风电实验报告

实验一 ：风力发电机组的建模与仿真

姓名：樊姗 学号：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： 3.1风速模型的建立

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：

⎪

⎩⎪

⎨⎧=0

cos 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。 3.2风力机模型的建立

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 。

3.3传动系统模型的建立

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 -=+ω

2 (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 。

3.4发电机模型的建立

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： 4.1风速模型及仿真结果

12

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01

2

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5

6

阵风风速g V