定速風(fēng)電機(jī)組的仿真報(bào)告

1、定速風(fēng)電機(jī)組的仿真組員：江天天 趙正 嚴(yán)亞俊一、簡介基于普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組，一般由風(fēng)輪、軸系（包括低速軸LS、高速軸HS和齒輪箱組成）、感應(yīng)發(fā)電機(jī)組等組成，如圖1所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過軸系與風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪連接，而發(fā)電機(jī)定子回路與電網(wǎng)用交流線路連接。這種類型的風(fēng)電機(jī)組一旦起動(dòng)，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是不變的（取決于電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率），與風(fēng)速無關(guān)。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差變化。風(fēng)電機(jī)組在額定功率運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)滑差的變化范圍為1%2%，因此正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速僅在很小范圍內(nèi)變化。圖 1：基于普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組二、工作原理：風(fēng)電機(jī)組通過三葉片風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，風(fēng)

2、能輸出的機(jī)械功率為：注釋：空氣密度； ：通過風(fēng)力機(jī)葉片的風(fēng)速； ：葉尖速比； ：葉片漿距角； ：葉片旋轉(zhuǎn)半徑； ：葉片旋轉(zhuǎn)角速度； ：葉片掃風(fēng)面積； ：功率系數(shù)（與葉尖速比以及葉片漿距角有關(guān)）。根據(jù)不同的、取值，可得到的曲線如圖2所示，從圖中可以看出，對應(yīng)某一確定的漿距角，有一極大值存在，也就是說，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)不能保證在所有的風(fēng)速下都能夠產(chǎn)生最大的功率輸出。的理論最大值為0.593，這就是著名的Betz極限。圖2：關(guān)系曲線圖 3：風(fēng)電機(jī)組功率特性定速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪從風(fēng)中獲取機(jī)械能，然后通過齒輪軸系傳遞給感應(yīng)發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，輸送到電網(wǎng)中。感應(yīng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供有功功率，同

3、時(shí)從電網(wǎng)吸收無功功率用來勵(lì)磁。因?yàn)檫@種類型的感應(yīng)發(fā)電機(jī)無法控制無功功率，所以利用無功補(bǔ)償器來改善風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)，降低機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的總的無功功率?，F(xiàn)代定速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為1520r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率對應(yīng)。定速風(fēng)電機(jī)組可以采用定漿距控制，也可以采用葉片角控制。其中，定漿距控制風(fēng)電機(jī)組為被動(dòng)失速控制，它將葉片以固定漿距角用螺栓固定在輪轂上，在給定風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪開始失速，失速條件始于葉片根部，并隨著風(fēng)速加大逐漸發(fā)展到全部葉片長度。這種失速控制方式成本低廉，但是低風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率較低。而葉片角控制定速風(fēng)電機(jī)組為采用負(fù)漿距角的主動(dòng)失速控制方式。主動(dòng)失速設(shè)置為在

4、風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)優(yōu)化處理，在風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)限制出力為額定功率。這種主動(dòng)失速控制方式能夠提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。三、仿真模塊：Three-Phase Source【三相電源模塊】Three-Phase Transformer(Two Windings)【三相雙繞組變壓器模塊】Three-Phase Fault【三相故障模塊】Three-Phase PI Section Line【三相型等值電路模塊】Three-Phase V-I Measurement【三相電壓電流測量元件模塊-模擬母線】Wind Turbine Induction Generator(Phasor Type)【風(fēng)電機(jī)組模

5、塊】Goto【跳轉(zhuǎn)模塊】Constant【常數(shù)系數(shù)模塊】From Workspace【從工作空間中輸入數(shù)據(jù)模塊】Bus Selector【總線選擇器模塊】Abs【求取絕對值模塊】Scope【觀測儀模塊】Powergui【電力圖形用戶分析界面模塊】四、模型仿真：一臺單機(jī)容量為1.5MW的定速風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過升壓，通過長度為100km、電抗為的架空輸電線路與外部系統(tǒng)相連。參考MATLAB中風(fēng)電機(jī)組模型建立如圖3所示單機(jī)無窮大電源的仿真系統(tǒng)。圖4為定速風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（右鍵單擊風(fēng)電機(jī)組模塊Wind Turbine，然后選中下拉列表中的“Look under mask”選項(xiàng)，打開后可見定速風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)）。圖 4：單機(jī)無窮大電源的仿真系統(tǒng)圖 5：定速風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、參數(shù)設(shè)置【Three-Phase Source】【Three-Phase Transformer(Two Windings)】【Three-Phase Fault】電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，Three-Phase Fault模塊不用設(shè)置，即為默認(rèn)，如下左圖。電網(wǎng)故障運(yùn)行時(shí)，參數(shù)設(shè)置如下右圖：【Three-Phase PI Section Line】【Three-Phase V-I Measurement】【W(wǎng)ind Turbine Induction Generator(Phasor Type)】【Goto】【Constant】【

7、From Workspace】【Bus Selector】【Abs】【Scope】【Powergui】【Simulation Configuration Parameters】2、風(fēng)電機(jī)組輸出特性仿真在仿真時(shí)，由于需要風(fēng)電場在某段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速數(shù)值，于是參考相關(guān)文獻(xiàn)1，并運(yùn)用MATLAB模擬出陣風(fēng)、漸變風(fēng)時(shí)的風(fēng)速，下面將詳細(xì)介紹：當(dāng)輸入為陣風(fēng)時(shí)：首先，運(yùn)用MATLAB模擬出陣風(fēng)時(shí)的風(fēng)速，程序附錄一；其次，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel表中；接著，在MATLAB的命令窗口中輸入以下程序?qū)?shù)據(jù)讀到工作空間變量y中：y=xlsread('D:MATLAB_R2012aworkzhenfengVwg.xl

8、s');且，由于之前已經(jīng)設(shè)置好參數(shù)及相關(guān)命令，在此，可以直接仿真，得到如下結(jié)果：當(dāng)輸入為漸變風(fēng)時(shí)：首先，運(yùn)用MATLAB模擬出漸變風(fēng)時(shí)的風(fēng)速，程序附錄二；其次，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel表中；接著，在MATLAB的命令窗口中輸入以下程序?qū)?shù)據(jù)讀到工作空間變量y中：y=xlsread('D:MATLAB_R2012aworkjianbianVwr.xls');且，由于之前已經(jīng)設(shè)置好參數(shù)及相關(guān)命令，在此，可以直接仿真，得到如下結(jié)果：由仿真曲線可以看出，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓、輸出有功功率和無功功率以及風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都隨其輸入風(fēng)速的變化而變化。由于定速風(fēng)電機(jī)組采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因此其在輸

9、出有功功率的同時(shí)，要從電網(wǎng)中吸收無功功率。3、電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出特性仿真利用模型中的三相故障模塊設(shè)置電網(wǎng)在0.02S時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，到0.1S時(shí)故障消失，仿真起始時(shí)間設(shè)置為0，終止時(shí)間設(shè)置為1S。當(dāng)輸入風(fēng)為基本風(fēng)（恒風(fēng)速）時(shí)：首先，直接在excel表中輸入兩列數(shù)據(jù)，一列是：時(shí)間，從0開始，間隔為0.001S，一直取到1S為止；另一列：風(fēng)速，風(fēng)速全為15m/s;然后，在MATLAB的命令窗口中輸入以下程序?qū)?shù)據(jù)讀到工作空間變量y中：y=xlsread('D:MATLAB_R2012aworkguzhangzhenfengVwggz15.xls');且，由于之前已經(jīng)設(shè)置好

10、參數(shù)及相關(guān)命令，同時(shí)將Three-Phase Fault模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，在此，可以直接仿真，得到如下結(jié)果：從仿真曲線可以看出，電網(wǎng)故障時(shí)定速風(fēng)電機(jī)組的感應(yīng)發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，以維持機(jī)端電壓。五、仿真總結(jié)通過本次的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用仿真，本小組了解到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本模型，并對各個(gè)模塊的作用及參數(shù)設(shè)置有一定的認(rèn)識。根據(jù)本次的仿真結(jié)果，可以得出定速風(fēng)電機(jī)組不論在正常或故障運(yùn)行時(shí)，輸出有功功率的同時(shí)，都要從電網(wǎng)中吸收無功功率。而在仿真的過程中，需要注意到，在運(yùn)行這個(gè)模型時(shí)，首先要從xls文件中讀取風(fēng)速，否則運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤，無法獲得最終的結(jié)果。六、參考文獻(xiàn)1 楊之俊.基于Matlab的組合

11、風(fēng)速建模與仿真J.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，13（3）:74-77.附錄：附錄一% 陣風(fēng)風(fēng)速pi = 3.14;Gmax = 15; %陣風(fēng)峰值m/sTg = 30; %陣風(fēng)周期STlg = 0; %陣風(fēng)開始時(shí)間t = 0:0.01:30;Vwg = (Gmax/2)*(1-cos(2*pi*(t-Tlg)/Tg);save 'Vwg.txt' Vwg -ascii;y=xlsread('D:MATLAB_R2012aworkzhenfengVwg.xls'); %讀入數(shù)據(jù)% 漸變風(fēng)速Rmax = 15; %漸變風(fēng)速最大值m/sTr = 30; %漸變風(fēng)保持時(shí)間ST1