基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真學(xué)號：xxxxxxx 姓名：xxx 分?jǐn)?shù)： (xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx)摘要：本文在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模技術(shù)，并對整個(gè)系統(tǒng)建立了MATLAB仿真模型。仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)能利用系數(shù)比較低，發(fā)電量不足且輸出不穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：MATLAB；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；仿真研究1 引言對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行仿真研究，不可避免的就要建立系統(tǒng)的仿真模型。但是，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型的精細(xì)程度將直接決定仿真結(jié)果。一般來說，模型越精細(xì)，仿真結(jié)

2、果越準(zhǔn)確，但其控制難度就越高。本文對風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)模型和發(fā)電機(jī)模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如對風(fēng)力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風(fēng)速、風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、各種發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面分析，探索風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部風(fēng)最通用的模型、包括了可供電網(wǎng)分析的各系統(tǒng)的簡單數(shù)學(xué)模型，對各個(gè)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用 MATLAB 軟件進(jìn)行了仿真。2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真2.1 風(fēng)速模型的建立自然風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量的來源，其在流動(dòng)過程中，速度和方向是不斷變化的，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和突變性。本課題不考慮風(fēng)向問題，僅從其變化特點(diǎn)出發(fā)，著重描述其隨機(jī)性和間歇性，認(rèn)為其時(shí)空模型由以下四種成分構(gòu)成:基本風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、漸

3、變風(fēng)速 和噪聲風(fēng)速。即模擬風(fēng)速的模型為： （1-1）（1）基本風(fēng)速在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行過程中一直存在，基本反映了風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化。一般認(rèn)為，基本風(fēng)速可由風(fēng)電場測風(fēng)所得的韋爾分布參數(shù)近似確定，且其不隨時(shí)間變化，因而取為常數(shù)（2）陣風(fēng)用來描述風(fēng)速突然變化的特點(diǎn)，其在該段時(shí)間內(nèi)具有余弦特性，其具體數(shù)學(xué)公式為： （1-2）式中： （1-3）t 為時(shí)間，單位 s；T為陣風(fēng)的周期，單位 s；，為陣風(fēng)風(fēng)速，單位m /s；為陣風(fēng)開始時(shí)間，單位 s ；為陣風(fēng)的最大值，單位 m/s。 （3）漸變風(fēng)用來描述風(fēng)速緩慢變化的特點(diǎn)，其具體數(shù)學(xué)公式如下： （1-4）式中： （1-5） 為漸變風(fēng)開始時(shí)間，單位 s；為漸變風(fēng)終

4、止時(shí)間，單位 s ；，為不同時(shí)刻漸變風(fēng)風(fēng)速，單位 m/s；為漸變風(fēng)的最大值，單位 m/s 。 （4）隨機(jī)噪聲風(fēng)用來描述相對高度上風(fēng)速變化的特點(diǎn)，此處不再描述。2.2 風(fēng)力機(jī)模型的建立風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。能量的轉(zhuǎn)化將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異，因此，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù) <0.593。風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為： (1-6)而風(fēng)輪獲得的氣動(dòng)扭矩為： (1-7)其中：表示有用功率，單位為 w；表示空氣密度，單位為 Kg/m；R表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，單位為 m；表示風(fēng)速，單位為 m/s；表示風(fēng)能利用系數(shù)；

5、表示氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；并且有： (1-8) (1-9)稱為葉尖速比；為風(fēng)輪角速度，單位為 rad/s。2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立本實(shí)驗(yàn)在分析傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的剛性軸模型。剛性軸模型認(rèn)為傳動(dòng)系統(tǒng)是剛性的，即低速軸，增速齒輪箱傳動(dòng)軸，高速軸都是剛性的。忽略風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)部分的傳動(dòng)阻尼，最后可得傳動(dòng)系統(tǒng)的簡化運(yùn)動(dòng)方程為： (1-10) 其中： 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位；n 為傳動(dòng)比；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位；為發(fā)電機(jī)的反轉(zhuǎn)矩，單位。 并且： （1-11）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位 rad/s。2. 4 發(fā)電機(jī)模型的建立本實(shí)驗(yàn)只建立發(fā)電機(jī)的模型，而忽略變頻裝置。發(fā)電機(jī)的反扭矩方程為： （1-12） （1-1

6、3）其中：為發(fā)電機(jī)極對數(shù)；為相數(shù)；為電壓；為修正系數(shù);為發(fā)電機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；為發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；，分別為定子繞組的電阻和漏抗；，分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗，單位為。2. 5 整體模型的建立 對于整體系統(tǒng)的建立，由于比較繁瑣，所以在原模塊基礎(chǔ)上，是每個(gè)部分形成整體系統(tǒng)的子系統(tǒng)，分別形成自然風(fēng)子系統(tǒng)（fengsu），風(fēng)力機(jī)子系統(tǒng)（FLJMX），發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)（fadianji）和傳動(dòng)系統(tǒng)子系統(tǒng)（chuandong）幾部分。然后形成整體系統(tǒng)，其示意圖如圖1-1所示。圖1-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體系統(tǒng)2.2仿真結(jié)果圖1-2 輸出功率圖1-3 風(fēng)能利用系數(shù)2.3 仿真結(jié)果說明（1）由上圖可

7、知系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風(fēng)速有關(guān)，由于系統(tǒng)中存在噪聲所以輸出地功率存在很大的噪聲，風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定輸出功率。（2）功率系數(shù)圖可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)比較低，基本運(yùn)行在 0.35 以下，必會(huì)造成風(fēng)能的極大浪費(fèi)。3 結(jié)論與展望通過本次的學(xué)習(xí)對風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)有利一定的了解，從學(xué)習(xí)中得知風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)70年代開始研究風(fēng)電的自主研發(fā)能力嚴(yán)重不足，風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)和制造水平比較落后，總體上還處于跟蹤和引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的階段。目前，我國的風(fēng)電機(jī)組在控制系統(tǒng)、軸承、風(fēng)機(jī)葉片、齒輪箱等零部件方面存在較大的供需矛盾。雖然整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，但是風(fēng)電設(shè)備廠商在這方面明顯生產(chǎn)能力不足，尤其在兆瓦級

8、容量的風(fēng)電機(jī)組中，軸承和電控系統(tǒng)幾乎沒有生產(chǎn)能力。在風(fēng)電機(jī)組整體設(shè)備中，電控系統(tǒng)又是風(fēng)機(jī)的大腦和核心。因此，風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)國產(chǎn)化對于整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來說都是十分緊迫和必須的。雖然存在著很多的問題但是對于清潔能源的開完是一個(gè)很重要的途徑，為此我國則專門制定了可再生能源“十一五”規(guī)劃。在各種可再生能源中，風(fēng)能作為清潔、可再生資源，具備很多優(yōu)點(diǎn)，受到了各國政府的廣泛重視。但是在世界范圍來說，風(fēng)力發(fā)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具有開發(fā)規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展都具有積極意義，許多國家都已把大力發(fā)展風(fēng)電納入國家發(fā)展計(jì)劃。參考文獻(xiàn)：1 葉杭冶風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測與控制