西南交通大學(xué)智能電網(wǎng)實(shí)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(hào)：專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)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(dòng)的結(jié)果。風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)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(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)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(shí)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(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)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(diǎn)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(yùn)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(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)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(gè)地方風(fēng)能潛力的最方便最有價(jià)值的量;P——空氣密度(屈/m3)；v 風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測來了解它的平均狀況，一個(gè)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(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)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(dòng)風(fēng)速（m/s）；v 停機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)（葉片、輪轂及其控制器）、起連接作用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一傳動(dòng)軸、齒輪箱、能量轉(zhuǎn)換裝置一發(fā)電機(jī)及其它風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)一偏航系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。風(fēng)力發(fā)電過程是：自然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉輪，帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將機(jī)械能送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)由機(jī)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(dòng)風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖2-1風(fēng)力發(fā)電原理圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分風(fēng)輪、機(jī)艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，大型風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的。通常采用兩個(gè)不同的速度-在弱風(fēng)下用低速和在強(qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)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(jī)的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)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(jī)，超過額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)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(qiáng)時(shí)，葉片尾部制動(dòng)裝置會(huì)動(dòng)作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向?yàn)檩S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(dòng)力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。2.3風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)輪機(jī)又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。2.4水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。該機(jī)組通過風(fēng)力推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動(dòng)系統(tǒng)增速來達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速后來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，有效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2。圖2-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖1、葉片2、變漿軸承3、主軸4、機(jī)艙吊5、齒輪箱6、高速軸制動(dòng)器7、發(fā)電機(jī)8、軸流風(fēng)機(jī)9、機(jī)座10、滑環(huán)11、偏航軸承12、偏航驅(qū)動(dòng)13、輪轂系統(tǒng)2.5風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)1、 可再生的潔凈能源。2、 建設(shè)周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活，可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。3、 可靠性高，把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。4、 造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)簡單，實(shí)際占地面積小。5、 發(fā)電方式多樣化，既可并網(wǎng)運(yùn)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(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行。6、單機(jī)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(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，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(jī)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(shí)間內(nèi)不隨時(shí)間變化，可取常數(shù)。圖3-1基本風(fēng)隨時(shí)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(shí)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(shí)間式中，GmaxT1G陣風(fēng)開始時(shí)刻（s）。圖3-2陣風(fēng)隨時(shí)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(shí)間緩慢變化的過程，以風(fēng)速由小變大為例，漸進(jìn)風(fēng)可用下式模型:Vwr式中，0t式中，GmaxT1G陣風(fēng)開始時(shí)刻（s）。圖3-2陣風(fēng)隨時(shí)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(shí)間緩慢變化的過程，以風(fēng)速由小變大為例，漸進(jìn)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(shí)刻;T2R漸變風(fēng)結(jié)束時(shí)刻;漸變風(fēng)保持時(shí)間。R陣風(fēng)幅值（m/s）；T——陣風(fēng)周期（s）；G4、 隨機(jī)風(fēng)％描述在特定高度上風(fēng)速變化的隨機(jī)特性V廣、七如（T，1）cos（氣+巾/式中，，t為隨機(jī)風(fēng)的風(fēng)速，單位m/s；；tmax為隨機(jī)風(fēng)的最大值，單位m/s；Random為-1和1之間均勻分布的隨機(jī)變量；°V為風(fēng)速波動(dòng)的平均距離，單位rad/s；%為°-2"間服從均勻概率分布的隨機(jī)量。5、 綜合風(fēng)速模型V=V+V+V+Vbgrt3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)性能模型一臺(tái)風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)輪機(jī)，在風(fēng)速為v時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)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(jī)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(shí)，取1.205kg/m3；v為通過風(fēng)力機(jī)葉片的風(fēng)速；°為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，現(xiàn)代定速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為15~20r/min，本文中取20r/min；Cp（P，入）為風(fēng)輪機(jī)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(jì)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(duì)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(jī)在運(yùn)行時(shí)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(jī)仿真模型如下圖3-6所示:風(fēng)力機(jī)仿真模型如下圖3-6所示:3.3傳動(dòng)齒輪模型風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把原動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的機(jī)械動(dòng)作，即把風(fēng)通過風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)榘l(fā)電機(jī)側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。因此傳動(dòng)系統(tǒng)是能量傳輸?shù)募~帶，同時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)取決于驅(qū)動(dòng)力及阻力的特性。風(fēng)輪機(jī)傳動(dòng)齒輪示意圖如圖3-7所示，忽略轉(zhuǎn)軸的倔強(qiáng)系數(shù)、阻尼因數(shù)，通過力學(xué)分析，可知風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械傳動(dòng)部分的數(shù)學(xué)方程為:d? 1-dtT廣ktJwt、w分別為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械轉(zhuǎn)速；t、Ths分別為經(jīng)過傳動(dòng)齒輪低速軸和高速軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Kg為齒輪箱的變比。圖3-7風(fēng)輪機(jī)傳動(dòng)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(jī)模型1、傳動(dòng)模型氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ta和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子將加速或減速運(yùn)行，對(duì)于直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)，假定轉(zhuǎn)子與電機(jī)之間為剛性連接，則傳減速運(yùn)行，對(duì)于直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)，假定轉(zhuǎn)子與電機(jī)之間為剛性連接，則傳動(dòng)模型可由下式表示。J-d^m=T-T-Teqdtale式中：T式中：T為傳動(dòng)損失，t=B,⑦Bm為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)，Jeq是機(jī)組等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本文中所研究的直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Jeq=J+Jg式中Jr和Jg分別為風(fēng)輪機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2、感應(yīng)電機(jī)模型本系統(tǒng)中采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)，主要分析永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)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(jī)的d軸和q軸電流；Ld和L分別為發(fā)電機(jī)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(jī)械角速度；七為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)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(gè)模型集成于PMSM模塊中。

永磁同步發(fā)電機(jī)模型如下圖3-9所示:圖3-9永