基于MATLAB的風力發(fā)電機組的建模與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于MATLAB的風力發(fā)電機組的建模與仿真學號：xxxxxxx 姓名：xxx 分數(shù)： (xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx)摘要：本文在風力發(fā)電機組監(jiān)測與控制實驗的基礎上，總結(jié)了風力發(fā)電機組的建模技術，并對整個系統(tǒng)建立了MATLAB仿真模型。仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風速有關，風能利用系數(shù)比較低，發(fā)電量不足且輸出不穩(wěn)定。關鍵詞：MATLAB；風力發(fā)電系統(tǒng)；仿真研究1 引言對大型風力發(fā)電機機組進行仿真研究，不可避免的就要建立系統(tǒng)的仿真模型。但是，風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構復雜，模型的精細程度將直接決定仿真結(jié)果。一般來說，模型越精細，仿真結(jié)

2、果越準確，但其控制難度就越高。本文對風速模型、風力機模型、傳動模型和發(fā)電機模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如對風力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風速、風輪、傳動系統(tǒng)、各種發(fā)電機的數(shù)學模型進行全面分析，探索風力發(fā)電系統(tǒng)各個部風最通用的模型、包括了可供電網(wǎng)分析的各系統(tǒng)的簡單數(shù)學模型，對各個數(shù)學模型，應用 MATLAB 軟件進行了仿真。2 風力發(fā)電機組的建模與仿真2.1 風速模型的建立自然風是風力發(fā)電系統(tǒng)能量的來源，其在流動過程中，速度和方向是不斷變化的，具有很強的隨機性和突變性。本課題不考慮風向問題，僅從其變化特點出發(fā)，著重描述其隨機性和間歇性，認為其時空模型由以下四種成分構成:基本風速、陣風風速、漸

3、變風速 和噪聲風速。即模擬風速的模型為： （1-1）（1）基本風速在風力機正常運行過程中一直存在，基本反映了風電場平均風速的變化。一般認為，基本風速可由風電場測風所得的韋爾分布參數(shù)近似確定，且其不隨時間變化，因而取為常數(shù)（2）陣風用來描述風速突然變化的特點，其在該段時間內(nèi)具有余弦特性，其具體數(shù)學公式為： （1-2）式中： （1-3）t 為時間，單位 s；T為陣風的周期，單位 s；，為陣風風速，單位m /s；為陣風開始時間，單位 s ；為陣風的最大值，單位 m/s。 （3）漸變風用來描述風速緩慢變化的特點，其具體數(shù)學公式如下： （1-4）式中： （1-5） 為漸變風開始時間，單位 s；為漸變風終

4、止時間，單位 s ；，為不同時刻漸變風風速，單位 m/s；為漸變風的最大值，單位 m/s 。 （4）隨機噪聲風用來描述相對高度上風速變化的特點，此處不再描述。2.2 風力機模型的建立風力機從自然風中所索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。能量的轉(zhuǎn)化將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風力機的實際風能利用系數(shù) <0.593。風力機實際得到的有用功率為： (1-6)而風輪獲得的氣動扭矩為： (1-7)其中：表示有用功率，單位為 w；表示空氣密度，單位為 Kg/m；R表示風輪轉(zhuǎn)動半徑，單位為 m；表示風速，單位為 m/s；表示風能利用系數(shù)；

5、表示氣動轉(zhuǎn)矩系數(shù)；并且有： (1-8) (1-9)稱為葉尖速比；為風輪角速度，單位為 rad/s。2.3 傳動系統(tǒng)模型的建立本實驗在分析傳動系統(tǒng)機理的基礎上，建立系統(tǒng)的剛性軸模型。剛性軸模型認為傳動系統(tǒng)是剛性的，即低速軸，增速齒輪箱傳動軸，高速軸都是剛性的。忽略風輪和發(fā)電機部分的傳動阻尼，最后可得傳動系統(tǒng)的簡化運動方程為： (1-10) 其中： 為風輪轉(zhuǎn)動慣量，單位；n 為傳動比；為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量，單位；為發(fā)電機的反轉(zhuǎn)矩，單位。 并且： （1-11）為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，單位 rad/s。2. 4 發(fā)電機模型的建立本實驗只建立發(fā)電機的模型，而忽略變頻裝置。發(fā)電機的反扭矩方程為： （1-12） （1-1

6、3）其中：為發(fā)電機極對數(shù)；為相數(shù)；為電壓；為修正系數(shù);為發(fā)電機的當量轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速；，分別為定子繞組的電阻和漏抗；，分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗，單位為。2. 5 整體模型的建立 對于整體系統(tǒng)的建立，由于比較繁瑣，所以在原模塊基礎上，是每個部分形成整體系統(tǒng)的子系統(tǒng)，分別形成自然風子系統(tǒng)（fengsu），風力機子系統(tǒng)（FLJMX），發(fā)電機子系統(tǒng)（fadianji）和傳動系統(tǒng)子系統(tǒng)（chuandong）幾部分。然后形成整體系統(tǒng)，其示意圖如圖1-1所示。圖1-1 風力發(fā)電機整體系統(tǒng)2.2仿真結(jié)果圖1-2 輸出功率圖1-3 風能利用系數(shù)2.3 仿真結(jié)果說明（1）由上圖可

7、知系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風速有關，由于系統(tǒng)中存在噪聲所以輸出地功率存在很大的噪聲，風輪機和發(fā)電機的輸出功率遠遠大于額定輸出功率。（2）功率系數(shù)圖可以看出，風能利用系數(shù)比較低，基本運行在 0.35 以下，必會造成風能的極大浪費。3 結(jié)論與展望通過本次的學習對風機發(fā)電機有利一定的了解，從學習中得知風力發(fā)電是20世紀70年代開始研究風電的自主研發(fā)能力嚴重不足，風電設備設計和制造水平比較落后，總體上還處于跟蹤和引進國外先進技術的階段。目前，我國的風電機組在控制系統(tǒng)、軸承、風機葉片、齒輪箱等零部件方面存在較大的供需矛盾。雖然整個風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，但是風電設備廠商在這方面明顯生產(chǎn)能力不足，尤其在兆瓦級

8、容量的風電機組中，軸承和電控系統(tǒng)幾乎沒有生產(chǎn)能力。在風電機組整體設備中，電控系統(tǒng)又是風機的大腦和核心。因此，風電機組電控系統(tǒng)國產(chǎn)化對于整個風電產(chǎn)業(yè)來說都是十分緊迫和必須的。雖然存在著很多的問題但是對于清潔能源的開完是一個很重要的途徑，為此我國則專門制定了可再生能源“十一五”規(guī)劃。在各種可再生能源中，風能作為清潔、可再生資源，具備很多優(yōu)點，受到了各國政府的廣泛重視。但是在世界范圍來說，風力發(fā)電是新能源領域中技術最成熟、最具有開發(fā)規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。大力發(fā)展風力發(fā)電對保護生態(tài)環(huán)境、改善能源結(jié)構、促進可持續(xù)發(fā)展都具有積極意義，許多國家都已把大力發(fā)展風電納入國家發(fā)展計劃。參考文獻：1 葉杭冶風力發(fā)電機組的監(jiān)測與控制