風(fēng)電實(shí)驗(yàn)報(bào)告-風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真

1、實(shí)驗(yàn)一 ：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真姓名：樊姍 學(xué)號(hào)：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型2掌握在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模、仿真與分析；二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:對(duì)風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)模型和發(fā)電機(jī)模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如對(duì)風(fēng)力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風(fēng)速、風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、各種發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面分析，探索風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部風(fēng)最通用的模型、包括了可供電網(wǎng)分析的各系統(tǒng)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，對(duì)各個(gè)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用 MATLAB 軟件進(jìn)行了仿真。三、實(shí)驗(yàn)原理：3.1風(fēng)速模型的建立自然風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量的來源，其在流動(dòng)過程中，速度和方向是不斷變化的，具有很強(qiáng)的隨機(jī)

2、性和突變性。本課題不考慮風(fēng)向問題，僅從其變化特點(diǎn)出發(fā)，著重描述其隨機(jī)性和間歇性，認(rèn)為其時(shí)空模型由以下四種成分構(gòu)成:基本風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、漸變風(fēng)速 和噪聲風(fēng)速。即模擬風(fēng)速的模型為： （1-1）（1）基本風(fēng)速在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行過程中一直存在，基本反映了風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速的變化。一般認(rèn)為，基本風(fēng)速可由風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得的韋爾分布參數(shù)近似確定，且其不隨時(shí)間變化，因而取為常數(shù)（2）陣風(fēng)用來描述風(fēng)速突然變化的特點(diǎn)，其在該段時(shí)間內(nèi)具有余弦特性，其具體數(shù)學(xué)公式為： （1-2）式中： （1-3）t 為時(shí)間，單位 s；T為陣風(fēng)的周期，單位 s；，為陣風(fēng)風(fēng)速，單位m /s；為陣風(fēng)開始時(shí)間，單位 s ；為陣風(fēng)的最大值，單位 m/

3、s。 （3）漸變風(fēng)用來描述風(fēng)速緩慢變化的特點(diǎn)，其具體數(shù)學(xué)公式如下： （1-4）式中： （1-5） 為漸變風(fēng)開始時(shí)間，單位 s；為漸變風(fēng)終止時(shí)間，單位 s ；，為不同時(shí)刻漸變風(fēng)風(fēng)速，單位 m/s；為漸變風(fēng)的最大值，單位 m/s 。 （4）隨機(jī)噪聲風(fēng)用來描述相對(duì)高度上風(fēng)速變化的特點(diǎn)，此處不再描述。3.2風(fēng)力機(jī)模型的建立風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。能量的轉(zhuǎn)化將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異，因此，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù) 0.593。風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為： (2-6)而風(fēng)輪獲得的氣動(dòng)扭矩為： (2-7)其中：表示有用

4、功率，單位為 w；表示空氣密度，單位為 Kg/m；R表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，單位為 m；表示風(fēng)速，單位為 m/s；表示風(fēng)能利用系數(shù)；表示氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；并且有： (2-8) (2-9)稱為葉尖速比；為風(fēng)輪角速度，單位為 rad/s。 3.3傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立本實(shí)驗(yàn)在分析傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的剛性軸模型。剛性軸模型認(rèn)為傳動(dòng)系統(tǒng)是剛性的，即低速軸，增速齒輪箱傳動(dòng)軸，高速軸都是剛性的。忽略風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)部分的傳動(dòng)阻尼，最后可得傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程為： (3-10) 其中： 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位；n 為傳動(dòng)比；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位；為發(fā)電機(jī)的反轉(zhuǎn)矩，單位。 并且： （3-11）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位

5、rad/s。3.4發(fā)電機(jī)模型的建立本實(shí)驗(yàn)只建立發(fā)電機(jī)的模型，而忽略變頻裝置。發(fā)電機(jī)的反扭矩方程為： （4-12） （4-13）其中：為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；為相數(shù)；為電壓；為修正系數(shù);為發(fā)電機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；，分別為定子繞組的電阻和漏抗；，分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗，單位為。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：4.1風(fēng)速模型及仿真結(jié)果4.1.1陣風(fēng)模型及仿真結(jié)果陣風(fēng)風(fēng)速2漸變風(fēng)模型及其仿真結(jié)果漸變風(fēng)速 3總的風(fēng)速模型總的風(fēng)速4.2風(fēng)力機(jī)模型及仿真結(jié)果PrTr4.3傳動(dòng)系統(tǒng)模型及仿真結(jié)果wr4.4發(fā)電機(jī)模型及仿真結(jié)果Te4.5風(fēng)機(jī)組模型及仿真結(jié)果波形從上到下分別是: 角速度 風(fēng)速

6、、輸出功率4.6結(jié)果分析（1）由上圖可知系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風(fēng)速有關(guān)，由于系統(tǒng)中存在噪聲所以輸出地功率存在很大的噪聲，風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定輸出功率。（2）輸出地角速度在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。角速度沒有太大的沖擊變化，對(duì)硬件機(jī)器的損壞很小。（3）功率系數(shù)圖可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)比較低，基本運(yùn)行在 0.35 以下，必會(huì)造成風(fēng)能的極大浪費(fèi)。（4）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速基本一直運(yùn)行在 0.9rad/s 以下，而文章的風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為 19.8r/min，即 2.0724rad/s。在此種情況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，從而必定導(dǎo)致發(fā)電量不足，發(fā)電效率低下。五、實(shí)驗(yàn)心得通過本次的學(xué)習(xí)對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電

7、機(jī)有利一定的了解，從學(xué)習(xí)中得知風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)70年代開始研究風(fēng)電的自主研發(fā)能力嚴(yán)重不足，風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)和制造水平比較落后，總體上還處于跟蹤和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的階段。目前，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組在控制系統(tǒng)、軸承、風(fēng)機(jī)葉片、齒輪箱等零部件方面存在較大的供需矛盾。雖然整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，但是風(fēng)電設(shè)備廠商在這方面明顯生產(chǎn)能力不足，尤其在兆瓦級(jí)容量的風(fēng)電機(jī)組中，軸承和電控系統(tǒng)幾乎沒有生產(chǎn)能力。在風(fēng)電機(jī)組整體設(shè)備中，電控系統(tǒng)又是風(fēng)機(jī)的大腦和核心。因此，風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化對(duì)于整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來說都是十分緊迫和必須的。通過廖老師講授，我完成了本次試驗(yàn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有了深刻的了解和認(rèn)識(shí)，為以后的發(fā)展和工作奠定了堅(jiān)

8、實(shí)的基礎(chǔ)，本次試驗(yàn)時(shí)通過MATLAB 對(duì)風(fēng)力發(fā)機(jī)的風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)模型及風(fēng)速進(jìn)行了仿真，分析每部分之間的關(guān)系，為以后深入的學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)二：低/高風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制器設(shè)計(jì)姓名：樊姍 學(xué)號(hào)：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo):1.1掌握模糊控制系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法；1.2掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速和低風(fēng)速時(shí)的控制原理研究方法；1.3掌握控制器對(duì)鋒利機(jī)組的優(yōu)化方法；二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:2.1對(duì)模糊控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，并且遵循模糊控制器設(shè)計(jì)的規(guī)則和方法，設(shè)計(jì)適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模糊控制器。如在高風(fēng)速時(shí)隨著風(fēng)速以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，通過控制變槳距不斷的調(diào)整槳距角，使風(fēng)輪的功率

9、因數(shù)變化，從而改變輸出功率，使輸出功率始終維持在一個(gè)合理的恒值狀態(tài)。2.2對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速和低風(fēng)速時(shí)的控制原理研究，并針對(duì)系統(tǒng)控制原理的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了模糊控制器，繼而進(jìn)行了高風(fēng)速和低風(fēng)速時(shí)的仿真研究，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，比對(duì)證明模糊控制系統(tǒng)是否成功，同時(shí)找出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)和不足，進(jìn)行推廣和改造。三、實(shí)驗(yàn)原理：模糊控制系統(tǒng)一般主要由模糊控制器，輸入/輸出接口電路，廣義對(duì)象以及檢測(cè)裝置構(gòu)成。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其主要作用是完成輸入精確量的模糊化處理，并運(yùn)用模糊規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而進(jìn)行模糊推理決策運(yùn)算以及精細(xì)化處理等重要過程。其是一個(gè)模糊控制系統(tǒng)優(yōu)劣性能的指標(biāo)。輸入輸出接口電路是

10、模糊控制器連接前后系統(tǒng)的兩個(gè)通道口，其作用是用來傳遞信號(hào)，并完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，用以控制執(zhí)行器的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)控制被控對(duì)象的目的。廣義對(duì)象包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象兩部分。檢測(cè)裝置在模糊控制系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位，其精度直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此要求其精度高，可靠且穩(wěn)定性好。模糊控制系統(tǒng)的工作原理是：由檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集單元獲取被控變量，經(jīng)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后，輸出精確值，然后精確值和給定值進(jìn)行比較獲得精確偏差，經(jīng)模糊控制器進(jìn)行模糊化處理，模糊規(guī)則及推理運(yùn)算，最后經(jīng)過精確化處理輸出精確量，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使之達(dá)到控制對(duì)象的目的。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：4.1模糊控制器模

11、型4.2不同波形下的結(jié)果4.2.1輸入波形 三角波模糊控制器規(guī)則：風(fēng)機(jī)模型 PS發(fā)電機(jī)風(fēng)速w4.2.2輸入波形 矩形波模糊控制器規(guī)則風(fēng)機(jī)模型 PS發(fā)電機(jī)風(fēng)速角速度4.2結(jié)果分析通過對(duì)上面波形對(duì)比可知兩個(gè)波形都存在噪聲的干擾，但是在沒有加入控制器的沖擊很大，會(huì)對(duì)后期的產(chǎn)生很大的麻煩，同時(shí)也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)會(huì)有一定的損壞。波形在控制器的基礎(chǔ)上增加了濾波裝置，使輸出的波形更加的平滑、穩(wěn)定，更有利于風(fēng)機(jī)的功率輸出。五、實(shí)驗(yàn)心得通過本次實(shí)驗(yàn)我學(xué)會(huì)了模糊控制的設(shè)計(jì)和使用及濾波器在系統(tǒng)中的重要性，模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論，即模糊集合論，模糊語言變量以及模糊邏輯推理等作為理論基礎(chǔ)，以傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論作為技術(shù)基礎(chǔ)的一種新型自動(dòng)控制理論和控制方法。模糊控制器廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)過程控制中，其控制對(duì)象一般情況下具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是對(duì)象模型不確定；二是模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在大范圍內(nèi)變化；三是具有非線性特性；四是具有復(fù)雜的任務(wù)和要求。而我們本次的實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制恰恰存在以上特點(diǎn)。模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)選擇，模糊化和反模糊化方法，以及模糊控制器參數(shù)的設(shè)定等幾個(gè)方面。所謂的模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇，就是確定模糊控制器的輸入輸出變量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能影響很大。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性與快速性，通常