机并无多大区别，也是由导饌的定子铁心和导电的三相绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部件所组成。
（二）转子
同步电机的转子有两种结构形式，一种是有明显/极的称为凸极式，如图所示，另一种是转子为一个圆柱体，表面上开着槽，并无明显磁极的，则称为隐极式，如图2-4所示。
同步发电机的转子制成凸极式或隐极式的都有，同步电动机的转子一般都制成凸极式。
凸极式同步电动机的该极铁心和直流电机一样，由钢板冲成冲片后叠压而成，磁极上套有励磁绕组，固定在礁辄上。
目前,小型凸极式同步发电机中，一出现整体机构的转子，即由钢板冲成极身、极靴与離辄连成整体的冲片叠压起来，然后缠绕励械绕组。
励磁绕组用绝缘的铜线绕成，与极身之间有绝缘。
各磁极上的励牍绕组间的联接，必须注意到通过励濮电流以后相邻触极的极性呈N与S交替排列。
励礁绕组两个出现端接到两个
集电环上，通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。
另外，在极鞅上还装有笼型绕组，这种笼型绕组称为阻尼绕组，因为在同步电机非同步转速运行时，他起着阻尼作用。
整个转子由磁极、磁觇、励濟绕组、转子支架（大型同步电机有人轴以及集电环等部件组成。
（a）凸极式b）隐极式
1定子2凸极转子3隐极转子4集电环
图2-4旋转嫌极式同步电机结构示意图
2.5.3同步电机的工作原理
同步电机的工作原理也恳于电磁感应定律。
当同步发电机的直流电流励磁的转子由原动机拖动到同步转速他时，定子上静止开路的三相绕组（也称电枢绕组），与旋转转子上的磁极在空隙中所建立璇转磁场相对运动，定子绕组磁链发生变化，根据电黴感应定律，定子绕组内由此感应产生感应电动势E（）（称为励型电动势）见图2-5o改変励離电流匚的大小可相应的改变励该电动势瓦的
大小。
此时同步电机作发电机运行而呈空载状态。
在同步转速下，励磁电动好仇与励礁电流人的关系，称为发电机的空载特性，其意狡.性质以及测取方法和直流发电机的一样。
同步电机空载运行时，其端电压u0=eqo当定子绕组接上对称负载，同步发电机就处于负载运行状态，此时原动机向发电机输入机械功率，发电机从定子绕组输出电功率，经行机电能量转换。
这就是三相同步发电机的工作原理。
（a）同步发电机示意图（b）三相电动势向量图
图2-5同步发电机工作原理示意图
同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按发电机方式运行，也可按电动机方式运行。
当原动机拖动同步电机并励礁时，电机从原动机输入机械功率，向电网输出电功率，为发电机运行方式。
当同步电机接入电网并励磁,拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率，为电动机运行方式。
3风力发电系统的建模C15]C,61C,71C18]
3.1风速模型
由于风速具有随机性和间歇性的特点，这里风速模型采用四分量叠加法的风速模型：
v=vh+vs+V,.+V,,包括：
基本风，阵风，渐变风，随即风[⑸。
（1）基本风：
基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定
vh=Ar（l■+■丄）（3-1）
k
尺度参数A和形状参数k可根据风电场的实测数据估算。
在实际与仿真时我们近似认为Vh是一个不随时间变化的分量，也就是取vb为一个常数。
AV（m/s）
图3-1基本风风速变化曲线
此模块使用“constant”模块，即口,基本风速设置为3m/soConstant
（2）阵风：
描述风速突然变化的特性，通常用来分析风电系统对电网电压波动的影响
式中，叫为阵风风速，单位m/s;岭max为阵风峰值，单位m/s;T1为阵风
开始时间，单位S；人为阵风周期，单位S；t为时间，单位S。
阵风风速随时间变化曲线如图3-2
渐变风风速模型如下图3-5所示
图3-5
渐变风风速模型
参数设置：
vrmax设置为6m/s,Tr1设置为0.04s,Tr2设置为0.04so
（4）随机风：
描述在特定高度上风速变化的随机特性
齐=1」）COS（3+竝）（3-4）
式中，气为随机风的风速，单位m/s：
Unwx为随机风的最大值，单位
m/s;尺”餉”为T和1之间均匀分布的随机变量；Cy为风速波动的平均距离，单位rad/s:
如为0-2龙间服从均匀概率分布的随机量。
此模型使用MATLAB的
"Randomnumberv模型,即：
Rsndo-fnNumber
风速综合模型如下图3-6所示
图3-6风速综合模型
3.2风力发电机组气动性能模型
一台风轮半径为R的风轮机，在风速为v时，所产生的机械功率为：
Pm詔刃疋。
“,丸対（3-5）
其中入为叶尖速比，表达式为：
A=—V
机械转矩为：
几=牛=£"g几）宁，36）
式中，p为空气密度，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3：
v为
通过风力机叶片的风速；Q为叶片旋转角速度，现代定速风电机组的风机转速
为15^20r/min,本文中取20r/min;Cp（3,入）为风轮机的功率系数；Cp与叶尖速比入和叶片浆距角B有关，关系式如下⑴：
式中，G为叶片设计常数，本文中取值为3,r取12.
根据不同的B、入取值，可得到Cp曲线如图所示，从图中可以看出，对于某一确定的浆距角B,Cp有一极大值存在，也就是说，当风力机在运行时不能保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出。
Cp的理论最大
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