风电实验报告-风力发电机组的建模与仿真

实验一 ：风力发电机组的建模与仿真
XX ：樊姗 __031240521
一、实验目的:
1掌握风力发电机组的数学模型
2掌握在MATLAB/Simulink 环境下对风力发电机组的建模、仿真与分析；
二、实验内容:
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：
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b V 、阵风风速g V 、渐变风速 r V 和噪声风速n V 。

即模拟风速的模型为：
n r g b V V V V V +++= （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：
⎪
⎩⎪
⎨⎧=00cos v g V g
g g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111 （1-2）
式中：
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡--=
)(2cos 121max cos g g g T t T t G v π （1-3） t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 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：
⎪⎩⎪
⎨⎧=0
0v ramp r V r r r r t t t t t t t 2211><<< （1-4）
式中：
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛---=r r r
ramp t
t t t R v 212max 1 （1-5） r t 1为渐变风开始时间，单位 s ；r t 2为渐变风终止时间，单位 s ；r V ，ramp v 为不同时
刻渐变风风速，单位 m/s ；max R 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。

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 p C <0.593。

风力机实际得到的有用功率为：
()λβρπ,5.03
2P w s C v R P = (2-6)
而风轮获得的气动扭矩为：
()λβρπ,5.02
3T w r C v R T = (2-7)
其中：
s P 表示有用功率，单位为 w ；ρ表示空气密度，单位为 Kg/m ；R 表示风轮转动半
径，单位为 m ；m V 表示风速，单位为 m/s ；p C 表示风能利用系数；T C 表示气动转矩系数； 并且有：
()()λβλλβ,,T p C C = (2-8)
R V w
ω
λ=
(2-9)
λ称为叶尖速比；ω为风轮角速度，单位为 rad/s 。

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：
()g r
g
r
nT T
dt d J n J
-=+ω2 (3-10)
其中：
r J 为风轮转动惯量，单位2Kgm ；n 为传动比；g J 为发电机转动惯量，单位2Kgm ；
g T 为发电机的反转矩，单位Nm 。

并且：
ωωn g = （3-11）
g ω为发电机转速，单位 rad/s 。

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：
()()
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--
-=
2
'2112
11'
2111'
2211x C x r C r r U gm T g g e ωωωωω （4-12）
g G g ωω= （4-13）
其中：
g 为发电机极对数；1m 为相数；1U 为电压；1C 为修正系数;G ω为发电机的当量转
速；
g ω为发电机转子转速；1ω为发电机的同步转速；1r ，1x 分别为定子绕组的电阻和漏抗；
'2r ，'
2x 分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，单位为Ω。

四、实验结果与分析：
真结果
V
阵风风速
g
2渐变风模型及其仿真结果
V
渐变风速
r
3总的风速模型
总的风速
Pr
6
6
及仿真结果
wr
Te
组模型及仿真结果
波形从上到下分别是:角速度风速、输出功率
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，基本运行在以下，必会造成风能的极大浪费。

（4）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，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技术的阶段。

目前，我国的风电机组在控制系统、轴承、风机叶片、齿轮箱等零部件方面存在较大的供需矛盾。

虽然整个风电产业发展较快，但是风电设备厂商在这方面明显生产能力不足，尤其在兆瓦级容量的风电机组中，轴承和电控系统几乎没有生产能力。

在风电机组整体设备中，电控系统又是风机的大脑和核心。

因此，风电机组电控系统国产化对于整个风电产业来说都是十分紧迫和必须的。

通过廖老师讲授，我完成了本次试验，对风力发电机组有了深刻的了解和认识，为以后的发展和工作奠定了坚实的基础，本次试验时通过MATLAB 对风力发机的风力机模型、传动装置、发电机模型及风速进行了仿真，分析每部分之间的关系，为以后深入的学习风力发电系统打下了良好的基础。

实验二：低/高风速时风力发电机组风轮转速的控制器设计
XX：樊姗 __031240521
一、实验目标:
掌握模糊控制系统的原理及实现方法；
掌握风力发电机组在高风速和低风速时的控制原理研究方法；
掌握控制器对锋利机组的优化方法；
二、实验内容:
对模糊控制系统的原理进行学习研究，并且遵循模糊控制器设计的规那么和方法，设计适合风力发电机组的模糊控制器。

如在高风速时随着风速以及风轮转速的变化，通过控制变桨距不断的调整桨距角，使风轮的功率因数变化，从而改变输出功率，使输出功率始终维持在一个合理的恒值状态。

2.2对风力发电机组在高风速和低风速时的控制原理研究，并针对系统控制原理的特点，分别设计了模糊控制器，继而进行了高风速和低风速时的仿真研究，并且将数据进行计算，比对证明模糊控制系统是否成功，同时找出系统设计中的优点和不足，进行推广和改造。

三、实验原理：
模糊控制系统一般主要由模糊控制器，输入/输出接口电路，广义对象以及检测装置构成。

模糊控制器是模糊控制系统的核心，其主要作用是完成输入精确量的模糊化处理，并运用模糊规那么进行运算，进而进行模糊推理决策运算以及精细化处理等重要过程。

其是一个模糊控制系统优劣性能的指标。

输入输出接口电路是模糊控制器连接前后系统的两个通道口，其作用是用来传递信号，并完成模拟信号和数字信号之间的转换，用以控制执行器的动作，以实现控制被控对象的目的。

广义对象包括执行机构和被控对象两部分。

检测装置在模糊控制系统中占据非常重要的地位，其精度直接影响整个控制系统的性能指标，因此要求其精度高，可靠且稳定性好。

模糊控制系统的工作原理是：由检测装置的数据采集单元获取被控变量，经转换和运算处理后，输出精确值，然后精确值和给定值进行比较获得精确偏差，经模糊控制器进行模糊化处理，模糊规那么及推理运算，最后经过精确化处理输出精确量，经接口转换送给执行机构执行，使之达到控制对象的目的。

四、实验结果与分析：
输入波形三角波
模糊控制器规那么：
风机模型PS
6
发电机
5
风速
w
输入波形矩形波模糊控制器规那么
风机模型PS
6
发电机
5
角速度
通过对上面波形对比可知两个波形都存在噪声的干扰，但是在没有加入控制器的冲击很大，会对后期的产生很大的麻烦，同时也会对风机会有一定的损坏。

波形在控制器的基础上增加了滤波装置，使输出的波形更加的平滑、稳定，更有利于风机的功率输出。

五、实验心得
通过本次实验我学会了模糊控制的设计和使用及滤波器在系统中的重要性，模糊控制以模糊数学理论，即模糊集合论，模糊语言变量以及模糊逻辑推理等作为理论基础，以传感器技术，计算机技术和自动控制理论作为技术基础的一种新型自动控制理论和控制方法。

模糊控制器广泛应用于复杂的工业过程控制中，其控制对象一般情况下具有以下几个特点：一是对象模型不确定；二是模型的结构和参数可能在大范围内变化；三是具有非线性特性；四是具有复杂的任务和要求。

而我们本次的实验风机发电机系统的控制恰恰存在以上特点。

模糊控制器的设计主要包括结构选择，模糊化和反模糊化方法，以及模糊控制器参数的设定等几个方面。

所谓的模糊控制器的结构选择，就是确定模糊控制器的输入输出变量。

模糊控制器的结构对整个模糊控制系统的性能影响很大。

在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简便性与快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。

这类模糊控制器以系统偏差及其变化率为输入语言变量，因此具有类似于常规 PD 控制器的特性，无法消除系统的静态偏差，不能获得无差控制，所以在本次设计中，把积分作用引入到模糊控制器中，从而形成 PID 模糊控制系统。

本次的实验不光应用了模糊控制器还在功率输出端添加了滤波器，使得输出的波形更加稳定，平滑。

从而使得对电网及系统的冲击减少达到了优化的效果。