風力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真畢業(yè)論文

1、風力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真摘要：風力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源利用方式，近年來在世界范圍內獲得了飛速的發(fā)展。本文基于風力機發(fā)電建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于風資源特點，建立了以風頻、風速模型為基礎的風力發(fā)電理論基礎；（2）運用葉素理論，建立了變槳距風力機機理模型；（3）分析了變速恒頻風力發(fā)電機的運行區(qū)域與變槳距控制的原理與方法，并給出了機組的仿真模型，為風力發(fā)電軟件仿真奠定了基礎；（4）搭建了一套基于pscad/emtdc仿真軟件的風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，并且已初步實現(xiàn)風力機特性模擬功能。關鍵詞：風力發(fā)電；風頻；風速；風力機；變槳距；建模與仿真1 風資源及風

2、力發(fā)電的基本原理1.1 風資源概述（1）風能的基本情況1風的形成乃是空氣流動的結果。風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。風向是指風吹來的方向，如果風是從東方吹來就稱為東風。風速是表示風移動的速度即單位時間內空氣流動所經(jīng)過的距離。風速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內風速的平均值為參考。風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內的風向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗эL向。風能的特點主要有：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換等。 （2）風能資源的估算風能的大小實際就

3、是氣流流過的動能，因此可以推導出氣流在單位時間內垂直流過單位截面積的風能，即風能密度，表示如下： (1-1)式中,風能密度()，是描述一個地方風能潛力的最方便最有價值的量；空氣密度()；風速()。由于風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，一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。因此需要求出在一段時間內的平均風能密度，這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。有效風能密度還可根據(jù)下式求得 （1-2）式中， 啟動風速（）； 停機風速（）； 有效風速范圍內的條件概率分布密度函數(shù)。 平均風能密度則可用下式求得： （1-3）1.2 風力發(fā)電的基本原理風能

4、具有一定的動能，通過風輪機將風能轉化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉，再通過增速器將旋轉的速度提高來促使發(fā)電機發(fā)電的。依據(jù)目前的風車技術，大約3m/s的微風速度便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構成如圖1-1所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉換成機械能，從而推動片葉旋轉，如果將葉輪的轉軸與發(fā)電機的轉軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。1.3 風力發(fā)電的特點風力發(fā)電具有以下特點： 可再生的潔凈能源； 建設周期短，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； 可靠性高，把現(xiàn)代高

5、科技應用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風力發(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20年； 造價低，運行維護簡單，實際占地面積??； 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； 單機容量小2 風能及風力機系統(tǒng)模型的建立2.2 風頻模型風速具有明顯的隨機性和間歇性。為了較精確地描述風速及其變化特性，引入風頻分布的概念。風頻分布就是風速的統(tǒng)計概率分布，是衡量風能資源分布特性的重要指標，它反映了風電場某個時段每一風速出現(xiàn)的概率，可以通過分析風電場實際測風的原始資料得到。根據(jù)風電場實際

6、測風的結果，假設風速是以小時平均，按每小時正點前十分鐘測取，那么在一年之內就有n個測點，這樣可得風電場實際的風頻分布為： （2-1）式中 風速的實際分布頻率； 一年內風速出現(xiàn)的次數(shù)； 一年內總的測風點數(shù)，一般有。風電場風速符合威布爾分布： （2-2）式中，為風速（），為威布爾分布函數(shù)，、為威布爾尺度系數(shù)（）和形狀系數(shù)。利用風電場測風的結果，對實際所得的風速數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出年平均風速和風速頻率分布，并采用最小逼近法， （2-3）算出威布爾分布參數(shù)、的近似值。從而得到風速風頻特性的數(shù)學模型，進而得到風電場風能資源分布和評估、風力發(fā)電機組選型和發(fā)電量的預測以及風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響分析。2.2 風

7、速模型 通常用四種成分的風速來模擬實際風速：基本風、陣風、漸變風和隨機風。（1） 基本風基本風反映了風場平均風速的變化，風力發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率的大小主要由基本風決定，它的測得由風電場測風所得的威布爾分布參數(shù)近似確定。一般認為基本風在一段時間內不隨時間變化，可取常數(shù)。 （2-4）圖2-1 基本風隨時間變化曲線圖（2） 陣風陣風為描述風速突然變化的特性，可假設在該段時間內風速具有余弦特性。 （2-5）式中， 陣風幅值（）； 陣風周期（）；陣風開始時刻（）。圖2-2 陣風隨時間變化曲線圖（3） 漸變風漸變風用以描述風場穩(wěn)態(tài)能量隨時間緩慢變化的過程，以風速由小變大為例，漸進風可用下式模型： （2-6

8、）式中， 漸變風的最大值； 漸變風開始時刻；漸變風結束時刻；漸變風保持時間。圖2-3 漸變風隨時間變化曲線圖（4） 隨機風隨機風表示風速變化的隨機特性：隨機噪聲風速。 （2-7）式中， 第個分量的角頻率； 隨機分量的離散間距； 在0間服從均勻概率密度的隨機變量； 地表粗糙系數(shù)，一般取0.004； 擾動范圍（）； 相對高度的平均風速（）； 風速隨機分量分布譜密度（），通過對其積分便可得短期風速數(shù)據(jù)。（5） 合成風速模擬實際作用在風力機上的風速為： （2-8） （6）綜合風速模型圖2-4 綜合風速模型 輸入?yún)?shù)如下： 基本風：。 陣風：，數(shù)量為1。 漸變風：，數(shù)量為1.5. 隨機風：，。仿真結果如

9、下：圖2-5 綜合風速模型仿真結果在前面我們已經(jīng)討論過，風是近似的服從威布爾分布，也就是說，近似的服從正態(tài)分布。如圖2-5所示,在沒有外力風速的情況下，由于受隨機噪聲風的影響，風速的曲線波動很大，在3s和4s時分別又受到陣行風與漸變風的影響，波形也出現(xiàn)了相應的波動，其綜合風速的最大值可達到15.96m/s。所示說，用以上的四個風的分量在一定的程度上是可以大體的描述風的波形，但在一些細節(jié)上還需要進一步修正，所以它的使用范圍是有限的，只是可以用在一些要求的精確程度不高的模型的仿真。2.3 風力機建模與分析2.3.1 風力機能量轉換過程風力機能量轉換模型的功率及轉矩計算公式是根據(jù)流體力學中氣流的動能

10、計算公式，并結合貝茲理論得到的，詳見資料4。風力機簡化模型如下：風力機傳動裝置發(fā)電機槳距角控制風速圖2-6 風力機簡化模型風力機，風能的吸收和轉換裝置。傳動裝置主要包括輪轂、齒輪箱和傳動軸，起連接和傳動作用。發(fā)電機，能量轉換裝置。在變槳距風機中還應包括槳距角控制環(huán)節(jié)。能量轉換過程是：風能機械能電能。由文獻6得，風力機軸上的輸出機械功率為： （2-9）式中， 空氣密度（）； 風機葉輪半徑（）； 葉尖速比，定義為，其中為風力機葉輪轉速（），為等效風速（）；槳距角（）； 風能利用系數(shù)，是葉尖速比和葉片槳距角的函數(shù)；對于給定的風力機系統(tǒng)，的表達式是一定的。一種變槳距風力機的風能轉化效率系數(shù)： （2-1

11、0）風力機獲得轉矩為： （2-11）定義為轉矩系數(shù)， （2-12）注：由推出 （2-13） 對于給定的葉片槳距角，不同的葉尖速比所對應的值相差較大； 對于給定的，有且僅有一個固定的能使達到最大值； 在風速不斷變化的情況下,要保持、必須隨著風速按照的比例變化，才能保證風力機捕獲的風能最大、效率最高。這是采用變速風電機組代替固定轉速風電機組的初衷之一。圖2-7 風機-特性曲線對于變槳距型風力發(fā)電機組，特性可近似表示為： （2-14） 式中，為葉片設計常數(shù)，一般取13。2.3.2 風力機的穩(wěn)定工作區(qū)空間曲面雖然能包含風力機運行的所有狀態(tài)點，但是對于分析不太方便，所以在實際應用中多是取幾個離散的值，畫

12、出平面圖的方法，如下圖所示，取6組值，繪制如下：圖2-8 風力機穩(wěn)定工作區(qū)曲線圖在曲線中，以轉矩的最大值為頂點連成的一條線ab，將曲線簇分成了兩部分，其中右側為穩(wěn)定運行區(qū)域，左側部分為不穩(wěn)定工作區(qū)域。對比和曲線，我們發(fā)現(xiàn)當達到最大時，并沒有達到最大，具體而言，就是最大功率點對應的轉速值要大于最大轉矩點的轉速值。如圖2-6所示，曲線cd是由最大轉矩點的連線而成的，曲線ef則是由最大功率點的連線而成。這樣一來，在曲線簇中，cd曲線和ef曲線之間的部分也是穩(wěn)定區(qū)域。2.3.3 基于葉素理論的風力機建模基于葉素理論的風輪建模是將葉片分為若干個微元，稱為葉素，通過對葉素的受力分析求得微元轉矩，再將所有微

13、元轉矩相加得到風力發(fā)電機風輪的輸出轉矩，在風輪半徑處取一長度為的葉素，其弦長為，節(jié)距角為。圖2-9 葉素微元受力分析圖 如上圖所示，來流方向的風速為，在半徑為處的風輪機速度為（為風輪機角速度），氣流相對于葉片的相對速度為，則有： （2-15） 葉素 在相對速度為的氣流作用下，受到一個方向斜向上的氣動力的作用。將沿與相對速度垂直及水平方向可分解為升力和阻力，當很小時，可以近似的將葉素面積看成弦長與葉素長度的乘積，可得如下計算公式： （2-16）氣動力按垂直和平行于旋轉平面方向分解為法向力和切向力，風輪轉矩由切向力產(chǎn)生，則有轉矩微元： （2-17） 令，得總轉矩計算公式： （2-18）式中， 輪轂

14、半徑； 風輪包含的槳葉個數(shù)； 傾斜角(槳距角與攻角之和)。 上式為基于葉素理論的風輪模型函數(shù)，可以寫為如下形式：，即風輪輸出轉矩為風速，風輪轉速，槳距角的函數(shù)。2.3.4 基于pscad風力機模型與仿真 基于pscad的風力機模型如下：圖2-10 風力機簡化模型 基于上面的原理及理論公式，仿真結果如下：圖2-11 風輪機機械轉矩輸出及參數(shù)設置圖2-12 風輪機機械轉矩模擬仿真結果圖2-13風輪機機械功率輸出及參數(shù)設置圖2-14 風輪機機械功率模擬仿真結果由上述兩圖曲線可知，風輪機的輸出轉矩和輸出功率都是標幺值，則它們的曲線是完全一致的，在03s時變槳距控制系統(tǒng)在調節(jié)槳葉節(jié)距使轉矩和功率輸出逐漸

15、達到穩(wěn)定，由于又突然受到在3s與4s分別受到陣行風與漸變風的影響，從而使波形在這兩個時間有的突變，之后繼續(xù)達到穩(wěn)定。3 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型3.1 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。由于變槳距系統(tǒng)的響應速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉速控制，風速的高頻分

16、量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉速來進行平衡，即通過轉子電流控制器對發(fā)電機轉差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。3.2 變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)工作原理待添加的隱藏文字內容2圖3-1 變槳距控制系統(tǒng)工作原理圖在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉速由速度控制器a根據(jù)發(fā)電機轉速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制b與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉速給出相應的功率曲線，調整發(fā)電機轉差率，并確定速度控制器b的速度給定。節(jié)距的給定參考值由

17、控制器根據(jù)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖3-1所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器a給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制b給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)d/a轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅動液壓缸活塞，推動變槳距機構，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉換后輸入比較器。圖3-2 變距控制結構框圖 （3）速度控制器a轉速控制器a在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖2-1

18、0所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0hz時1500轉/min）時的控制。當發(fā)電機轉速在同步轉速10內持續(xù)1s發(fā)電機將切入電網(wǎng)。圖3-3 速度控制器a控制器包含著常規(guī)的pd控制器和pi控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉子空氣動力學產(chǎn)生的非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉到45，風輪在空轉狀態(tài)進入同步轉速。當轉速從0增加到1500時，節(jié)距角給定值從45線性的減小到5。這一過程不僅使

19、轉子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。 （4）速度控制器b 發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)b作用。如圖2-11所示，速度控制器b受發(fā)電機轉速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應的發(fā)電機轉差率是4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風速調整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風速信號輸入端設有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應。4風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真分析

20、4.1 無窮大系統(tǒng)模型的建立圖4-1 風力發(fā)電機無窮大系統(tǒng)模型4.2 風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析（1） 發(fā)電機三相電壓輸出及仿真結果分析 圖4-2 異步發(fā)電機發(fā)電機三相電壓輸出及參數(shù)設置圖4-3 異步發(fā)電機發(fā)電機三相電壓模擬仿真結果圖4-4 高壓母線電壓模擬仿真結果異步發(fā)電機三相電壓模擬仿真結果分析如圖4-3所示,在發(fā)電機并入電網(wǎng)前低壓側電壓為0,在1s時發(fā)電機并入電網(wǎng),電壓突然上升到接近于額定電壓,發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率。并網(wǎng)后的功率輸出逐漸趨于穩(wěn)定，這時的電壓曲線呈正弦曲線形狀變化，向電網(wǎng)輸送額定功率。(2)低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結果分析圖4-5 低壓母線和高壓母線的線電壓

21、輸出及仿真結果在正常運行時,低壓母線和高壓母線電壓均從0迅速上升并均達到各自的額定值，然后一直保持穩(wěn)定。低壓母線電壓穩(wěn)定在0.69左右，高壓母線電壓穩(wěn)定在121左右。(3) 低壓母線相電流輸出及仿真結果分析并網(wǎng)前電流為0,在1s時斷路器合閘并網(wǎng)，出現(xiàn)很大的沖擊電流，其沖擊電流值達到11ka，最后開始衰減至0.07ka，然后又開始上升，最后趨于穩(wěn)定,其電流最大穩(wěn)定值為0.64ka。 圖4-6 低壓電流輸出及參數(shù)設置圖4-7 低壓母線相電流輸出及仿真結果4.3 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析通過控制槳距角的大小的改變就可以控制葉片吸收風功率的多少，槳距角的調節(jié)可以使發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)。圖4-8 變槳距

22、控制系統(tǒng)模擬仿真結果變槳距控制系統(tǒng)模仿真結果分析如下： 風輪機啟動時風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪葉尖本來值90，即槳矩角初始值為90度，在機組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片吸收風能逐漸增大，葉片的轉速也逐漸加快，最后在1.4s時槳矩角變?yōu)榱悖冶３植蛔?，此時葉片吸收風能達到了最大。5 結論本文通過pscad/emtdc電力系統(tǒng)模擬仿真軟件，建立了變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型，對加入控制系統(tǒng)的風力發(fā)電樣例系統(tǒng)進行模擬仿真分析，驗證了控制系統(tǒng)模型的可用性。風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略是以風速的變化為依據(jù)，風能的最大利用效率為目的，為優(yōu)化風力發(fā)電系統(tǒng)運行特性提出的控制方案。變槳距控制系統(tǒng)的設計主要采用p

23、i控制器，根據(jù)發(fā)電機有功功率輸出和風輪機轉速反饋來調節(jié)槳葉節(jié)距。通過風輪機槳距角控制系統(tǒng)對葉片槳距角進行控制，使風力發(fā)電機組的機械部分與發(fā)電機的電氣部分配合，達到提高風能利用效率及改善供電質量的目的。利用風力發(fā)電樣例系統(tǒng)來驗證控制系統(tǒng)的可用性，并對各種仿真曲線進行分析，從而得出結論。根據(jù)風速模型的仿真曲線，分析風輪機和發(fā)電機各部分曲線的變化情況和整個系統(tǒng)的仿真曲線圖。在并網(wǎng)以前電壓的波形基本上是正弦形狀的，轉速基本上是穩(wěn)定的。并網(wǎng)以后雖然受到了電網(wǎng)的干擾，但轉速上升到額定轉速后再沒有多大變化；電流的波形雖然是正弦的，但整體的趨向也發(fā)生了相應的波動。變槳距控制系統(tǒng)在風力發(fā)電機組起動時，通過變距來獲得足夠的起動轉矩；起動以后，當?shù)陀陬~定風速運行時的機組狀態(tài)控制為轉速,當高于額定風速運行時，通過調整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出保持穩(wěn)定。額定風速之后的機組狀態(tài)控制主要由槳距角調節(jié)實現(xiàn)。得到的控制系統(tǒng)