西南交通大學(xué)智能電網(wǎng)實訓(xùn)2017

基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究學(xué)生姓名：學(xué)號：專 業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)校：西南交通大學(xué)第2章風(fēng)資源和風(fēng)力發(fā)電2.1風(fēng)資源的基本原理1、 風(fēng)能的基本情況風(fēng)的形成乃是空氣流動的結(jié)果。風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從東方吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。風(fēng)能的特點主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。2、 風(fēng)能資源的估算風(fēng)能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)能密度，表示如下：3=0.5pv3式中，3——風(fēng)能密度(W/m2)，是描述一個地方風(fēng)能潛力的最方便最有價值的量;P——空氣密度(屈/m3)；v 風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個隨機性很大的量，必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個值可以將風(fēng)能密度公式對時間積分后平均來求得。有效風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得①=jv20.5pv3P(v}dvvi式中，V 啟動風(fēng)速（m/s）；v 停機風(fēng)速（m/s）；P（v）——有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)。平均風(fēng)能密度則可用下式求得:1「o=tj。.5pv3P(v)dt2.2風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力發(fā)電機組通常亦被稱為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。典型的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組主要包括支撐作用的塔架、風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置一風(fēng)輪機（葉片、輪轂及其控制器）、起連接作用的傳動機構(gòu)一傳動軸、齒輪箱、能量轉(zhuǎn)換裝置一發(fā)電機及其它風(fēng)機運行控制系統(tǒng)一偏航系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。風(fēng)力發(fā)電過程是：自然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉輪，帶動輪轂轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后通過傳動機構(gòu)將機械能送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子，帶動著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，實現(xiàn)由機械能向電能的轉(zhuǎn)換，最后風(fēng)電場將電能通過區(qū)域變電站注入電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后機械能帶動風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電。圖2-1風(fēng)力發(fā)電原理圖風(fēng)力發(fā)電機主要包含三部分風(fēng)輪、機艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機的最常見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直立管狀塔桿上。風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不像小型風(fēng)力發(fā)電機，大型風(fēng)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)力發(fā)電機是采用固定速度的。通常采用兩個不同的速度-在弱風(fēng)下用低速和在強風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機的感應(yīng)式異步發(fā)電機能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。所有風(fēng)力發(fā)電機的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強風(fēng)下最常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制風(fēng)輪所承受壓力）是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機，超過額定風(fēng)速的強風(fēng)會導(dǎo)致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強時，葉片尾部制動裝置會動作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。2.3風(fēng)輪機風(fēng)輪是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只（或更多）螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。風(fēng)輪機又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機垂直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機。2.4水平軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電機組是由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制與安全系統(tǒng)、機艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。該機組通過風(fēng)力推動葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)增速來達(dá)到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，有效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2。圖2-2風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖1、葉片2、變漿軸承3、主軸4、機艙吊5、齒輪箱6、高速軸制動器7、發(fā)電機8、軸流風(fēng)機9、機座10、滑環(huán)11、偏航軸承12、偏航驅(qū)動13、輪轂系統(tǒng)2.5風(fēng)力發(fā)電的特點1、 可再生的潔凈能源。2、 建設(shè)周期短，裝機規(guī)模靈活，可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。3、 可靠性高，把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機組壽命可達(dá)20年。4、 造價低，運行維護簡單，實際占地面積小。5、 發(fā)電方式多樣化，既可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行。6、單機容量小。

第3章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模3.1風(fēng)速模型由于風(fēng)速具有隨機性和間歇性的特點，這里風(fēng)速模型采用四分量疊加法的風(fēng)速模型：v=匕+v+v+匕，包括：基本風(fēng)，陣風(fēng)，漸變風(fēng)，隨即風(fēng)。bgrt1、基本風(fēng)為基本風(fēng)反映了風(fēng)場平均風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率的大小主要由基本風(fēng)決定，它的測得由風(fēng)電場測風(fēng)所得的威布爾分布參數(shù)近似確定。一般認(rèn)為基本風(fēng)在一段時間內(nèi)不隨時間變化，可取常數(shù)。圖3-1基本風(fēng)隨時間變化曲線圖2、陣風(fēng)％陣風(fēng)為描述風(fēng)速突然變化的特性，可假設(shè)在該段時間內(nèi)風(fēng)速具有余弦特性。G—maxG—max21一cos2兀T1G<t<T1G+Tgwg其他時間式中，GmaxT1G陣風(fēng)開始時刻（s）。圖3-2陣風(fēng)隨時間變化曲線圖3、漸變風(fēng)％漸變風(fēng)用以描述風(fēng)場穩(wěn)態(tài)能量隨時間緩慢變化的過程，以風(fēng)速由小變大為例，漸進風(fēng)可用下式模型:Vwr式中，0t式中，GmaxT1G陣風(fēng)開始時刻（s）。圖3-2陣風(fēng)隨時間變化曲線圖3、漸變風(fēng)％漸變風(fēng)用以描述風(fēng)場穩(wěn)態(tài)能量隨時間緩慢變化的過程，以風(fēng)速由小變大為例，漸進風(fēng)可用下式模型:Vwr式中，0t-T八 RT-Tmax2R 1RRmaxt<T偵或t>T2r+Tr

Tr<t<TrrTrr<t<T+TRmax漸變風(fēng)的最大值;Tir——漸變風(fēng)開始時刻;T2R漸變風(fēng)結(jié)束時刻;漸變風(fēng)保持時間。R陣風(fēng)幅值（m/s）；T——陣風(fēng)周期（s）；G4、 隨機風(fēng)％描述在特定高度上風(fēng)速變化的隨機特性V廣、七如（T，1）cos（氣+巾/式中，，t為隨機風(fēng)的風(fēng)速，單位m/s；；tmax為隨機風(fēng)的最大值，單位m/s；Random為-1和1之間均勻分布的隨機變量；°V為風(fēng)速波動的平均距離，單位rad/s；%為°-2"間服從均勻概率分布的隨機量。5、 綜合風(fēng)速模型V=V+V+V+Vbgrt3.2風(fēng)力發(fā)電機組氣動性能模型一臺風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)輪機，在風(fēng)速為v時，所產(chǎn)生的機械功率為：P=1P兀R2C（P,人）V3m2 P°R其中入為葉尖速比，表達(dá)式為：人= ，v機械轉(zhuǎn)矩為：Tm=/=2P兀R3Cp（p,人）?，式中，p為空氣密度，通常情況下，即20攝氏度時，取1.205kg/m3；v為通過風(fēng)力機葉片的風(fēng)速；°為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，現(xiàn)代定速風(fēng)電機組的風(fēng)機轉(zhuǎn)速為15~20r/min，本文中取20r/min；Cp（P，入）為風(fēng)輪機的功率系數(shù)；Cp與葉尖速比入和葉片漿距角6有關(guān)，關(guān)系式如下：C=0.5[rCf-0.022p-2]廠°?255rCf1%p人k 7式中，Cf為葉片設(shè)計常數(shù)，本文中取值為3，r取12.根據(jù)不同的6、入取值，可得到Cp曲線如圖所示，從圖中可以看出，對于

某一確定的漿距角B，Cp有一極大值存在，也就是說，當(dāng)風(fēng)力機在運行時不能保證在所有的風(fēng)速下都能產(chǎn)生最大的功率輸出。Cp的理論最大值為0.593，這就是著名的Betz極限。圖3-4七(Rp)~人關(guān)系曲線Cp的模型如下圖Cp的模型如下圖3-5所示:圖3-5Cp仿真模型風(fēng)力機仿真模型如下圖3-6所示:風(fēng)力機仿真模型如下圖3-6所示:3.3傳動齒輪模型風(fēng)力發(fā)電傳動系統(tǒng)的作用是把原動部分的運動轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的機械動作，即把風(fēng)通過風(fēng)力機所產(chǎn)生的氣動轉(zhuǎn)矩變?yōu)榘l(fā)電機側(cè)的機械轉(zhuǎn)矩。因此傳動系統(tǒng)是能量傳輸?shù)募~帶，同時，傳動系統(tǒng)的運動取決于驅(qū)動力及阻力的特性。風(fēng)輪機傳動齒輪示意圖如圖3-7所示，忽略轉(zhuǎn)軸的倔強系數(shù)、阻尼因數(shù)，通過力學(xué)分析，可知風(fēng)力機轉(zhuǎn)軸到發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的機械傳動部分的數(shù)學(xué)方程為:d? 1-dtT廣ktJwt、w分別為風(fēng)機的轉(zhuǎn)動慣量和機械轉(zhuǎn)速；t、Ths分別為經(jīng)過傳動齒輪低速軸和高速軸上的機械轉(zhuǎn)矩；Kg為齒輪箱的變比。圖3-7風(fēng)輪機傳動齒輪示意圖傳功齒輪模型如下圖3-8所示：

3.4永磁同步發(fā)電機模型1、傳動模型氣動轉(zhuǎn)矩Ta和電機電磁轉(zhuǎn)矩Te變化時，風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子將加速或減速運行，對于直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機，假定轉(zhuǎn)子與電機之間為剛性連接，則傳減速運行，對于直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機，假定轉(zhuǎn)子與電機之間為剛性連接，則傳動模型可由下式表示。J-d^m=T-T-Teqdtale式中：T式中：T為傳動損失，t=B,⑦Bm為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)，Jeq是機組等效轉(zhuǎn)動慣量。本文中所研究的直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量為:Jeq=J+Jg式中Jr和Jg分別為風(fēng)輪機和電機的轉(zhuǎn)動慣量。2、感應(yīng)電機模型本系統(tǒng)中采用的是永磁同步發(fā)電機，主要分析永磁同步發(fā)電機的動態(tài)性能，基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸建立起數(shù)學(xué)模型如下：did=Ud—Rd+Lqn④idt LdLdLdpmq*q+；q Rq+*dn④i—*nf"m寸七匕TPmd—tq—式中：，和七分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流；Ld和L分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感；u和u分別為電壓源d軸和q軸分量；R為定子電阻；°m為轉(zhuǎn)子的機械角速度；七為發(fā)電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)；人為永磁體磁鏈。PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：T=1.5ni［（L一L）i+入］。e pqdqd以上兩個模型集成于PMSM模塊中。

永磁同步發(fā)電機模型如下圖3-9所示:圖3-9永