基于matlab风力发电系统的建模与仿真

2009 届 毕业设计 论文 题 目 风力发电系统的建模与仿真 学 院 嘉兴学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气 091 学 号 姓 名 指导教师 教 务 处 制 年 月 日 诚 信 声 明 我声明 所呈交的论文是本人在老师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果 据我查证 除了文中特别 加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 我承诺 论文中的所有内容均真实 可信 论文作者签名 签名日期 年 月 日 I 授 权 声 明 学校有权保留送论文交的原件 允许论文被查阅和 借阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以影印 缩印或其他复制手段保存论文 学校必须严格按照授权 对论文进行处理 不得超越授权对论文进行任意处置 论文作者签名 签名日期 年 月 日 II 风力发电系统的建模与仿真 摘 要 本篇论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略 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 通过控制系统保持了 风力发电机组的安全可靠运行 并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的 控制功能 利用控制系统使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障 并在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作 本篇论文主要是通过 MATLAB 仿真软件 建立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 对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析 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 并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形 关键词 风力发电系统 建模 仿真 III Modeling and simulation of the wind power system ABSTRACT This paper mainly introduced the basic control requirements and control strategy of wind generating set the fixed pitch wind turbine control system simulation has made a preliminary exploration and research Through the control system to keep the safe and reliable operation of wind turbine and realizes stable output power generating unit and the optimization of the control function of the power curve Use control system to make wind power system within the prescribed period of time is not out of order or less out of order and when failed it will repair with the quickest speed system to resume normal work This paper mainly using the MATLAB simulation software wind power system control model is established and the complete sample wind power generation system model to build the control model for the simulation analysis to verify the usability of the wind power system control model and carries on the analysis to the simulation result through single curve drawing and use the curve plotting module generates a graphics can be directly used in the simulation results of the study Keywords wind power generation system Modeling Simulation IV 目 录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 绪论 1 1 1 风力发电系统的研究背景和意义 1 1 2 国内外风力发电的发展概况 2 1 2 1 世界风力发电的发展状况 2 1 2 2 中国风力发电的发展状况 2 1 3 本论文的主要工作 4 1 3 1 课题的研究内容和基本要求 4 1 3 2 研究方法步骤 5 2 风力发电系统的基本原理 6 2 1 风力发电的基本原理 6 2 2 风轮机理论 7 2 3 水平轴风力发电机结构 7 2 4 定浆距风力发电机组 8 2 5 永磁同步发电机基本原理 8 2 5 1 同步电机基础 8 2 5 2 同步电机的基本结构 9 2 5 3 同步电机的工作原理 10 3 风力发电系统的建模 12 3 1 风速模型 12 3 2 风力发电机组气动性能模型 15 3 3 传动齿轮模型 17 3 4 三相同步发电机模型 18 3 5 风力发电系统整体建模 20 4 风力发电系统的仿真分析 21 5 总结思考 27 参考文献 29 嘉兴学院本科生毕业设计 0 1 绪论 1 1 风力发电系统的研究背景和意义 1 2 工业生产的进步与发展带来的能源危机和环境问题 使得人们把目光转向 可在生能源 以煤炭 石油 天然气 水利和核物质为原料的传统电力开发给 环境造成了很大的负担 如环境污染 酸雨 气候异常 放射性废物处理 石 油泄露等等 而风力发电对环境的影响则十分微小 具有显著的环境友好特性 是典型的清洁能源 目前 在除水利发电以外的各种再生能源的开发中 风力发电的开发最具 潜力 发电成本低 并且在技术上日趋成熟 从而形成一个新兴的产业 成为 电力系统结构中相对增长速度最快的新能源发电 因此 对于风力发电技术的 研究有着重要的意义 风能是一种无污染 可持续发展的能源 近年来风能的利用越来越受到人 类的重视 风力发电作为一种风能的主要利用形式正以前所未有的速度发展 风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升 并在电力系统受越来越受到欢 迎和重视 3 近十年来 风力发电技术得到了飞速的发展和越来越广泛的应用 要进行 风力发电系统的研究 传统的方法是将发电机与风轮机相连 在现场做实验 但是这样做成本较高并且可能影响电力系统的运行 仿真建模技术由于不受上 述条件的限制 投入低 见效快 因而在风力发电的研究领域得到了越来越广 泛的应用 极大地丰富了风力发电的研究手段 4 随着电力工业的飞速发展和对供电的需求 利用新能源发电日益受到人们 的关注 风能资源是清洁的可再生能源 风力发电是新能源中技术最成熟 最 具开发规模条件和商业化发展前景的发电方式之一 本次选题正是了解到发电 系统的新趋势和国家节能减排的计划 对风力发电的研究产生了浓厚的兴趣 为了对风力发电系统的流程深入学习 熟悉一些建模仿真的实现方法 掌握一 种仿真软件并且较好的应用 所以选择了风力发电系统的建模与仿真这个题目 风力发电是清洁的 无污染可再生能源 它具有明显的优势 首先 煤 石油 天然气等常规资源并不是取之不尽用之不竭的 必须考虑开发新能源 而风能资源能够完美的体现它的价值 必将受到人们的重视 第二风力发电不 像火力发电等其他常规发电方式 它清洁无污染 不会产生温室气体 对环境 无污染 第三风力发电运行成本低且可以大规模建设 提高发电效率 风力发电系统的建模与仿真 1 1 2 国内外风力发电的发展概况 4 5 6 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 风力发电机组的研发和生产以欧洲国家为主 如丹麦 德国 美国等 其 中丹麦的风力发电技术发展最早技术也较为成熟 德国的风力发电技术发展最 快且发电量最大 印度的风力发电令人瞩目 是发展中国家中发展最快的国家 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 3 6 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 嘉兴学院本科生毕业设计 2 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 具中国风电协会统计 2012 年 中国 不包括台湾地区 新增安装风电机 组 7872 台 装机容量 12960MW 同比下降 26 5 累计安装风电机组 53764 台 装机容量 75324 2MW 同比增长 20 8 2001 2012 年中国新增及累计风电装机容量 风力发电系统的建模与仿真 3 2006 2012 年中国各区域累计风电装机容量 1 3 本论文的主要工作 在学习和掌握风力发电机组的基本控制要求和控制策略前提下 对定桨距风 力发电机组控制系统仿真方面作初步的探究和研究 以使学生对大学所学的电 气系统知识 自动化知识 电子技术和计算机技术知识综合运用于解决工程实 践问题的能力进行有效的工程训练 1 3 1 课题的研究内容和基本要求 7 8 9 主要是通过 MATLAB 仿真软件 建立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 对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析 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 并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形 以便通过控 制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行 并实现了稳定机组输出功率和优 化功率曲线的控制功能 1 风力发电系统的基本原理 a 了解风力发电的基本原理 以及当前的发展及应用情况 b 风力发电机的结构与组成等 2 风力发电控制系统模型的建立 a 结合控制系统工作原理 风力发电系统的控制策略 b 利用软件建模 c 仿真 特例举例 嘉兴学院本科生毕业设计 4 1 3 2 研究方法步骤 本设计是以我们学校现有的 5KW 风力发电机为原形进行的建模与仿真 具 体方法步骤如下 第一步 大量查阅国内外风力发电的相关资料 了解风力发电技术的发展 趋势和最新动态 第二步 确定风力发电机组的数学模型 主要有风速模型 风力发电机气 动性能模型 传动系统动力学模型和感应电机模型 第三步 学习 MATLAB 使用方法 研究 MATLAB 仿真建模的相关理论并使用 其建模和仿真 第四步 利用 MATLAB 仿真软件搭建仿真模块准备仿真 第五步 对风力模型进行仿真并分析仿真结果 风力发电系统的建模与仿真 5 2 风力发电系统的基本原理 2 1 风力发电的基本原理 10 11 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 发 电 机 风 齿 轮 箱 叶 片 图 2 1 风力发电原理图 风力发电机主要包含三部分 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 比较新型的设计一般是可变速的 比如 Vestas 公司的 V52 850 千瓦风电机 转速为每分钟 14 转到每分钟 31 4 转 利用可变速操作 风轮的空气动力效 率可以得到改善 从而提取更多 的能量 而且在弱风情况下噪音更低 因此 变速的风电机设计比起定速风电机 越来越受 欢迎 机舱上安装的感测器探测风向 透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向 面向来风 风轮 的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机 如果没有 齿轮变速箱则直接传送到发 电机 在风电工业中 配有变速箱的风力发电机 是很普遍的 不过 为风电机而设计的多极直接驱动式发电机 也有显著的发 展 设与塔底的变压器 或者有些设於与机舱内 可提升发电机的电压到配电 网电压 香港的情 况为 11 千伏 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 嘉兴学院本科生毕业设计 6 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 风轮机理论 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件 它由两只 或更多只 螺旋桨 形的叶轮组成 当风吹向浆叶时 桨叶上产生气动力驱动风轮转动 风轮机又称为风车 是一种将风能转换成机械能 电能或热能的能量转换 装置 风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮 机三大类 但应用最广的还是前两种类型的风轮机 2 3 水平轴风力发电机结构 11 12 风力发电机组是由风轮 传动系统 偏航系统 液压系统 制动系统 发 电机 控制与安全系统 机舱 塔架和基础等组成 该机组通过风力推动叶轮 旋转 再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电 有效的 将风能转化成电能 风力发电机组结构示意图如图 2 2 1 叶片 2 变浆轴承 3 主轴 4 机舱吊 5 齿轮箱 6 高速轴制动器 7 发电机 8 轴流风机 9 机座 10 滑环 11 偏航轴承 12 偏航驱动 13 轮毂系统 图 2 2 风力发电机组结构示意图 风力发电系统的建模与仿真 7 2 4 定浆距风力发电机组 1 14 风力机的功率调节完全依靠叶片的气动性能 称为定浆距风力发电机组 定桨距风力发电机组的主要结构特点是 桨叶与轮毂的连接是固定的 即当风 速变化时 桨叶的迎风角度不能随之变化 风力机获得的功率随风速不停的变 化 发电机发电机工作与同步转速附近 而风电机组一般工作在小于额定风速 时风轮机的转换效率 Cp 的最佳区段 当风速超过额定风速时 为了确保发电 机输出功率恒定 必须通过叶片失速来降低 Cp 来维持功率恒定 定浆距发 电系统的发电机正常工作滑差小于 1 允许的滑差范围一般小于 5 但是风 速变化范围却很大 图 2 3 为风轮机的典型 Cp 特性曲线 图 2 3 关系曲线 PC 从上图关系来看 大功率的发电机工作在高风速区段 小功率发电机工作再低 风速区段 通过这种方法来调整叶尖速比 实现机组在 Cp 最大下工作 所 以定浆距风力发电机组的浆距角 设定为 0 度 2 5 永磁同步发电机基本原理 13 2 5 1 同步电机基础 同步电机是另一种交流电机 同步电机的特点是在稳定运行时 它的转速 n 与定子电流的频率 有着严格不变的关系 即1f P06 式中 同步转速 因此而命名为 同步电机 异步电动机中 不存在这种关系 在稳定运行时 嘉兴学院本科生毕业设计 8 其转速 n 与定子电流的频率 必须是1f Pf106 即异步运行 这种机理上的差异是由两者转子中的电流中的性质不同所导致的 异步电 机稳态运行时 其转子转速为 n 转子电流频率 转差率为12sf 如 转子的转速与定子旋转磁场的转速相等 则 00 ns 0 0 s 转子电流频率 这意味着转子绕组内的电流是直流电流 如果改变异步2f 电机的转子结构 使它成为用直流电流励磁 且可以转动的电磁铁 这样的交 流电机便是同步电机 同步电机可以作发电机运行 也可以作电动机运行 至今 主要作发电机 运行 目前全世界的发电量几乎全部由同步发电机发出 同步电动机在静止的 变频电源未经开发前 虽有功率因数可以调节的优点 因其转速不可调节 其 用途受到限制 随着电力电子技术突飞猛进的发展 静止的变频装置和整流装 置的应运而生 同步电机便别开了生面 特别是新型永磁材料的问世 同步电 机采用永磁材料励磁 简化了结构 充分发挥功率因数高 高效节能的优势 便日益扩大了应用的场合 成为控制系统中的一颗新星 2 5 2 同步电机的基本结构 同步电机也是由静止的定子和转动的转子两个基本部分组成 1 定子 同步电机定子这个结构部件和异步电机一样 起着输入或输出电功率 并 产生旋转磁场的作用 其结构形式与异步电机并无多大区别 也是由导磁的定 子铁心和导电的三相绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部件所组成 2 转子 同步电机的转子有两种结构形式 一种是有明显磁极的称为凸极式 如图 所示 另一种是转子为一个圆柱体 表面上开着槽 并无明显磁极的 则称为 隐极式 如图 2 4 所示 同步发电机的转子制成凸极式或隐极式的都有 同步 电动机的转子一般都制成凸极式 凸极式同步电动机的磁极铁心和直流电机一 样 由钢板冲成冲片后叠压而成 磁极上套有励磁绕组 固定在磁轭上 目前 小型凸极式同步发电机中 一出现整体机构的转子 即由钢板冲成极身 极靴 与磁轭连成整体的冲片叠压起来 然后缠绕励磁绕组 励磁绕组用绝缘的铜线 绕成 与极身之间有绝缘 各磁极上的励磁绕组间的联接 必须注意到通过励 磁电流以后相邻磁极的极性呈 N 与 S 交替排列 励磁绕组两个出现端接到两个 风力发电系统的建模与仿真 9 集电环上 通过与集电环相接触的静止电刷向外引出 另外 在极靴上还装有 笼型绕组 这种笼型绕组称为阻尼绕组 因为在同步电机非同步转速运行时 他起着阻尼作用 整个转子由磁极 磁轭 励磁绕组 转子支架 大型同步电 机有 轴以及集电环等部件组成 a 凸极式 b 隐极式 1 定子 2 凸极转子 3 隐极转子 4 集电环 图 2 4 旋转磁极式同步电机结构示意图 2 5 3 同步电机的工作原理 同步电机的工作原理也基于电磁感应定律 当同步发电机的直流电流励磁 的转子由原动机拖动到同步转速 时 定子上静止开路的三相绕组 也称电枢0n 绕组 与旋转转子上的磁极在空隙中所建立旋转磁场相对运动 定子绕组磁链 发生变化 根据电磁感应定律 定子绕组内由此感应产生感应电动势 称为0E 励磁电动势 见图 2 5 改变励磁电流 的大小可相应的改变励磁电动势 的fI 大小 此时同步电机作发电机运行而呈空载状态 在同步转速下 励磁电动势 与励磁电流 的关系 称为发电机的空载特性 其意义 性质以及测取方法0EfI 和直流发电机的一样 同步电机空载运行时 其端电压 当定子绕组接上对称负载 同步0EU 发电机就处于负载运行状态 此时原动机向发电机输入机械功率 发电机从定 子绕组输出电功率 经行机电能量转换 这就是三相同步发电机的工作原理 嘉兴学院本科生毕业设计 10 a 同步发电机示意图 b 三相电动势向量图 图 2 5 同步发电机工作原理示意图 同步电机和其他类型的电机一样 也遵循可逆原理 可按发电机方式运行 也 可按电动机方式运行 当原动机拖动同步电机并励磁时 电机从原动机输入机 械功率 向电网输出电功率 为发电机运行方式 当同步电机接入电网并励磁 拖动机械负载时 从电网输入电功率 在轴上输出机械功率 为电动机运行方 式 风力发电系统的建模与仿真 11 3 风力发电系统的建模 15 16 17 18 3 1 风速模型 由于风速具有随机性和间歇性的特点 这里风速模型采用四分量叠加法的 风速模型 trgbvv 包括 基本风 阵风 渐变风 随即风 15 1 基本风 基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定 1 kAvb 3 1 尺度参数 A 和形状参数 k 可根据风电场的实测数据估算 在实际与仿真时我们近似认为 是一个不随时间变化的分量 也就是取bv 为一个常数 bv bv smVst 图 3 1 基本风风速变化曲线 此模块使用 constant 模块 即 基本风速设置为 3m s 2 阵风 描述风速突然变化的特性 通常用来分析风电系统对电网电压波动 的影响 g ggggTt TtTtvt1 11max1 0 2cos 2 0 3 2 式中 为阵风风速 单位 m s 为阵风峰值 单位 m s T1 为阵风gvmaxgv 开始时间 单位 s 为阵风周期 单位 s t 为时间 单位 s g 嘉兴学院本科生毕业设计 12 阵风风速随时间变化曲线如图 3 2 maxgV s1TgT 1st 图 3 2 阵风风速随时间变化曲线 阵风模型如下图 3 3 所示 1 Out1 t2 t1 t 6 Vgmax cos TrigonometricFunction 0 05 Tg 0 08 T1 Tg 0 03 T1 Switch3 Switch2 Scope2 Scope1 Product3Product1 Product ofElements2 1 2 Gain1 K Gain 0 Constant18 1 Constant14 0 Constant1 Add3 Add2 图 3 3 阵风模型 参数设置 设置为 6m s T1 设置为 0 03s 设置为 0 05s maxgv gT 3 渐变风 描述风速渐变的特性 3 3 TtTvtttrrr rrrrrr 22max 21a21 0 式中 为渐变风风速 单位 m s 为渐变风峰值 单位 m s T 为maxrv 渐变风持续时间 单位 s Tr1 为渐变风启动时间 单位 s Tr2 为渐变风结束 时间 单位 s 渐变风随时间变化曲线如图 3 4 所示 风力发电系统的建模与仿真 13 1r T2Tr maxrV s st 图 3 4 渐变风随时间变化曲线 渐变风风速模型如下图 3 5 所示 1 Out16 Vrmax1 6 Vrmax 0 06 Tr2 0 04 Tr1 Switch1 Switch Scope1 Ramp2 Ramp1 Ramp Product2Product ofElements1 0 Constant6 Add1 Add 图 3 5 渐变风风速模型 参数设置 设置为 6m s Tr1 设置为 0 04s Tr2 设置为 0 04s maxrv 4 随机风 描述在特定高度上风速变化的随机特性 3 4 cos 1 ax VndomttR 式中 为随机风的风速 单位m s 为随机风的最大值 单位tv maxtv m s 为 1和1之间均匀分布的随机变量 为风速波动的平均距离 单andomRV 位rad s 为 间服从均匀概率分布的随机量 此模型使用MATLAB的V 20 Random number 模型 即 嘉兴学院本科生毕业设计 14 风速综合模型如下图 3 6 所示 1 wind speed 11 bzse Out1 Vr Out1 VgScope5 Scope4 Scope3 Scope2 Scope Random Number Add4 图 3 6 风速综合模型 3 2 风力发电机组气动性能模型 一台风轮半径为 R 的风轮机 在风速为 v 时 所产生的机械功率为 32 1CPpm 3 5 其中 为叶尖速比 表达式为 v R 机械转矩为 23 21CRPTpm 3 6 式中 为空气密度 通常情况下 即 20 摄氏度时 取 1 205kg m3 v 为 通过风力机叶片的风速 为叶片旋转角速度 现代定速风电机组的风机转速 为 15 20r min 本文中取 20r min Cp 为风轮机的功率系数 Cp 与 叶尖速比 和叶片浆距角 有关 关系式如下 1 3 7 25 002 5 ffp rCerC 式中 C f 为叶片设计常数 本文中取值为 3 r 取 12 根据不同的 取值 可得到 Cp 曲线如图所示 从图中可以看出 对于 风力发电系统的建模与仿真 15 某一确定的浆距角 Cp 有一极大值存在 也就是说 当风力机在运行时不能 保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出 Cp 的理论最大值为 0 593 这 就是著名的 Betz 极限 图 3 7 关系曲线 PC Cp 的模型如下图 3 8 所示 1 Cp Product of Elements1 Product of Elements Product eu Math Function 0 5 Gain3 36 Gain2 K Gain1 K Gain Add1 Add 2 2 beta 1 lamda 图 3 8 Cp 仿真模型 风力机仿真模型如下图 3 9 所示 嘉兴学院本科生毕业设计 16 2 Tm 1 Pm 0 beta lamda beta Cp Subsystem Scope Saturation2 Saturation1 Saturation Product1 Product of Elements Product 1 Gain1 3 14 Gain u u Fcn1 u u u Fcn Divide 0 5 Constant1 2 8 Constant 1 025 Air density 2 w 1 wind speed 3 3 传动齿轮模型 风力发电传动系统的作用是把原动部分的运动转变为执行部分所需的机械 动作 即把风通过风力机所产生的气动转矩变为发电机侧的机械转矩 因此传 动系统是能量传输的纽带 同时 传动系统的运动取决于驱动力及阻力的特性 风轮机传动齿轮示意图如图 3 10 所示 忽略转轴的倔强系数 阻尼因数 通过力学分析 可知风力机转轴到发电机转子之间的机械传动部分的数学方程 为 3 8 dtJTwtlswt 3 9 hsglsK 分别为风机的转动惯量和机械转速 分别为经过传动齿wtJ lsThs 轮低速轴和高速轴上的机械转矩 为齿轮箱的变比 gK 图 3 9 风力机仿真模型 风力发电系统的建模与仿真 17 t wtTlsThsT1 gK 传 动 齿 轮 发 电 机 m 风 轮 机 图 3 10 风轮机传动齿轮示意图 传功齿轮模型如下图 3 11 所示 2 Ths 1 Tls 1 Jwt du dt Derivative Add 1 1 Kg 2 omiga t 1 Twt 图 3 11 传动齿轮模型 3 4 三相同步发电机模型 传动模型 气动转矩 Ta 和电机电磁转矩 Te 变化时 风力发电机风轮机转子将加速或 减速运行 对于直驱型永磁同步发电机 假定转子与电机之间为刚性连接 则 传动模型可由式 3 10 表示 3 10 elaeqTdtJm 式中 为传动损失 为转动粘滞系数 是机组等lTl B meqJ 效转动惯量 本文中所研究的直驱型永磁同步发电机组的转动惯量为式 3 11 3 11 greqJ 式中 和 分别为风轮机和电机的转动惯量 rJg 嘉兴学院本科生毕业设计 18 感应电机模型 本系统中采用的是永磁同步发电机 主要分析永磁同步发电机的动态性能 基于 qd旋转坐标轴建立起数学模型如下 3 12 qmpdpqqdLniLRiuti 式中 和 分别为发电机的 d 轴和 q 轴电流 和 分别为发电机的 ddi d 轴和 q 轴电感 和 分别为电压源 d 轴和 q 轴分量 R 为定子电阻 为q m 转子的机械角速度 为发电机转子极对数 为永磁体磁链 pn PMSM 的电磁转矩表达式为 3 13 5 1 dqqeiLiT 以上两个模型集成与 PMSM 模块中 即 永磁同步发电机模型如下图 3 12 所示 Tm A B C A B C Three Phase Series RLC Branch Scope9 Scope8 Scope12 Scope11 Scope10 Tm mAB C Permanent Magnet Synchronous Machine m is abc vs qd wm thetam Te Machines Measurement Demux1 1 为风轮机产生的轴机械转矩 为定子三相电流 为转子角速度 mTabcis m 为电磁转矩 e 图 3 12 永磁同步发电机 风力发电系统的建模与仿真 19 3 5 风力发电系统整体建模 将以上建立的各个子模块封装并按照预先设计方案经行连接 搭建整个自 建的风力发电系统 在 Simulink 下搭建的系统仿真模块如图 3 13 所示 4 Tsh 3 Tsl 2 Tm 1 PmOut1 Subsystem3 In1 Tsl Tsh Subsystem2 In1 Pm Out2 Subsystem1 In1Out1 Subsystem Scope9 Scope8 Scope7 Scope2 Scope12 Scope11 Scope10m is abc vs qd wm thetam Te Machines Measurement Demux1 1 Gain4 传 动 齿 轮 模 型 永 磁 同 步 发 电 机 模 型 风 速 模 型 风 力 机 模 型 风力机的设计额定风速为 9 5m s 永磁同步电动机失速转矩为 175N m 额 定转速为 3000r min 在不影响仿真效果的情况下 系统的仿真时间设置为 0 1 秒 图 3 13 风电系统仿真 模型 嘉兴学院本科生毕业设计 20 4 风力发电系统的仿真分析 为有效仿真系统各部分的特性 在模型中设置基本风速为 3m s 阵风峰值 为 6m s 渐变风最大值为 6m s 随机风最大最小值分别为 2 5m s 和 0m s 风 速仿真效果如下图 图 4 1 基本风风速图 图 4 2 随即风风速图 图 4 3 渐变风风速图 风力发电系统的建模与仿真 21 图 4 4 阵风风速图 图 4 5 综合风速图 图 4 1 是基本风风速仿真图 基本风风速为 3m s 图 4 2 是随即风风速仿 真图 考虑到风电机会随风向改变 所以最小风速为 0m s 最大风速为 2 5m s 图 4 3 是渐变风风速仿真图 其 0 04s 0 06s 作用 保持 0 02s 醉倒风速为 6m s 图 4 4 是典型阵风风速仿真图 该阵风 0 025s 0 08s 作用 最大风速为 6m s 图 4 5 是前面四种风速叠加仿真图 a 风速变化 嘉兴学院本科生毕业设计 22 b 风力机输出机械功率 c 齿轮箱高速轴输出转矩 d 三相输出电流 e 发电机转子角速度变化曲线 风力发电系统的建模与仿真 23 f 发电机电磁功率变化曲线 图 4 6 综合风速影响下风电机组单数变化曲线 在综合风速影响下 风力机带动永磁同步发电机旋转发电 发电机个参数 随风速变化曲线如图 4 6 图 a 是风速综合仿真图 由于风力机最大额定风 速为 9 5m s 所以可以看到在风速达到最大值是保持最大 图 b c 分别是 风力机输出功率变化曲线和齿轮箱高速轴输出转矩 由于功率与转矩之间的比 例关系 曲线的形状大致相同 图 d 是发电机三相输出电流曲线 图 e f 分别是发电机转子角速度和发电机电磁转曲线 注意到在 0 04s 之前风速 变化较小 转子角速度和电磁转矩变化较小 0 04s 之后风速变化较大 转子角 速度和电磁转矩随风速变化明显 上图是在短时间内风速变化较大的情况下做的仿真 其中发电机在风速变 化情况下转子转速和电磁转矩的细节变化未能清楚观察到 所以设置一个特定 的风速 假设风速在 1s 时刻从 6m s 发生阶跃变化到 9m s 时 风电机组中机械 量及电气量的变化曲线如图 4 7 所示 a 风速阶跃变化 嘉兴学院本科生毕业设计 24 b 风力机输出功率 c 齿轮箱高速轴输出转矩 d 发电机三相输出电流 e 转子角速度变换曲线 风力发电系统的建模与仿真 25 f 发电机电磁转矩 图 4 7 阶跃风速变化下风电机组参数变化曲线 图 4 8 关系曲线PC 图 8 是当浆距角 0时 功率系数 与叶尖速比 的仿真曲线 图中当 6 时 达到最大值 0 43 PC 嘉兴学院本科生毕业设计 26 5 总结思考 本文先对风力发电的研究背景和意义作了说明 现今世界 能源问题日益 突出 作为清洁能源 研究风力发电意义重大 然后对国内外风力发电的发展 状况作了阐述 国外风衣发电起步早 技术成熟而且规模大 国内风力发电虽 然起步晚 但是发展迅速 有很大的发展前景 第三部分是对风力发电机的原 理作了说明 风力发电机的种类繁多 这里对永磁同步发电机的原理结构作了 介绍 最后一部分是本文的核心部分 利用 MATLAB 软件对风力发电系统进 行了建模 然后整体仿真 得到了一系列仿真曲线 通过分析曲线 基本能够 反应出实际系统的运行情况 本文在进行建模与仿真的时候 在很多地方作了 简化 现说明如下 当风速很小的时候 虽然风轮在转动 实际发电机并没有 在发电 这里的风力机作定速风机讨论 这里的风力发电机是定浆距风力发电 机 即规定了某一个浆距角 不能随着外界风速的变化而改变 在传动系统建 模时 没有考虑能量损失耗 只是能量的传递 风力发电资源丰富 技术成熟 可靠性高 成本低且效益显著 在新型能 源中发展较快 本论文通过 MATLAB 仿真软件 建立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 对自建的风力发电系统控制模型进行仿真 分析 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 进行了分析 从仿真图形分析 能够基本反映风力发电机的运行情况 风力发电系统控制策略是以风速的变化为依据 风能的最大利用效率为目 的 为优化风力发电系统运行特性提出的控制方案 变桨距控制系统的设计主 要采用 PI 控制器 根据发电机有功功率输出和风轮机转速反馈来调节桨叶节距 通过风轮机桨距角控制系统对叶片桨距角进行控制 使风力发电机组的机 械部分与发电机的电气部分配合 达到提高风能利用效率及改善供电质量的目 的 利用风力发电样例系统来验证控制系统的可用性 并对各种仿真曲线进行 分析 从而得出结论 根据风速模型的仿真曲线 分析风轮机和发电机各部分曲线的变化情况和 整个系统的仿真曲线图 在并网以前电压的波形基本上是正弦形状的 转速基 本上是稳定的 并网以后虽然受到了电网的干扰 但转速上升到额定转速后再 没有多大变化 电流的波形虽然是正弦的 但整体的趋向也发生了相应的波动 变桨距控制系统在风力发电机组起动时 通过变距来获得足够的起动转矩 起 动以后 当低于额定风速运行时的机组状态控制为转速 当高于额定风速运行时 通过调整桨叶节距 改变气流对叶片的攻角 可以改变风力发电机组获得的空 气动力转矩 使功率输出保持稳定 额定风速之后的机组状态控制主要由桨距 风力发电系统的建模与仿真 27 角调节实现 得到的控制系统保持了风力发电机组运行的安全可靠性 嘉兴学院本科生毕业设计 28 参考文献 1 付海涛 变速恒频风力发电系统的建模与仿真研究 D 华中科技大学 2005 2 陈涛 郑同伟 恒速恒频风力发电系统的建模与仿真 J 农村电气化 2010 1 34 35 3 赵立邺 孟镇 基于 Matlab Simulink 直驱式永磁风力发电系统的建模与仿 真 J 农业网络信息 2011 2 30 35 4 赵尊立 风电技术的现状与展望 J 中国科技信息 2011 19 39 5 赵洪杰 马春宁 风力发电的发展状况与发展趋势 J 水利科技与经济 2006 12 9 618 622 6 徐凯 国内外风力发电现状及发展趋势 J 中国高新技术企业 2007 13 77 81 7 屠卿瑞 徐政 张静 基于 PSCAD EMTDC 的直驱式风力发电接入系统建模与仿 真 J 太阳能学报 2010 31 4 523 530 8 徐颖剑 交直交风力发电系统建模与仿真研究 J 电气开关 2011 4 25 32 9 张滕飞 沈伊韡 程强 异步风力发电系统建模与仿真 J 华东电力 2011 39 2 304 306 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