畢業(yè)論文-風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的風(fēng)速模型研究

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)論文題目：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的風(fēng)速模型研究學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：專業(yè)班級：電氣工程及其自動(dòng)化1101班學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長：2015年6月5日1緒論1.1風(fēng)速模型研究背景及目的以石油、煤炭為主要燃料的多數(shù)國家，目前已經(jīng)面臨嚴(yán)重的環(huán)境污染，加上化石燃料有限儲量減少，這雙重危機(jī)的日益加深，讓開發(fā)利用可再生新能源成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。可再生能源發(fā)電具有非常明顯的環(huán)境效益和社會效益，風(fēng)能作為一種可再生能源，以其蘊(yùn)藏量大、使用環(huán)保、分布廣泛、可以再生等特點(diǎn),使風(fēng)力發(fā)電成為可再生能源發(fā)電的最常見的一種形式。世界空氣污染的主要污染源是燃燒石油、煤或天然氣的發(fā)電站。燃燒煤油產(chǎn)生的氮氧化物、二氧化硫和大氣中水汽相結(jié)合而形成的酸雨，造成環(huán)境污染，危害人體的健康；它們排放的二氧化碳約占二氧化碳總排放量的40％，由此而造成大氣層溫室效應(yīng)難以克服。由于人類生存發(fā)展的需要，生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題越來越受到世界各國的關(guān)注。因此，風(fēng)能作為一種綠色能源，以其可以再生、蘊(yùn)量巨大、沒有污染、分布廣泛的天然優(yōu)勢，讓它具備顯著的環(huán)境效益，從而被各國所青睞。風(fēng)能作為一種備受關(guān)注的綠色能源，開發(fā)利用已經(jīng)有了較長的發(fā)展歷史以及較為成熟的開發(fā)技術(shù)，在造價(jià)上也開始逐漸具備與化石燃料能源相競爭的條件。并且風(fēng)能在全球具有非常巨大的能源儲備，具備巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。風(fēng)能與其它形式的可再生潔凈能源相比較，更加容易轉(zhuǎn)化為電能，以此為紐帶，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與其它能源形式的轉(zhuǎn)換以供人們所使用，因此它的經(jīng)濟(jì)效益也非常顯著。就我國目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件而論，風(fēng)能是所有綠色能源中最有發(fā)展?jié)摿颓熬暗哪茉?。而我國風(fēng)能資源非常豐富。我國位于亞洲東部，瀕臨太平洋，季風(fēng)氣候強(qiáng)盛，具有非常豐富近海風(fēng)能資源，內(nèi)陸有許多山系，地形復(fù)雜，我國西部的青藏高原改變了海陸影響引起的氣壓分布和大氣環(huán)流，增加了我國季風(fēng)氣候的復(fù)雜性。根據(jù)國家氣象局的資料，在我國，離地10米高的風(fēng)能資源總儲量約32.26億千瓦，其中，可開發(fā)利用的陸地上風(fēng)能儲量有2.53億千瓦，50米高度的風(fēng)能資源為5億多千瓦；近海可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量有7.5億千瓦。豐富的風(fēng)能成為8我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的資源條件。按照國家能源局的規(guī)劃，到2015年我國風(fēng)力發(fā)電的上網(wǎng)容量將達(dá)到9000萬千瓦，到2020年達(dá)到1.5億千瓦。可以預(yù)見，我國的風(fēng)力發(fā)電必將會進(jìn)入一個(gè)快速的發(fā)展時(shí)期[1]。要研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)就需要做大量的試驗(yàn)研究，當(dāng)然最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法是將風(fēng)電機(jī)組放置于真正的風(fēng)電場，做真實(shí)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)。不過真實(shí)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椋猴L(fēng)電實(shí)驗(yàn)需要的條件有很多，有些特殊的條件，例如偶發(fā)風(fēng)速條件、長時(shí)間等待等，這些實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)重影響科研的進(jìn)度。風(fēng)速風(fēng)向是隨機(jī)波動(dòng)的，難以精確測量。對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生嚴(yán)重影響。進(jìn)行真實(shí)風(fēng)電實(shí)驗(yàn)的成本非常高，難以實(shí)現(xiàn)。對于不成熟的真實(shí)實(shí)驗(yàn)存在安全隱患，具有很大的危險(xiǎn)性。以上因素使得大部分的風(fēng)電研究，特別是風(fēng)力發(fā)電控制的研究，很難進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室無法具備風(fēng)電機(jī)組或者風(fēng)場環(huán)境的實(shí)驗(yàn)條件，這非常不利于一些創(chuàng)新性的理論和技術(shù)的研究。為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，以達(dá)到加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，就必須進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)研究，而在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí)，風(fēng)速模擬的逼真性直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的性能研究與測試，因而風(fēng)速模擬成為風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)中首先需要解決的問題[2]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢20世紀(jì)80年代中期以來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用受到普遍重視，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是空氣動(dòng)力學(xué)、尖端航空材料和大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用于新型風(fēng)電系統(tǒng)的開發(fā)研制，使風(fēng)電成為當(dāng)今電力系統(tǒng)最為活躍的研究領(lǐng)域之一[3]。2000年前后，風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展，在前頭領(lǐng)跑的國家是美國、德國、西班牙、丹麥、印度、荷蘭等，在領(lǐng)跑的國家中，又以德國居于首位。德國的發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是繼水力發(fā)電系統(tǒng)的最重要的發(fā)電系統(tǒng)，在1998年的時(shí)候，德國的風(fēng)力發(fā)電就已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)?shù)乃疁?zhǔn)，擁其中全新的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施超過1010套，而且實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)時(shí)德國的風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)能已經(jīng)很高，年產(chǎn)已經(jīng)超過45億度電，在電網(wǎng)中的發(fā)電已占1%。美國的風(fēng)力發(fā)電也相當(dāng)不弱，緊跟德國，位居第二，它的風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)，相當(dāng)于華盛頓或舊金山這樣的城市的年耗電量。緊跟德美之后，位居第三的丹麥已將重點(diǎn)放在風(fēng)力發(fā)電上，在2005年風(fēng)力發(fā)電已占其電網(wǎng)比例的其5%。由于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，目前已有100多個(gè)國家發(fā)展風(fēng)電，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的格局已經(jīng)改變，但主要市場還是相對集中，并受歐洲、亞洲和北美的主導(dǎo)。2014年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量首次超過5000萬千瓦，達(dá)到5148萬千瓦，累計(jì)3.70億千瓦。全球風(fēng)能理事會預(yù)計(jì)，2014~2017年世界風(fēng)電新裝機(jī)容量年均增長約為7%。估計(jì)到2017年末,全球風(fēng)電累計(jì)總裝機(jī)容量將達(dá)50000~53600萬千瓦,其中亞洲20000萬千瓦,歐洲17000萬千瓦，北美12000萬千瓦,拉美1650萬千瓦。我國由于幅員遼闊、海岸線較長，風(fēng)能資源相當(dāng)豐富。在我國東南沿海及其附近島均的風(fēng)能密度可達(dá)300W/m2以上，3到20米/秒的風(fēng)速年累計(jì)時(shí)間超過6000小時(shí)。在內(nèi)陸，風(fēng)能資源最好的區(qū)域是沿新疆至內(nèi)蒙古一帶，風(fēng)能密度也在200到300W/m2，3到20米/秒的風(fēng)速年累計(jì)時(shí)間達(dá)5000到6000小時(shí)。中國作為能源消耗大國，為了滿足對能源日益增長的需求，國家發(fā)展新能源發(fā)電，其中風(fēng)力發(fā)電時(shí)最主要的一個(gè)部分，近年來風(fēng)電裝機(jī)的總?cè)萘靠焖偕仙＝刂沟?010年，已經(jīng)有29個(gè)省市自治區(qū)建設(shè)有風(fēng)力發(fā)電場，裝機(jī)容量累計(jì)大于1GW的省份就不少于10個(gè)，其中有7個(gè)省超過了2GW。在我國的風(fēng)電場建設(shè)中，處于最前端的就是內(nèi)蒙古，其累計(jì)裝機(jī)已經(jīng)超過了13.86GW，接著是河北、甘肅和遼寧。2010年，天津、安徽、青海、陜西、貴州五個(gè)省份也實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電裝機(jī)的零突破。在“十二五”規(guī)劃中，中國政府明確提出，要繼續(xù)按“建設(shè)大基地、融入大電網(wǎng)”的方式，推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展，并且提出了七大風(fēng)電基地的規(guī)劃目標(biāo)。按規(guī)劃，到2020年，各風(fēng)電基地具備總裝機(jī)達(dá)138GW的潛力。截止2014年我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到2335萬千瓦，約占世界風(fēng)電新增總裝機(jī)容量的45.2%，中國繼續(xù)驅(qū)動(dòng)全球增長，穩(wěn)居世界第一，遙遙領(lǐng)先。我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.15億千瓦，約占世界風(fēng)電31%。作為北美地區(qū)利用風(fēng)能資源最好的國家，美國對風(fēng)能的開發(fā)和利用極其重視[4]。2014年美國新增風(fēng)電裝機(jī)容量485萬千瓦，約占全球新增總量的9.4%。相比2013年的新增100萬千瓦，2014年可以說是有所回暖。美國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量6588萬千瓦，約占世界總量的17.8%，繼續(xù)穩(wěn)居世界第二?？紤]到2014年底在建風(fēng)電項(xiàng)目總規(guī)模達(dá)到近1300萬千瓦，預(yù)計(jì)2015年美國風(fēng)電新增規(guī)模將恢復(fù)至千萬千瓦級別。從地域分布來看，美國的風(fēng)力發(fā)電場大部分建在西海岸的加利福尼亞州地區(qū)，近年來逐步向中、西部地區(qū)延伸。最近數(shù)年，美國開始轉(zhuǎn)向研究海上風(fēng)能資源，已經(jīng)制定海上風(fēng)力發(fā)電開發(fā)計(jì)劃。開發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)能的應(yīng)用前景更加樂觀。德國風(fēng)電新增規(guī)模創(chuàng)近年來新高，2014年新增裝機(jī)容量德國風(fēng)電新增規(guī)模創(chuàng)近年來新高,2014年德國新增裝機(jī)容量530萬千瓦(其中陸上風(fēng)電475萬瓦)，新增裝機(jī)容量超越了其之前的裝機(jī)記錄,穩(wěn)居歐洲首位(差不多占到歐盟新增總量的一半)，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到3917萬千瓦，居世界第三位。德國風(fēng)能協(xié)會主席認(rèn)為這一強(qiáng)有力增長主要?dú)w因于2011年日本福島核電事故發(fā)生后，很多聯(lián)邦州劃出了更多可以安裝風(fēng)機(jī)的土地。由于風(fēng)電發(fā)展起步較早，目前每年德國都有大量風(fēng)機(jī)退役或者翻新，2014年共有544臺風(fēng)機(jī)(共計(jì)36.4萬千瓦)被拆除，因此陸上風(fēng)電凈增裝機(jī)實(shí)際為439萬千瓦，此外還對超過100萬千瓦的風(fēng)電場進(jìn)行了翻新，翻新市場規(guī)模超過10億歐元。預(yù)計(jì)2015年德國凈增裝機(jī)容量規(guī)模350-400萬千瓦之間，2016年將有所回落。自20世紀(jì)90年代以來，人們對并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場的建模進(jìn)行了大量的研究工作，并且已經(jīng)取得了初步成果。但是，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組建模仍然談不上成熟，而風(fēng)電場的建模更是剛剛開始。而風(fēng)速建模屬于風(fēng)電模型的重要組成模塊，為了能夠精確地描述風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，大多數(shù)研究中通常用四種成分的風(fēng)速來模擬：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。國內(nèi)、外專家對風(fēng)速模型進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要，做出了許多側(cè)重點(diǎn)不同的風(fēng)速模型。比如：1）使用復(fù)雜交叉功率譜密度法建立了需要考慮地形的變化和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組排列分布等因素的，用來分析檢測風(fēng)電場的電能質(zhì)量的等效風(fēng)速模型；2）利用風(fēng)速功率譜密度，把風(fēng)速當(dāng)做噪聲序列看待，然后建立整形濾波器并且計(jì)算整形濾波器的參數(shù)，最后通過建立成的整形濾波器來把噪聲序列輸出的風(fēng)速模型等。這些模型考慮了風(fēng)電場內(nèi)影響風(fēng)速的眾多因素，適合于風(fēng)電場電能質(zhì)量的研究。在眾多發(fā)電體系中，風(fēng)力發(fā)電最大的優(yōu)勢就在于它的環(huán)保和成本，因此隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電體系中的地位只會越來越高。所以在未來的復(fù)雜風(fēng)電模型中，風(fēng)電模型作為基本模塊，必將吸引更多的科研人員來研究，從而愈加完善和簡化。1.3課題研究內(nèi)容風(fēng)速建模屬于風(fēng)電場建模的重要組成成分，想了解認(rèn)識風(fēng)速模型就得先對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有一個(gè)較全面的認(rèn)識。所以本文的研究內(nèi)容包括：1）了解風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)速建模的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展；2）掌握風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；3）應(yīng)用MATLAB軟件，建立風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的風(fēng)速模型；4）分析在一定風(fēng)速條件下風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的性能。本課題的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于建立風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的風(fēng)速模型，本文應(yīng)用MATLAB軟件，建立了考慮風(fēng)剪和尾流效應(yīng)的風(fēng)速模型。2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式來分主要分為恒速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩大類。恒速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種：同步發(fā)電機(jī)和籠型異步發(fā)電機(jī)。變速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，另一個(gè)是異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。對于恒速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，它維持發(fā)電機(jī)機(jī)端的輸出電壓的幅值和頻率穩(wěn)定的方法是由定槳距失速來控制風(fēng)輪機(jī)，從而穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)值，但是它運(yùn)行的范圍比較小，現(xiàn)在已逐漸退出了市場的主流。而對于變速、恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，為了在大范圍的速度內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)都在最佳效率運(yùn)行，就是通過變槳距控制風(fēng)輪來實(shí)現(xiàn)[5]。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其高效性和實(shí)用性正越來越受到重視。2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括風(fēng)力機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩大部分。2.1.1風(fēng)力機(jī)現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)已經(jīng)有多種型式，但它們的工作原理是相同的，即利用風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收能量，然后人們根據(jù)不同的需要，再轉(zhuǎn)變成電能、機(jī)械能或熱能等。風(fēng)輪輸出功率可以利用下面的公式表示風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率P=（1/2）CpAρV^3（2.1）式中Cp——風(fēng)能利用系數(shù)；A——風(fēng)輪掃過的面積；ρ——空氣密度；V——風(fēng)速。構(gòu)成風(fēng)力機(jī)的部件很多，主要可以概括為：風(fēng)輪，傳動(dòng)系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，葉尖擾流器和變槳距機(jī)構(gòu)，控制與安全系統(tǒng)，機(jī)艙，塔架和基礎(chǔ)。1）風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的最主要特征就是風(fēng)輪，風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)最重要的部件。風(fēng)輪的組成部件是葉片和輪轂，它的主要功能就是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。2）傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能的傳遞必須通過一定的結(jié)構(gòu)，機(jī)艙里面的傳動(dòng)系統(tǒng)就起著傳遞機(jī)械能的作用把葉輪產(chǎn)生的機(jī)械能傳送到發(fā)電機(jī)，構(gòu)成風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的部件有很多，包括聯(lián)軸器、高、低速軸、齒輪箱和使風(fēng)力機(jī)緊急制動(dòng)的剎車機(jī)構(gòu)等。3）偏航系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)也稱為對風(fēng)裝置，在上風(fēng)向水平軸式風(fēng)力機(jī)的組成系統(tǒng)中，偏航系統(tǒng)是非常重要的成分。下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪能自然對準(zhǔn)風(fēng)向，一般不用進(jìn)行調(diào)向?qū)︼L(fēng)控制。偏航系統(tǒng)有多個(gè)作用，其中最主要的兩個(gè)是：1）配合控制系統(tǒng)，達(dá)到風(fēng)力機(jī)組的風(fēng)輪一直處于迎風(fēng)狀態(tài)的目的，從而使風(fēng)能得到非常充分利用，提高發(fā)電效率；2）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供鎖緊力矩，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行更可靠、安全。4）葉尖擾流器和變槳距機(jī)構(gòu)定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過葉尖擾流器來執(zhí)行機(jī)組的氣動(dòng)剎車。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過控制變槳距機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制、轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)也控制機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。5）控制與安全系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制與安全系統(tǒng)的作用是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，在提供良好的電能質(zhì)量基礎(chǔ)上獲得最大的能量。6）機(jī)艙機(jī)艙由機(jī)艙罩和底盤組成，機(jī)艙里面通常包含的布置有：傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓與制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等。機(jī)艙最好用耐腐蝕、強(qiáng)度高且重量輕的玻璃鋼制作，并且盡量帶有流線型。7）塔架和基礎(chǔ)塔架是支撐風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)等部件的架子，承受吹向塔架和風(fēng)力機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)是現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，根據(jù)地基承載力和風(fēng)電場工程地質(zhì)以及基礎(chǔ)載荷等采用樁基平板梁結(jié)合式框架基礎(chǔ)和重力式塊狀基礎(chǔ)，塔架與基礎(chǔ)的連接可采用法蘭式或地腳螺栓式連接形式。2.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程有兩個(gè)：1）風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能；2）機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能。其中，第二個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及它的控制系統(tǒng)來完成的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在這兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程都起著很重要的作用，它不僅僅能夠直接影響機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的效率、性能以及供電質(zhì)量，還影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率、運(yùn)行方式以及它的裝置和結(jié)構(gòu)。所以，在考慮發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決以下問題：高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到電壓恒定的直流電或者頻率、電壓恒定的交流電的轉(zhuǎn)換。高效率的實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，以降低每度電的成本。安全可靠地與另外的發(fā)電裝置或者儲能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，提供穩(wěn)定的電能2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，輸送到電網(wǎng)中。2.2.1風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下產(chǎn)生力矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過輪轂將扭矩輸送到傳動(dòng)系統(tǒng)。對于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片將處于“失速”狀態(tài)輸出功率會降低，但是發(fā)電機(jī)不會因?yàn)槌?fù)荷而燒毀，安全性高。變槳距風(fēng)輪可根據(jù)風(fēng)速調(diào)整槳距角，當(dāng)風(fēng)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出功率能穩(wěn)定地保持在額定功率上，特別是在大風(fēng)時(shí)，可使風(fēng)力機(jī)處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機(jī)的受力情況大為改善。2.2.2機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能及并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)原理將風(fēng)輪傳送過來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，目前，異步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主流發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍很小，它取決于電網(wǎng)頻率，維持在同步轉(zhuǎn)速附近。當(dāng)風(fēng)速上升時(shí)，齒輪箱高速輸出軸轉(zhuǎn)速會上升，當(dāng)達(dá)到異步發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的時(shí)候，機(jī)組就會自動(dòng)并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)上升時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會跟著略為上升，從而增加發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)風(fēng)俗達(dá)到額定值時(shí)，輸出功率會穩(wěn)定在穩(wěn)定在額定功率，這是由風(fēng)輪調(diào)節(jié)的。反之，當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會下滑，當(dāng)下滑道轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速低時(shí)，機(jī)組從電網(wǎng)吸收電能，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過延時(shí)后脫開電網(wǎng)。同步發(fā)電機(jī)一般有兩種并網(wǎng)方式：一種是交——直——交并網(wǎng)；另一種是準(zhǔn)同期并網(wǎng)，這種方法在大型風(fēng)力機(jī)中很少采用。3風(fēng)速建模3.1風(fēng)的物理特性風(fēng)是一種氣象變量，在天氣尺度上來說，就是空氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)，只不過它具有勢能和動(dòng)能而已。風(fēng)的產(chǎn)生，是由于大氣的壓力差，大氣壓力差使空氣團(tuán)的勢能轉(zhuǎn)化成為動(dòng)能。在風(fēng)工程應(yīng)用中提出了多種風(fēng)類型，其中水平風(fēng)最為重要[6]。大氣的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生多個(gè)時(shí)-空變量，比如經(jīng)常接觸到的溫度、氣壓、密度和濕度等，這些時(shí)-空變量是能夠通過一些定理原理來描述的，這些定律原理有很多，比如說連續(xù)性原理、牛頓定律等，通常稱空氣連續(xù)性、三個(gè)方向分量的熱力學(xué)以及動(dòng)量守恒方程為大氣動(dòng)態(tài)方程。因此，雖然有許多風(fēng)類型，但是都能夠使用一組特定的方程組來解釋它們。某一個(gè)地域風(fēng)能的強(qiáng)弱，與多種因素有關(guān)，除了受上面描述的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的制約之外，比較重要的還有這個(gè)地區(qū)的氣候系統(tǒng)類型。一般來說，第一類風(fēng)能豐富地區(qū)是海-陸相互作用的地域，這些地域的風(fēng)能通常比較豐富，風(fēng)速、風(fēng)向也比較穩(wěn)定。第二類風(fēng)能豐富地區(qū)是山峰和山谷，因?yàn)樵谝蝗债?dāng)中，該地域的受熱與冷卻差異相當(dāng)大。在一定的條件之下，能夠把風(fēng)與一些基本的、可測量的變量相互聯(lián)系起來。比如地旋風(fēng)，地旋風(fēng)最主要的兩個(gè)特征是：1）無摩擦；2）平行于等壓線。所以可以把自然風(fēng)看作是地旋風(fēng)的一個(gè)近似，特別是在上部對流層。這是因?yàn)榈匦L(fēng)是僅僅由地球自旋產(chǎn)生的，它的等壓線是直線，并沒有受到其他力的作用。在1883年,OsborneReynolds成功發(fā)布了流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其中指出：流體的流動(dòng)可能是層狀的，或者紊亂的。對風(fēng)氣流來說，層流就說明空氣的流動(dòng)是沿著流線的，而且層流中的空氣是不可能會與另外的流層中的空氣相混合也不會出現(xiàn)渦流運(yùn)動(dòng)。但是，在湍流當(dāng)中，這兩種情況都有可能會存在。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，管道流體運(yùn)動(dòng)中的層流到湍流的轉(zhuǎn)移可以使用無量綱的雷諾數(shù)來描述。對雷諾數(shù)的定義如下：，其中，為流體運(yùn)動(dòng)粘度，為平均流速，為管道半徑。雷諾數(shù)的臨界值是2100左右，當(dāng)雷諾數(shù)上升到臨界值時(shí)，表示層流已向湍流轉(zhuǎn)化完成[10]。在開闊的區(qū)域中，風(fēng)氣流的成分幾乎沒有層流，絕大部分都是湍流。當(dāng)空氣流經(jīng)機(jī)翼狀的小山丘的時(shí)候，流線可能會被壓縮，從而抑制了湍流，進(jìn)而表現(xiàn)為層流。風(fēng)氣流的變化是由陣風(fēng)伴隨著小的風(fēng)向的變化而組成，一般將小的風(fēng)向的變化的原因歸功于一般的穩(wěn)定流中的渦流。能夠把風(fēng)中的渦流形象地假想成或大或小的圓環(huán)形擾動(dòng)。當(dāng)渦流中的空氣流和風(fēng)向相一致的時(shí)候，風(fēng)速就會增加，從而變化成陣風(fēng)。風(fēng)速對平均值瞬時(shí)、隨機(jī)的偏離就是湍流。湍流的強(qiáng)度和特征決定于一系列的氣象和地理因素，比如：平均風(fēng)速、表面的粗糙度、大氣的穩(wěn)定性和地理特征等等。在氣象學(xué)中有著相當(dāng)復(fù)雜的空間多維風(fēng)湍流模型[16]，這是因?yàn)樵诼短斓目諝饬鳟?dāng)中，風(fēng)湍流通常不以“一維”的方式出現(xiàn)，而是會分布在空間各個(gè)方向。在風(fēng)工程應(yīng)用當(dāng)中，風(fēng)速的湍流變動(dòng)一般用10到60分鐘測量得到的的風(fēng)速波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差來描述。大范圍的自然變化引起的湍流變動(dòng)，不能使用高斯過程來闡述。大氣與地面相互作用能夠影響到大氣邊界層，使湍流在大氣邊界層當(dāng)中出現(xiàn)。大氣邊界層的范圍很廣，包括從地面到平均海拔為11km的高度。地球表面的作用有很多，其中主要的就有：蒸發(fā)、摩擦阻力、熱交換以及地形。邊界層會直接受到地球表面作用的影響，風(fēng)氣流對于地球表面的作用的響應(yīng)時(shí)間尺度一般為1小時(shí)可能更短。邊界層的厚度波動(dòng)范圍比較大，小到數(shù)百米，達(dá)到數(shù)千米，它波動(dòng)的范圍與時(shí)間和空間息息相關(guān)。一日當(dāng)中，影響邊界層的變化的因素有很多，其中起決定性作用的是地面粗糙度效應(yīng)。所以，湍流強(qiáng)度與時(shí)間、空間息息相關(guān)。日出的時(shí)候，由于地球的表面受熱，高能熱量會上升，直到相當(dāng)?shù)母叨?。在夜間時(shí)，比較穩(wěn)定的邊界層會誕生，這是因?yàn)闇囟葧刂叨确较蛳陆?。在黎明時(shí)分，日出和夜間的兩個(gè)相異的條件就會相互作用，最后占優(yōu)勢會是穩(wěn)定的夜間條件，占優(yōu)勢快慢的因素有許多，日升的環(huán)境條件是其中最主要的。在上述條件的影響之下，大氣邊界層是非常不穩(wěn)定的，其不穩(wěn)定度甚至比湍流強(qiáng)度還要高。3.2風(fēng)速模型簡介風(fēng)能作為一種可再生能量，密度較低，穩(wěn)定性差。在自然界中，風(fēng)速是易變的、不可控制的。雖然不能夠從成因和理論上證明它是服從于哪一種分布，但是，從長期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，風(fēng)速的變化和分布仍然有一定的規(guī)律[7]。隨著對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)速的模擬和預(yù)測提出了比較多的方法。主要的方法概括起來有以下幾種：1）組合風(fēng)速法也就是組合風(fēng)速模型，將風(fēng)速看成四種成分風(fēng)的組合，即基本風(fēng)速、陣風(fēng)、漸變風(fēng)速和噪聲風(fēng)。其中，基本風(fēng)速反映的是風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化；陣風(fēng)和噪聲風(fēng)反映的是風(fēng)電場中風(fēng)速的不確定因素和擾動(dòng)量；漸變風(fēng)描述的是風(fēng)場中穩(wěn)態(tài)能量隨時(shí)間變化的緩慢變化過程。這種風(fēng)速模型的優(yōu)勢是簡單、物理概念明確，但是其中的相關(guān)參數(shù)難以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定，實(shí)際操作也比較困難，而且也不能反映自然風(fēng)頻帶中所有的風(fēng)速成分。2）基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的風(fēng)速分布模型，現(xiàn)在已經(jīng)擁有的擬合風(fēng)速模型的概率分布主要有[8]：雙參數(shù)威布爾(Weibull)分布；三參數(shù)威布爾(Weibull)分布；F(Gamma)分布；瑞利(Rayleigh)分布；對數(shù)正態(tài)分布等模型，其中對瑞利分布和雙參數(shù)威布爾分布的應(yīng)用比較多。利用概率分布建立的風(fēng)速模型所考慮的因素比較多，不容易確定相關(guān)的參數(shù)，并且這種模型通常是描述一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速。這種風(fēng)速模型通常應(yīng)用在考慮風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)的作用，而由于其時(shí)間尺度遠(yuǎn)比風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的大部分響應(yīng)時(shí)間長，這種風(fēng)速模型在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究并不適用。3）基于功率譜密度的風(fēng)速模型，這種模型把風(fēng)速分為兩個(gè)分量：一個(gè)是反映中長期風(fēng)速變化的平均風(fēng)速分量，另一個(gè)是反映短期風(fēng)速波動(dòng)的湍流分量。這種風(fēng)速模型中，平均風(fēng)速在長時(shí)間尺度中一直保持不變，湍流分量反映風(fēng)速的變化。可以把湍流分量看作是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，而且滿足兩個(gè)條件：（1）風(fēng)速序列必須滿足一定的功率譜密度；（2）風(fēng)速序列與平均風(fēng)速的偏差服從于零均值高斯分布，這兩個(gè)條件起著非常重要的作用，其中條件(1)限制了風(fēng)速變化的頻率和幅度，而風(fēng)速變化的范圍則由條件(2)來限制。到目前為止，已經(jīng)有了許多能夠比較準(zhǔn)確地描述風(fēng)速湍流分量的功率譜，其中最常用的是馮卡門德模型(VonKarman)；卡曼模型(Kaimal)?；诠β首V密度的風(fēng)速模型的優(yōu)點(diǎn)有很多，它不僅能夠描繪出中長期的平均風(fēng)速分量以及短期的湍流脈動(dòng)風(fēng)速分量，還具備有非常高的計(jì)算效率，因此它仿真的速度也是非?？?，基于以上所述的優(yōu)點(diǎn)，這種基于功率譜密度的風(fēng)速模型被廣泛采用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真。根據(jù)以上描述的風(fēng)速模型，我們可以得出研究風(fēng)速模型的目的就是建立能夠全面地反應(yīng)風(fēng)速中的長期平均穩(wěn)態(tài)分量和短期湍流分量，在描繪出風(fēng)速具有隨機(jī)性的同時(shí)也具備一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的風(fēng)速模型[9]。而現(xiàn)有的功率譜方法恰好能較好的解決這個(gè)問題，因此適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的研究[9]。所以本文主要完成組合風(fēng)速模型以及采用卡曼模型(Kaimal)建立基于功率譜密度的風(fēng)速模型，并且使用Matlab/simulink軟件實(shí)現(xiàn)仿真。3.3組合風(fēng)速建模風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性，為了能比較精確地描述風(fēng)能的這兩個(gè)特性，風(fēng)速變化用基本風(fēng)，陣風(fēng)，漸變風(fēng)，隨機(jī)風(fēng)四種成分風(fēng)來模擬：基本風(fēng)：基本風(fēng)是用來描述風(fēng)電場的平均風(fēng)速的，它存在于風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的整個(gè)過程，能夠描述平均風(fēng)速的變化。影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸送功率的因素有很多，其中，基本風(fēng)起到?jīng)Q定性的作用。由風(fēng)電場測風(fēng)得到了威布爾（Weibull）分布參數(shù)，反過來，建立近似地風(fēng)速模型時(shí)，基本風(fēng)也可以用威布爾（Weibull）分布參數(shù)來確定:（3.1）其中，表示伽馬函數(shù)，是基本風(fēng)的風(fēng)速(m/s)，和分別是尺度參數(shù)和形狀參數(shù)?？紤]秒級時(shí)間段的計(jì)算時(shí)，基本風(fēng)可視為常數(shù)。陣風(fēng)：風(fēng)速具有突然變化的特性，這個(gè)特性可以用陣風(fēng)來描述。在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析中，通常用它來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在較大風(fēng)速變化情況下的動(dòng)態(tài)特性。（3.2）其中，、、、分別表示陣風(fēng)的風(fēng)速、陣風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、最大值。漸變風(fēng)：風(fēng)速具有漸變性，這個(gè)特性用漸變風(fēng)來模擬（3.3）其中，分別表示漸變風(fēng)的風(fēng)速、漸變風(fēng)的終止時(shí)間、漸變風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間、漸變風(fēng)的最大值以及保持時(shí)間。隨機(jī)風(fēng)：用隨機(jī)風(fēng)描述風(fēng)速變化的隨機(jī)特性。風(fēng)速變化的隨機(jī)性通常使用隨機(jī)噪聲風(fēng)來表示。（3.4）其中，是隨機(jī)變量，均勻分布于O～2之間；分別為各個(gè)頻率段的頻率、地表的粗糙系數(shù)、擾動(dòng)范圍、相對高度的平均風(fēng)速、頻譜的取樣點(diǎn)數(shù)。綜合上述四種風(fēng)速，模擬作用在風(fēng)力機(jī)上的的組合風(fēng)速為：（3.5）3.4基于功率譜密度的風(fēng)速模型風(fēng)電場中風(fēng)速的組成成分有很多，但是可以把這些成分等效為平均風(fēng)和湍流風(fēng)兩個(gè)分量[10]，所以可以把風(fēng)速表示如下：：(3.6)其中,表示湍流風(fēng)速；表示平均風(fēng)速；表示瞬時(shí)風(fēng)速。平均風(fēng)速可以用下式來描述：（3.7）雖然平均風(fēng)速與空間和時(shí)間息息相關(guān)，但是短時(shí)間內(nèi)我們可以認(rèn)為是不變的，而在中長時(shí)間，平均風(fēng)速的變化具有隨機(jī)性，我們可以使用威布爾隨機(jī)分布來表示其隨機(jī)性：（3.8）其中為形狀參數(shù)，為尺度參數(shù)，若需要瑞利分布，令等于2即可[11]。如果平均風(fēng)速和風(fēng)速方差已經(jīng)給出，形狀參數(shù)，尺度參數(shù)可以表示為：（3.9）其中，對于式(3.9)可以應(yīng)用以下經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：(3.10)因?yàn)轱L(fēng)速與空間和時(shí)間息息相關(guān)，所以長期來說風(fēng)湍流是復(fù)雜的不平穩(wěn)過程，不過短期風(fēng)速卻可以忽視風(fēng)湍流復(fù)雜的不平穩(wěn)性。在短期風(fēng)速中，把湍流分量看作是零均值平穩(wěn)高斯過程，仿真的方法有以下兩種：1)隨機(jī)相位諧波疊加法也就是自回歸(AR)算法；2)帶限白噪聲經(jīng)過線性濾波器的輸出也就是自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)算法[12]。在文中，對湍流分量的闡述是采用Kaimal譜。單側(cè)Kaimal譜表達(dá)式為（3.11）湍流強(qiáng)度（3.12）其中：表示風(fēng)速模型中的平均風(fēng)速分量；為第分量的標(biāo)準(zhǔn)差；為湍流長度，通常選取600米；表示第個(gè)分量的功率譜密度。設(shè)零均值白噪聲的功率譜函數(shù)為：（3.13）線性濾波器的域模型可表示為（3.14）則白噪聲經(jīng)線性濾波器輸出的功率譜密度為（3.15）利用白噪聲經(jīng)數(shù)字濾波器濾波輸出來的模擬風(fēng)速的關(guān)鍵即為確定線性濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式，使得模擬出來的風(fēng)速序列的功率譜具備有Kaimal譜的分布特性，此時(shí)濾波器稱為Kaimal濾波器。具體的計(jì)算即是為確定濾波器的階數(shù)和以及相關(guān)系數(shù)。具體的計(jì)算過程在文獻(xiàn)[13][14]等中已經(jīng)給出了，本文就不再詳細(xì)介紹。3.5風(fēng)剪效應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)剪效應(yīng)是指風(fēng)速隨海拔高度的改變而改變的特性對風(fēng)電機(jī)捕獲風(fēng)能的影響[15]。在本論文中采用以下模型：（3.16）其中，是高度為處的風(fēng)速，是參考高度處的風(fēng)速，是風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，常用（即）。3.6風(fēng)速的Jensen模型尾流效應(yīng)在風(fēng)電場中，各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布的位置是不同的。位于風(fēng)向下游的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速低于位于風(fēng)向上游的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間的相距越近，上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速的影響就越大，這種現(xiàn)場稱為尾流效應(yīng)[16]。風(fēng)力機(jī)在平坦地形的尾流效應(yīng)如圖3.1，是風(fēng)力機(jī)葉片的長度，是由上游風(fēng)力機(jī)WTG1在距離處造成的尾流區(qū)域的半徑。圖3圖3.1平地上兩臺風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)[17]下游風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速可以使用Jensen模型計(jì)算（3.17）其中，是風(fēng)速下降系數(shù)，是風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)，在Jensen模型中取，是尾流效應(yīng)下降系數(shù),當(dāng)風(fēng)力機(jī)接收的是自然風(fēng)時(shí),否則。4基于Matlab/simulink的風(fēng)速仿真模型4.1仿真模塊圖4.1.1Matlab軟件簡介Matlab屬于一種高性能語言，它主要應(yīng)用于工程計(jì)算，有兩大組成成分：一個(gè)是核心函數(shù)，另一個(gè)是工具箱。Matlab編程代碼非常直觀、簡潔，與數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式相似，與人們的思維方式非常切合，而且編程非常方便，因此Matlab受到了人們的普遍歡迎。MATLAB是一款數(shù)學(xué)計(jì)算軟件[18]，可用于科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。提供針對科學(xué)計(jì)算的可視化和交互式程序開發(fā)環(huán)境，將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，方便用戶完成算法開發(fā)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、創(chuàng)建用戶界面等任務(wù)。MATLAB具有以下優(yōu)勢：程序語言簡單易，適用對象廣泛；編程環(huán)境和工作平臺友好；科學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大；繪圖功能出色；功能豐富，拓展性強(qiáng)，支持在線幫助。Simulink是MATLAB的核心組件之一，它為用戶提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境。Simulink擁有大量的模塊庫，分為公共和專業(yè)兩大部分。不同專業(yè)領(lǐng)域的建模仿真都可在Simulink中完成。用戶無需編寫大量代碼，只要單擊、拖曳鼠標(biāo)，調(diào)用相關(guān)模塊，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，再將各模塊按照流程或邏輯關(guān)系連接起來以完成起系統(tǒng)建模。本文的仿真使用MATLAB仿真軟件中的Simulink組件完成相關(guān)模型的搭建，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。4.1.2風(fēng)速模型仿真圖圖4.1圖4.1基于kaimal譜的風(fēng)速模型Simulink仿真圖圖4.2組合風(fēng)速模型Simulink仿真圖圖4.2組合風(fēng)速模型Simulink仿真圖4.2組合風(fēng)速模型的仿真設(shè)定仿真時(shí)間為400s,陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間為60s，持續(xù)時(shí)間為70s，最大值為6m/s，漸變風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間為180s，終止時(shí)間為240s，保持時(shí)間為140s，最大值為4m/s。輸出仿真結(jié)果如下：仿真時(shí)間/s風(fēng)速m仿真時(shí)間/s風(fēng)速m/s圖4.3組合風(fēng)速模型仿真圖 4.3基于功率譜密度的風(fēng)速模型的仿真設(shè)定平均風(fēng)速5m/s，湍流強(qiáng)度0.2，湍流尺度600m，帶限白噪聲的噪聲功率為7，采樣周期0.25s[19]。輸出仿真結(jié)果如下：圖4.4基于kaimal圖4.4基于kaimal譜的風(fēng)速模型仿真圖仿真時(shí)間/s風(fēng)速m/s4.4考慮風(fēng)剪效應(yīng)和尾流效應(yīng)時(shí)的仿真4.4.1僅考慮尾流效應(yīng)設(shè)定風(fēng)力機(jī)葉片的長度為5m，在平坦區(qū)域上，下游風(fēng)力機(jī)沿風(fēng)向距離上游風(fēng)力機(jī)50m，風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)取值0.2，尾流效應(yīng)下降系數(shù)取值0.04，根據(jù)公式（3.17）可得尾流效應(yīng)模塊，在Matlab/simulink仿真中，同時(shí)輸出考慮尾流效應(yīng)和不考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)速模型的結(jié)果如下：風(fēng)速m/風(fēng)速m/s——不考慮尾流效應(yīng)——考慮尾流效應(yīng)圖4.5圖4.5組合風(fēng)速模型有無尾流對比仿真圖