风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真

摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础；

（2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型；

（3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础；

（4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的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，并且已初步实现风力机特性模拟功能。

关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真

1 风资源及风力发电的基本原理

1.1 风资源概述

（1）风能的基本情况[1]

风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。

风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。

风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。

（2）风能资源的估算

风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下：

3

ω= (1-1)

5.0vρ

式中,

ω——风能密度(2

W)，是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量；

/m

ρ——空气密度(3

kg)；

/m

v ——风速(s m /)。

由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。有效风能密度还可根据下式求得

⎰=21

)(5.03v v dv v P v ρω （1-2） 式中，

1v ——启动风速（s m /）；

2v ——停机风速（s m /）；

)(v P ——有效风速范围内的条件概率分布密度函数]2[。

平均风能密度则可用下式求得：

⎰=dt v P v T

)(5.013ρω （1-3） 1.2 风力发电的基本原理

风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s 的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。

1.3 风力发电的特点

风力发电具有以下特点：

① 可再生的洁净能源；

② 建设周期短，装机规模灵活，可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台；

③ 可靠性高，把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年；

④ 造价低，运行维护简单，实际占地面积小；

⑤ 发电方式多样化，既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行；

⑥ 单机容量小

2 风能及风力机系统模型的建立

2.2 风频模型

风速具有明显的随机性和间歇性。为了较精确地描述风速及其变化特性，引入风频分布的概念。风频分布就是风速的统计概率分布，是衡量风能资源分布特性的重要指标，它反映了风电场某个时段每一风速出现的概率，可以通过分析风电场实际测风的原始资料得到。

根据风电场实际测风的结果，假设风速是以小时平均，按每小时正点前十分钟测取，那么在一年之内就有N 个测点，这样可得风电场实际的风频分布为：

y vi i N N F （2-1）

式中

i F ——风速wi v 的实际分布频率；

vi N ——一年内风速wi v 出现的次数；

y N ——一年内总的测风点数，一般有8760=y N 。

风电场风速符合威布尔分布：

()K A V K e A V A K v f ⎪⎭

⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛=1 （2-2）

式中，v 为风速（s m /），()•f 为威布尔分布函数，A 、K 为威布尔尺度系数（s m /）和形状系数。

利用风电场测风的结果，对实际所得的风速数据进行统计，得出年平均风速P V 和风速频率分布i F ，并采用最小逼近法，

min 12=-∑=y N i i i F f （2-3）

算出威布尔分布参数A 、K 的近似值。从而得到风速风频特性的数学模型，进而得到风电场风能资源分布和评估、风力发电机组选型和发电量的预测以及风电场并网对系统的影响分析。

2.2 风速模型

通常用四种成分的风速来模拟实际风速：基本风wb v 、阵风wg v 、渐变风和随机风。

（1） 基本风wb v

基本风反映了风场平均风速的变化，风力发电机向电网输送功率的大小主要由基本风决定，它的测得由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定。一般认为基本风在一段时间内不随时间变化，可取常数。

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+Γ⋅=K A v wb 11 （2-4）