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、传动模型与发电机模型建模,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

自然风就是风力发电系统能量的来源,其在流动过程中,速度与方向就是不断变化的,具有很强的随机性与突变性。本课题不考虑风向问题,仅从其变化特点出发,着重描述其随机性与间歇性,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 与噪声风速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

0cos 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就是有限的,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与发电机的型式而异,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,5.032P w s C v R P = (2-6) 而风轮获得的气动扭矩为:

()λβρπ,5.023T 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就是刚性的,即低速轴,增速齿轮箱传动轴,高速轴都就是刚性的。忽略风轮与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 。

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:

()()????????++???? ??---=2'211211'2111'

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与漏抗; '2r ,'2x 分别为归算后转子绕组的电阻与漏抗,单位为Ω。

四、实验结果与分析: 4、1风速模型及仿真结果

4、1、1阵风模型及仿真结果