风力发电实验

风力发电实验报告
实验1
实验课题：风力机系统的建模与仿真
专业：电子信息科学与技术
班级：0312411
**：***
学号：*********
指导老师：高（仕红）老师
成绩：
2015年4月30日
目录
1实验目的 (1)
2实验要求 (1)
3实验内容 (1)
4实验步骤 (1)
4.1风速模型的构建 (1)
4.1.1基本风 (2)
4.1.2阵风模型 (2)
4.1.3风速阶跃 (2)
4.1.4随机风 (3)
4.1.5风速模型整体仿真 (3)
4.2风轮模型的构建 (4)
4.2.1风轮数学模型 (4)
4.2.2风轮Simulink仿真模型 (5)
4.3传动系统模型构建 (5)
4.3.1传动系统数学模型 (6)
4.3.2传动系统Simulink仿真模型 (6)
4.4风力机系统模型 (6)
5风力机系统模型仿真结果及分析 (7)
5实验心得体会 (7)
1实验目的
1.掌握Matlab的m语言编程以及仿真模型的构建方法；
2.掌握利用Matlab软件构建风速模型，风轮模型以及传动系统模型的方法。

2实验要求
1.了解Matlab中Simulink如何构建子系统以及m语言编程的技巧；
2.通过查阅资料，搞清楚风速模型，风轮模型以及传动系统模型的实现方法。

（自己在实验前认真阅读老师提供的资料，拟出构建各模型的方法。

）
3实验内容
熟悉并掌握Matlab的m语言编程以及Simulink库相关模块应用，构建风速模型，风轮模型以及传动系统模型（包括一质量块模型、二质量块模型以及三质量块模型）并进行仿真实验验证。

4实验步骤
1.启动Matlab，调用Simulink工具箱中的模块或利用m语言编程，构建风速
模型，风轮模型以及传动系统模型。

2.观察各子系统输出波形，并分析结果。

4.1风速模型的构建
风速模拟采用四分量模型：基本风速，阵风，风速阶跃和背景噪声，即：
V W=V WB +V WG +V WR +V WN 。

4.1.1基本风
基本风在风速模型中占很大的比例，在风力机正常运行过程中一直存在，反映了风电场的平均风速的变化，一般认为基本风速不随时间变化。

其数学模型为：V WB =K，高风速时取15m/s，低风速时取8m/s。

本实验取V WB =10m/s。

在Simulink中用Constant 模块代替即可。

4.1.2阵风模型
Simulink仿真模型如图4.1-1所示。

Gust中的函数WXW. m语言代码如下：
function y=WXW(t)
if(t(4)>=t(1)&&t(4)<=(t(1)+t(2)));
y=t(3)*(1-cos(2*pi*((t(4)-t(1))/t(2))))/2;
else
y=0;
end
4.1.3风速阶跃
风速阶跃反映风速缓慢变化的特性。

其数学模型为：
V WR =
{
0，t<t1R
V Rmax(1−
t−t2R
t1R−t2R
),t1R<t<t2R
V Rmax,t>t2R
其中t1R为阶跃起始时间，t2R为阶跃终止时间，V Rmax为阶跃峰值。

本实验中取t1R=25s, t2R=25s, V Rmax=4m/s。

Simulink仿真模型如图4.1-2所示。

Phase_step_Wind中的函数WR. m语言代码如下：
function y=WR(t)
if(t(4)<t(1))
y=0;
else if(t(4)>=t(1)&&t(4)<=(t(1)+t(2)))
y=t(3)*(1-(t(4)-t(2))/(t(1)-t(2)));
else
y=t(3);
end
4.1.4随机风
随机风速反应风速变化的随机性，Simulink仿真模型如图 4.1-3所示，其中采样时间0.1s。

4.1.5风速模型整体仿真
综述上述四种风速成分，可得到自然风速的最终模型如图 4.1-4所示。

4.2风轮模型的构建
风轮是将其吸收的风能转化为机械能的装置，从自然风只能获取有限能量。

4.2.1风轮数学模型
风轮转矩与风速、风轮转速有关，关系式为：
T w=1
2
πρR2V3
C p
Ω
{C p=0.22(
116
λi
−0.4β−5)e
−12.5
λi 1
λi
=
1
λ+0.08β
−
0.035
β2+1
λ=
ΩR
V
C p=(0.44−0.0167β)sin[π(λ−3)
15−0.3β
]−0.00184(λ−3)β
本实验中风轮半径：40m，空气密度：1.25kg/m3，切入风速：3m/s，切出风速：
25m/s 。

4.2.2 风轮Simulink 仿真模型
其Simulink 仿真模型如图 4.2-1所示。

图中Wind_speed 为风速，Wind_turbine_speed 为风轮转速，Wind_turbine_torque 为风轮转矩，Wind_turbine_actual_torque 为实际风轮转矩，Cut_in 为切入风速，Cut_out 为切出风速，Pitch Angle 为桨距角，R 风轮半径，Air_denisty 为空气密度。

Cp 中的函数Cp m 语言代码如下：
function y=Cp(x)
y1=1/(x(1)+0.08*x(2))-0.035/(x(2)^3+1); y=0.22*(116*y1-0.4*x(2)-5)*exp(-12.5*y1);
4.3 传动系统模型构建
传动系统是连接风轮与发电机的纽带，传动设备的优良影响着风力机的输出功率。

由于风力发电机组起停频繁，风轮又具有很大的转动惯量，通常大功率大容量风轮的转速均设计在 10 到 20 r/min 。

因此需要在风轮和发电机之间设置增速器。

大型风力发电机组的机械传动系统都沿中心线布置，因此增速器都采用结构紧凑的行星齿轮箱。

风力发电机组的传动系统主要是由风轮转子，低速轴，增速齿轮箱，高速轴和发电机转子构成的。

Operator1
Operator
4.3.1传动系统数学模型
在一般的动态性能计算中，刚性轴模型可以得到满意的结果。

本设计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：
(J r+n2J g)dϖ
dt
=T r−nT g
式中，
J r——风轮实际转矩（Wind_turbine_actual_torque）；
J g——发电机的转动惯量；
T g——发电机的反转矩（Generator_reverse_torque）；
T r——风轮转速（Wind_turbine_speed）；
N——增速箱的传动比。

其相关参数取值见仿真模型。

4.3.2传动系统Simulink仿真模型
其Simulink仿真模型如图 4.3-1所示。

4.4风力机系统模型
综合以上3个模块，创建系统子模块，可以得到整体风力机系统模型如图 4.4-1所示。

5风力机系统模型仿真结果及分析
5 实验心得体会
每一次的实验，就是将理论付诸实践的过程。

在这次风力发电的实验过程中，我收获良多，风力发电作为电气工程的专业基础课，我们电子信息工程专业的学习起来确实不大容易，所以在理论与时间的过程中遇到许多的问题，但在同学的相互的讨论和高老师的细心的指导之下，我哦们最终克服了困难，完成了理论与实践的结合，使我们对风力发电的基本原理有了更深层次的理解。

也对MATLAB 的使用更加的熟悉。