matlab自然风仿真

工程应用综合设计

报告

学院：电气工程学院

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课题名称：自然风与风力机的仿真

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摘要

本篇论文主要报告了国内外目前的风力发电的现状，介绍了风力发电机组的基本结构和目前主要的风力机种类，还论述了控制风力机功率的基本要素。本设计还着重对自然风进行了模拟仿真，这对研究风力机的仿真特性具有重要意义。通过研究风力机各个参数的物理意义及之间的关系，推导出风力机输出功率与风速，叶尖速比，发电机转速及桨距角之间的关系，在定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探究和研究。通过MATLAB仿真软件，建立自然风的风速模型和风力机的的仿真模型。验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，产生可直接用于研究报告的模拟结果图形，在定桨距风力发电机组控制系统仿真方面，作出了初步的研究和探索。

关键词：风力机；自然风；建模；仿真

目录

摘要............................................................. I 第一章绪论.. (3)

1.1研究风力机发电系统的重要意义 (3)

1.2国内外研究进展 (3)

第二章风力发电原理 (5)

2.1风力发电系统组成及原理 (5)

2.2风力发电机简介 (5)

2.3风力机分类及对比 (6)

第三章风力机的功率控制原理 (8)

3.1风能 (8)

3.2风能利用系数Cp (8)

3.3叶尖速比λ (9)

3.4桨距角β (9)

3.5贝兹理论 (9)

4.1基本风的模拟 (10)

4.2阵风的模拟 (10)

4.3渐变风的模拟 (11)

4.4随机噪声风的模拟 (12)

4.5自然风的模拟 (12)

第五章定桨距风力机的建模与仿真分析 (13)

5.1定桨距风力机仿真模型的搭建 (13)

5.2 matlab仿真结果分析 (17)

第六章总结 (21)

参考文献 (22)

第一章绪论

1.1研究风力机发电系统的重要意义

随着能源危机和环境危机的不断加剧，可再生能源的利用受到越来越多的关注。风能作为最具大规模开发利用的可再生能源，在世界发电总量中所占的比例每年呈上升趋势。由于风能的随机性和不稳定性，风能的最大捕获一直是风能界面临的主要问题。有效的调节风力机的各个参数，可以改变风力机的运行状态，直接影响风力机的工作效率。在不同的风速下，风力机有不同的旋转角速度，风力机工作在不同的状态。通过对风力机各个运行状态进行分析，可以掌握风力机各个参数的变化规律及其对风力机输出功率的影响。其研究目的是为了掌握风力机的运行过程以便最大限度的提高风力机的输出功率，实现风能的有效利用。1.2国内外研究进展

1.2.1世界风力发电的发展状况

风力发电于1890年起源于丹麦，1891年丹麦建成了世界上第一座风力发电站，从此之后风力发电便开始迅速发展壮大起来，之后经过几个重要的发展阶段。

第一阶段：二战前后，随着能源能源需求的增大，很多国家陆续开始将注意力集中在风力发电上。1941年美国研制生产了一台1250KW的所谓的大型风力发电机组，当时还处于初级研制阶段而且技术复杂。因此这种风力发电机组仍处于科研阶段，无法在现实中投产生产。

第二阶段：70年代初期，世界上相继爆发的几次能源危机很大地促进了风力发电的发展。此时，丹麦己研制出“55一630KW”的系列化风力发电机组。

第三阶段：出现在80年代，西方各国如德国、美国等国家开展节能计划，加上各国的鼓励政策，如对风电经行减少税费，对风电经行投资支持等促进了风力发电的发展。

第四阶段：到了90年代，随着全球能源环境问题加剧，人们的画报意识增强，在这种呼声下，各国更加注重发展风力发电，在科学技术进步的强有力的推动下，风力发电的发展前景令人瞩目。

到2003年底风电累计装机容量居前五位的国家依次是：德国（14612MW）、西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。

未来国外风力发电的发展有几个明显的趋势：一是发展海上风力发电技术，我们都知道海上风能资源丰富，丹麦、德国等北海岸国家拥有丰富的海上风能资源，也在积极发展海上风力发电；二是风力发电机组向大型化发展，90年代，千瓦级的风力发电机组在欧洲广泛推广使用，在发达国家，兆瓦级的风力发电产品以初具规模，并呈稳步发展的势头；三是风力发电设备的生产制造技术不断成熟，可大大提高风力发电的发电效率，同时也能降低发电成本。今后应该将研发工作的重点放在如何在风速变化的情况下确保电网的稳定性。

1.2.2中国风力发电的发展状况

风力发电在新能源发电技术中发展较为成熟，规模较大而且具有很好的发展前景，目前其发电成本已与其他常规发电方式相接近。中国的风能资源十分丰富。目前，我国主要使用国外生产的并网型风机，装机投产的大型风机也多位国外生产。在风机生产和研发方面，我国生产的风电机组最大功率为750千瓦，正在积极研发兆瓦级的放电设备。相信在不久的将来，兆瓦级的风电机组的研发成功和推广应用，中国的风电发展将取得突飞猛进的进步。

我国有着丰富的风能资源，陆上的可开发风能有2.5亿千瓦左右，海上风能资源有10亿左右。几年来我国风力发电发展迅速，装机容量屡创新高，2009年我国风电新增装机容量1380.3万千瓦，增速超100%，增长速度最快。截止2010年底我国风电新增容量达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦。

第二章风力发电原理

2.1风力发电系统组成及原理

风力发电的原理是利用风带动风车叶片转动，将风能转化为机械能，然后机械能带动风力发电机发电。

图2.1风力发电原理图

风力发电机主要包含如图2.1的三部分∶风轮、机舱和塔杆。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。

风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。

所有风力发电机的功率输出是随着风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。

2.2风力发电机简介

风力发电机的类型主要有三种：同步风力发电机；鼠笼式感应风力发电机；双馈式异步风力发电机。但由于风能的不稳定性，风力发电对于发电机和风力机的要求就变得更加严格。在正常情况下很难保证发电机恒速运行，同步机很难满足作为风电机的要求。而异步发电机结构简单，牢固，特别适合于高圆周速度电机，无集电环和碳刷，可靠性高。特别是柔性可控的双馈式异步风力发电机使用