基于matlab风力发电系统的建模与仿真.docx

（2009 届）
毕业设计（论文）
题 目: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师:
风力发电系统的建模与仿真
嘉兴学院
电气工程及其自动化
电气091
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教务处制
年 月 日
诚信声明
我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文中的 所有内容均真实、可信。
论文作者签名:
签名日期：年 月曰

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学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借 阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩 印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论 文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。
论文作者签名： 签名日期：年 月曰
II
风力发电系统的建模与仿真
摘要
本篇论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略，在定桨距风 力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探充和研充。通过控制系统保持了风力 发电机组的安全可靠运行，并实现了穏定机组输出功率和优化功率曲线的控制功 能。利用控制系统使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并在出 故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。
本篇论文主要是通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完 整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，验 证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析， 并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。
关键词：风力发电系统；建模；仿真
ni
Modeling and simulation of the wind power system
ABSTRACT
This paper mainly introduced the basic control requirements and control strategy of wmd generating set, the fixed pitch wind tuibine contiol system simulation has made a preliminaiy exploiation and research. Through the control system to keep the safe and leliable operation of wind tuibine, and realizes stable output power generating unit and the optinuzation of the control ftinction of the power curve. Use contiol system to make wmd power system within die piescribed period of time is not out of order 01 less out of order, and when failed it will repair with the quickest speed system to lesume noimal work.
This paper mainly using the MATLAB simulation software, wind powei system contiol model is established and the complete sample wind power geneiation system model, to build the control model fbi the simulation analysis, to verify the usability of the wmd power system contiol model, and canies on the analysis to the simulation result tinough single curve diawmg, aiid use the curve plotting module generates a graphics can be duectly used in the smiulation results of the study.
Keywords: wind power generation system; Modelmg; Simulation
IV

摘要 III
ABSTRACT IV
1绪论 1
1.1风力发电系统的研究背景和意义 1
1.2国内外风力发电的发展概况 2
1. 2.1世界风力发电的发展状况 2
1. 2. 2中国风力发电的发展状况 2
1-3本论文的主要工作 4
1.3.1课题的研究内容和基本要求 4
1.3.2研究方法步骤 5
2风力发电系统的基本原理 6
2.1风力发电的基本原理 6
2. 2风轮机理论 7
2.3水平轴风力发电机结构 7
2.4定浆距风力发电机组 8
2.5永磁同步发电机基本原理 8
2. 5.1同步电机基础 8
2.5.2同步电机的基本结构 9
2.5.3同步电机的工作原理 10
3风力发电系统的建模 12
3. 1风速模型 12
3.2风力发电机组气动性能模型 15
3.3传动齿轮模型 17
3.4三相同步发电机模型 18
3.5风力发电系统整体建模 20
4风力发电系统的仿真分析 21
5总结思考 27
参考文献 29
v

話兴学院本科生毕业设计

1绪论
1.1风力发电系统的研究背景和意义⑴⑵
工业生产的进步与发展带来的能源危机和环境问题，使得人们把目光转向 可在生能源。以煤炭、石油、天然气、水利和核物质为原料的传统电力开发给 环境造成了很大的负担，如环境污染、酸雨、气候异常、放射性废物处理、石 油泄露等等。而风力发电对环境的影响则十分微小，具有显著的环境友好特性, 是典型的清洁能源。
目前，在除水利发电以外的各种再生能源的开发中，风力发电的开发最具 潜力，发电成本低，并且在技术上日趋成熟，从而形成一个新兴的产业，成为 电力系统结构中相对增长速度最快的新能源发电。因此，对于风力发电技术的 研兖有着重要的意义。
风能是一种无污染、可持续发展的能源，近年来风能的利用越来越受到人 类的重视。风力发电作为一种风能的主要利用形式正以前所未有的速度发展， 风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升，并在电力系统受越来越受到欢 迎和重视⑶。
近十年来，风力发电技术得到了飞速的发展和越来越广泛的应用。要进行 风力发电系统的研究，传统的方法是将发电机与风轮机相连，在现场做实验， 但是这样做成本较高并且可能影响电力系统的运行。仿真建模技术由于不受上 述条件的限制，投入低，见效快，因而在风力发电的研充领域得到了越来越广 泛的应用，极大地丰富了风力发电的研究手段〔4】
随着电力工业的飞速发展和对供电的需求，利用新能源发电口益受到人们 的关注，风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最 具开发规模条件和商业化发展前景的发电方式之一。本次选题正是了解到发电 系统的新趋势和国家节能减排的计划，对风力发电的研究产生了浓厚的兴趣。 为了对风力发电系统的流程深入学习，熟悉一些建模仿真的实现方法，掌握一 种仿真软件并且较好的应用，所以选择了风力发电系统的建模与仿真这个题目。
风力发电是清洁的、无污染可再生能源，它具有明显的优势。首先，煤、 石油、天然气等常规资源并不是取之不尽用之不竭的，必须考虑开发新能源， 而风能资源能够完美的体现它的价值，必将受到人们的重视：第二风力发电不 像火力发电等其他常规发电方式，它清洁无污染，不会产生温室气体，对环境 无污染；第三风力发电运行成本低且可以大规模建设，提高发电效率。
1.2国内外风力发电的发展概况I加响
1.2.1世界风力发电的发展状况
风力发电于1890年起源于丹麦，1891年丹麦建成了世界上第一座风力发 电站，从此之后风力发电便开始迅速发展壮大起来，之后经过儿个重要的发展 阶段。
第一阶段：二战前后，随着能源能源需求的增大，很多国家陆续开始将注 意力集中在风力发电上。1941年美国研制生产了一台1250KW的所谓的大型风 力发电机组，当时还处于初级研制阶段而且技术复杂。因此这种风力发电机组 仍处于科研阶段，无法在现实中投产生产。
第二阶段：70年代初期，世界上相继爆发的几次能源危机很大地促进了风 力发电的发展。此时，丹麦己研制出“55 — 630KW”的系列化风力发电机组。
第三阶段：出现在80年代，西方各国如徳国、美国等国家开展节能计划， 加上各国的鼓励政策，如对风电经行减少税费，对风电经行投资支持等促进了 风力发电的发展。
第四阶段：到了 90年代，随着全球能源环境问题加剧，人们的画报意识增 强，在这种呼声下，各国更加注重发展风力发电，在科学技术进步的强有力的 推动下，风力发电的发展前景令人瞩目。
风力发电机组的研发和生产以欧洲国家为主，如丹麦、徳国、美国等。其 中丹麦的风力发电技术发展最早技术也较为成熟，徳国的风力发电技术发展最 快且发电量最大。印度的风力发电令人瞩目，是发展中国家中发展最快的国家。
到2003年底风电累计装机容量居前五位的国家依次是：徳国（14612MW）、 西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。
未来国外风力发电的发展有几个明显的趋势：一是发展海上风力发电技术, 我们都知道海上风能资源丰富，丹麦、徳国等北海岸国家拥有丰富的海上风能 资源，也在积极发展海上风力发电；二是风力发电机组向大型化发展，90年代, 千瓦级的风力发电机组在欧洲广泛推广使用，在发达国家，兆瓦级的风力发电 产品以初具规模，并呈穏步发展的势头：三是风力发电设备的生产制造技术不 断成熟，可大大提高风力发电的发电效率，同时也能降低发电成本。今后应该 将研发工作的重点放在如何在风速变化的情况下确保电网的稳定性。
1.2.2中国风力发电的发展状况闵⑹
风力发电在新能源发电技术中发展较为成熟，规模较大而且具有很好的发 展前景，目前其发电成本己与其他常规发电方式相接近。中国的风能资源十分 丰富。目前，我国主要使用国外生产的并网型风机，装机投产的大型风机也多 位国外生产。在风机生产和研发方面，我国生产的风电机组最大功率为750千

风力发电系统的建模与仿真

瓦，正在积极研发兆瓦级的放电设备。相信在不久的将来，兆瓦级的风电机组 的研发成功和推广应用，中国的风电发展将取得突飞猛进的进步。
我国有着丰富的风能资源，陆上的可开发风能有2.5亿千瓦左右，海上风 能资源有10亿左右。儿年来我国风力发电发展迅速，装机容量屡创新高，2009 年我国风电新增装机容量1380.3万我瓦,增速超100%,増长速度最快。截止 2010年底我国风电新增容量达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦。
具中国风电协会统计，2012年，中国（不包括台湾地区）新增安装风电机 组7872台，装机容量12960MW,同比下降26.5%：累计安装风电机组 53764台，装机容量75324.2MW,同比增长20.8%。
80000
70000
60000
>0500
40000
30000
20000
10300
0

2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
■新帮装机/MW
42
66
98
197
507
1288
3311
6154
13803
18928
17631
12960
■黒计装机/MW
381
448
546
745
1250
2537
5848
12002
25805
44733
62364
75324
裁索来源：CWEA

2001-2012年中国新增及累计风电装机容量
3

嘉兴学院本科生毕业设计

勤据来源：CWEA

2006-2012年中国各区域累计风电装机容量
1-3本论文的主要工作
在学习和掌握风力发电机组的基本控制要求和控制策略前提下，对定桨距 风力发电机组控制系统仿真方而作初步的探充和研充。以使学生对大学所学的 电气系统知识、自动化知识、电子技术和计算机技术知识综合运用于解决工程 实践问题的能力进行有效的工程训练。
1.3.1课题的研究内容和基本要求[7]C8][9]
主要是通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风 力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，验证风 力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并 利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。以便通过控制 系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化 功率曲线的控制功能。
1. 风力发电系统的基本原理
a） 了解风力发电的基本原理，以及当前的发展及应用情况。
b） 风力发电机的结构与组成等。
2. 风力发电控制系统模型的建立。
a） 结合控制系统工作原理，风力发电系统的控制策略。
b） 利用软件建模。
c） 仿真，特例举例。
4

风力发电系统的建模与仿貞

1. 3. 2研究方法步骤
本设计是以我们学校现有的5KW风力发电机为原形进行的建模与仿真。具 体方法步骤如下：
第一步：大量査阅国内外风力发电的相关资料，了解风力发电技术的发展 趋势和最新动态。
第二步：确定风力发电机组的数学模型，主要有风速模型，风力发电机气 动性能模型，传动系统动力学模型和感应电机模型。
第三步：学习MATLAB使用方法，研究MATLAB仿真建模的相关理论并使用 其建模和仿真。
第四步：利用MATLAB仿真软件搭建仿真模块准备仿真。
第五步：对风力模型进行仿真并分析仿真结果。

风力发电系统的建模与仿負

2风力发电系统的基本原理
2.1风力发电的基本原理询皿
风力发电的原理是利用风带动风车叶片转动，将风能转化为机械能，然后 机械能带动风力发电机发电。

风力发电机主要包含三部分：风轮、机舱和塔杆。大型与电网接驳的风力 发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。
风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动 相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度 .在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能 够直接发产生电网频率的交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Wstas公司的V52-850千瓦风电机 转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操作，风轮的空气动力效 率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。因此， 变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向， 面向来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机臆内的发电机（如果没有 齿轮变速箱则直接传送到发电机）。在风电工业中，配有变速箱的风力发电机 是很普遍的。不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有显著的发 展。
设与塔底的变压器（或者有些设於与机舱内）可提升发电机的电压到配电 网电压（香港的情况为11 T伏）。
所有风力发电机的功率输出是随着风力而变的。强风下最常见的两种限制 功率输岀的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。使用 失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令 风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角 调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转 变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向 来风，从而令风轮刹车。
2. 2风轮机理论
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨 形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。
风轮机乂称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换 装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮 机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。
2.3水平轴风力发电机结构ms
风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发 电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮 旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的 将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如图2-2。

1、叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机
8,轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统
图2-2风力发电机组结构示意图
7

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2.4定浆距风力发电机组皿国
风力机的功率调节完全依靠叶片的气动性能，称为定浆距风力发电机组， 定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风 速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。风力机获得的功率随风速不停的变 化。发电机发电机工作与同步转速附近，而风电机组一般工作在小于額定风速 时风轮机的转换效率Cp的最佳区段。当风速超过额定风速时，为了确保发电 机输出功率恒定，必须通过叶片失速来降低Cp,来维持功率恒定。定浆距发 电系统的发电机正常工作滑差小于1%,允许的滑差范围一般小于5%,但是风 速变化范围却很大。图2-3为风轮机的典型Cp- X特性曲线。
0.45
0.4
().35
().3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.()5
° 2 4 6 8 10 12 14 16 18
叶尖速比人
图2-3 Cp0,们"关系曲线
2.5永磁同步发电机基本原理
[13]
从上图关系来看，大功率的发电机工作在高风速区段，小功率发电机工作再低 风速区段，通过这种方法来调整叶尖速比人，实现机组在Cp最大下工作。所以 定浆距风力发电机组的浆距角p设定为。度。
S

2. 5.1同步电机基础
同步电机是另一种交流电机。同步电机的特点是在稳定运行时，它的转速
n与定子电流的频率/；有着严格不变的关系，即
〃=〃。邛
式中 ％ 同步转速。
因此而命名为“同步电机二异步电动机中，不存在这种关系，在稳定运行时,

SSS.
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2.5.2
(I) s
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9

风力发电系统的建模与仿負

集电环上，通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。另外，在极靴上还装有 笼型绕组，这种笼型绕组称为阻尼绕组，因为在同步电机非同步转速运行时， 他起着阻尼作用。整个转子由磁极、磁轴、励磁绕组、转子支架（大型同步电 机有）、轴以及集电环等部件组成。

（a）凸极式 b）隐极式
1定子2 凸极转子3 隐极转子4 集电环
图2-4旋转磁极式同步电机结构示意图
2. 5.3同步电机的工作原理
同步电机的工作原理也基于电磁感应定律。当同步发电机的直流电流励磁 的转子由原动机拖动到同步转速〃。时，定子上静止开路的三相绕组（也称电枢 绕组），与旋转转子上的磁极在空隙中所建立旋转磁场相对运动，定子绕组磁链 发生变化，根据电磁感应定律，定子绕组内由此感应产生感应电动势（称为 励磁电动势）见图2-5。改变励磁电流。的大小可相应的改变励磁电动势〃。的 大小。此时同步电机作发电机运行而呈空载状态。在同步转速下，励磁电动势E。 与励磁电流匕的关系，称为发电机的空载特性，其意义、性质以及测取方法和 直流发电机的一样。
同步电机空载运行时，其端电压Uq = EqO当定子绕组接上对称负载，同步 发电机就处于负载运行状态，此时原动机向发电机输入机械功率，发电机从定 子绕组输出电功率，经行机电能量转换。这就是三相同步发电机的工作原理。
(a)同步发电机示意图
(b)三相电动势向量图

图2-5同步发电机工作原理示意图
同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按发电机方式运行，也 可按电动机方式运行。当原动机拖动同步电机并励磁时，电机从原动机输入机 械功率，向电冋输出电功率，为发电机运行方式。当同步电机接入电网并励磁, 拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率，为电动机运行方 式。
1

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3风力发电系统的建模115111611,711181
3. 1风速模型
由于风速具有随机性和间歇性的特点，这里风速模型釆用四分量叠加法的 风速模型：〃 二 % + %+「+匕，包括：基本风，阵风，渐变风，随即风丈。
(1)基本风：基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定
(3-1 :
尺度参数A和形状参数k可根据风电场的实测数据估算。
在实际与仿真时我们近似认为町是一个不随时间变化的分量，也就是取
vb为一个常数。
▲ V(m/s)
耻
t/s
图3-1基本风风速变化曲线
此模块使用uconstant
”模块，即
H
Constant
基本风速设置为

2

(2)阵风：描述风速突然变化的特性，通常用来分析风电系统对电网电压波动 的影响
<7；
t — T
(3・2)
1 —cos(2tf -
式中，七为阵风风速，单位m/s： 为阵风峰值，单位m/s； T1为阵风
开始时间，单位S；孔为阵风周期，单位s： t为时间，単位&
阵风风速随时间变化曲线如图3-2
风力发电系统的建模与仿貞

阵风模型如下图3-3所示
e
Scope
0.03
T1
Add2
cos

T1+Tg

T。
TT
T ngonometric Gain Function
Add3
Product of Elements2
Productl
Constant14
Vgmax
Products
+口
Scope2
Galnl
Outl
Switch3 Constant 1 Swiich2
/2
Constanl18

图3-3阵风模型
参数设置：％旳设置为6m/s, T1设置为0.03s,，设置为0. 05s°
（3）渐变风：描述风速渐变的特性
0/ V7；”，＞兀2 +了
(3-3)
Vrmax
VrmaxX2 < ^ < ?；2 + T
式中，匕为渐变风风速，单位m/s,匕为渐变风峰值，单位m/s； T为
渐变风持续时间，单位s； Tri为渐变风启动时间，单位s； Tr2为渐变风结束
时间，单位s。
渐变风随时间变化曲线如图3-4所示

风力发电系统的建模与仿負

图3-4渐变风随时间变化曲线

渐变风风速模型如下图3-5所示

图3-5 渐变风风速模型
参数设置:vrmax设置为6m/s, Tri设置为0. 04s, Tr2设置为0.04s。
（4）随机风：描述在特定高度上风速变化的随机特性
v/ =小,〃（T，l）COS@V + 晚,） <3-4）
式中，马为随机风的风速，单位m/s；卩血“为随机风的最大值，单位 m/s； 为T和1之间均匀分布的随机变量；口I’为风速波动的平均距离，单
位rad/s：弗为0-2）间服从均匀概率分布的随机量。此模型使用MATLAB的 **Random number '* 模型，即： 四
Random
Number
风速综合模型如下图3.6所示

图3.6风速综合模型
3.2风力发电机组气动性能模型
一台风轮半径为R的风轮机，在风速为v时，所产生的机械功率为:
& =岑。*，小 3
(3-5)

其中人为叶尖速比，表达式为：义=——
V
机械转矩为:

(3-6)

式中，P为空气密度，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3： v为
通过风力机叶片的风速；©为叶片旋转角速度，现代定速风电机组的风机转速 为15~2（k/mm,本文中取20r/mm： Cp （ 6 ,人）为风轮机的功率系数：Cp与 叶尖速比X和叶片浆距角B有关，关系式如下
(3-7)
C〃 = O.5(字-0.022/7-2 厂°・255尸弓/人
式中，Cf为叶片设计常数，本文中取值为3, r取12.
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根据不同的0、人取值，可得到Cp曲线如图所示，从图中可以看出，对于 某一确定的浆距角F，Cp有一极大值存在，也就是说，当风力机在运行时不能 保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出。Cp的理论最大值为0.593,这 就是著名的Betz极限。
图3・7
Cp(A.fl)-A关系曲线

Cp的模型如下图3-8所示:
9 lamda
，C
beta
Product of Gain Elements
Gainl
Add
2
gc】
n
Math
Function
Product of Gain2 Elementsl
Produc
Gain3

图3.8 Cp仿真模型
风力发电系统的建模与仿負

风力机仿真模型如下图3-9所示:
图3-9风力机仿真模型

I

3. 3传动齿轮模型
风力发电传动系统的作用是把原动部分的运动转变为执行部分所需的机械 动作，即把风通过风力机所产生的气动转矩变为发电机侧的机械转矩。因此传 动系统是能量传输的纽带，同时，传动系统的运动取决于驱动力及阻力的特性。
风轮机传动齿轮示意图如图3-10所示，忽略转轴的倔强系数、阻尼因数， 通过力学分析，可知风力机转轴到发电机转子之间的机械传动部分的数学方程 为：
—乙
dt
(3-8)

7丄=K /紐 (3-9)
切分别为风机的转动惯量和机械转速；L、丁加分别为经过传动齿 轮低速轴和高速轴上的机械转矩；4为齿轮箱的变比。
风力发电系统的建模与仿負

图3-10风轮机传动齿轮示意图
传功齿轮模型如下图3-11所示:

f

图3-11传动齿轮模型
3.4三相同步发电机模型
传动模型
气动转矩Ta和电机电磁转矩Te变化时，风力发电机风轮机转子将加速或 减速运行，对于直驱型永磁同步发电机，假定转子与电机之间为刚性连接，则 传动模型可由式（3-10）表示
(3-10)

式中：7；为传动损失，T. = B W，5〃为转动粘滞系数，，。是机组等 效转动惯量，本文中所研究的直驱型永磁同步发电机组的转动惯量为式（3-11）
Jeq = . + Jg （3-11）
式中丿『和丿,分别为风轮机和电机的转动惯量。
感应电机模型
（3-12）
本系统中采用的是永磁同步发电机，主要分析永磁同步发电机的动态性能, 基于4旋转坐标轴建立起数学模型如下：
”當=%■— R'd +勺_〃 m i
Ld A 上 55
clLt u.t Ri“ L . . A/? 回”
式中：时和，/分别为发电机的d轴和q轴电流：心和厶分别为发电机的d 轴和q轴电感：匕和虬分别为电压源d轴和q轴分量；R为定子电阻：%为 转子的机械角速度；土为发电机转子极对数；人为永磁体磁链。
PMSM的电磁转矩表达式为：
Te = / —Lq）i] + A]
（3-13）
以上两个模型集成与PMSM模块中，即
Peemarefit Magnet SynchfQDoixs Machinal 永磁同步发电机模型如下图3-12所示：
Measurement Demuxl

图3-12永磁同步发电机
八为风轮机产生的轴机械转矩,is_cibc为定子三相电流，C*为转子角速度，7； 为电磁转短。
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3.5风力发电系统整体建模
将以上建立的各个子模块封装并按照预先设计方案经行连接，搭建整个自 建的风力发电系统。在Simulink下搭建的系统仿真模块如图3-13所示。

Demuxl

图3-13风电系统仿真
风力机的设计额定风速为9.5m/s,永磁同步电动机失速转矩为-175N-m,额 定转速为3000Mnim在不影响仿真效果的情况下，系统的仿真时间设置为0.1 秒。
2

风力发电系统的建模与仿真

4风力发电系统的仿真分析
为有效仿真系统各部分的特性，在模型中设置基本风速为3m/s,阵风峰值 为6m/s,渐变风最大值为6m/s,随机风最大最小值分别为2.5m/s和Om/s。风 速仿真效果如下图。

2

风力发电系统的建模与仿負

图4.5综合风速图
图44是基本风风速仿真图，基本风风速为3m/s,图4-2是随即风风速仿 真图，考虑到风电机会随风向改变，所以最小风速为Oin/s,最大风速为2.5m/s, 图4-3是渐变风风速仿真图，其0.04s〜0.06s作用，保持0.02s,醉倒风速为6nVs, 图4-4是典型阵风风速仿真图，该阵风0.025s~0.08s作用，最大风速为6ni，s° 图4-5是前而四种风速疊加仿真图。

（C）齿轮箱高速轴输出转矩

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图4-6综合风速影响卜•风电机组单数变化曲线

在综合风速影响下，风力机带动永磁同步发电机旋转发电，发电机个参数 随风速变化曲线如图4-6,图(a)是风速综合仿真图，由于风力机最大额定风 速为9.5m/s,所以可以看到在风速达到最大值是保持最大，图(b) (c)分别是 风力机输出功率变化曲线和齿轮箱高速轴输出转矩，由于功率与转矩之间的比 例关系，曲线的形状大致相同。图(d)是发电机三相输出电流曲线，图(e)
(f)分别是发电机转子角速度和发电机电磁转曲线，注意到在0.04s之前风速 变化较小，转子角速度和电磁转矩变化较小，0.04s之后风速变化较大，转子角 速度和电磁转矩随风速变化明显。
上图是在短时间内风速变化较大的情况下做的仿真，其中发电机在风速变 化情况下转子转速和电磁转矩的细节变化未能清楚观察到，所以设置一个特定 的风速，假设风速在Is时刻从6m/s发生阶跃变化到9ni，'s时，风电机组中机械 量及电气量的变化曲线如图4-7所示。

S)风速阶跃变化
2

风力发电系统的建模与仿真

2

:b）风力机输出功率

风力发电系统的建模与仿負

2

(f)发电机电磁转矩

0 2 4 6 8 10 12 14 16

图冬7阶跃风速变化下风电机组参数变化曲线
0.5
0 4
03
32
11
0
图4-8 G"关系曲线
图・8是当浆距角P=O时，功率系数7与叶尖速比)的仿真曲线，图中当2=6 时，％达到最大值0.43o
5总结思考
本文先对风力发电的研究背景和意义作了说明，现今世界，能源问题日益 突出，作为清洁能源，硏究风力发电意义重大。然后对国内外风力发电的发展 状况作了阐述，国外风衣发电起步早，技术成熟而且规模大，国内风力发电虽 然起步晚，但是发展迅速，有很大的发展前景。第三部分是对风力发电机的原 理作了说明，风力发电机的种类繁多，这里对永磁同步发电机的原理结构作了 介绍。最后一部分是本文的核心部分，利用MATLAB软件对风力发电系统进行 了建模，然后整体仿真，得到了一系列仿真曲线，通过分析曲线，基本能够反 应出实际系统的运行情况。本文在进行建模与仿真的时候，在很多地方作了简 化，现说明如下：当风速很小的时候，虽然风轮在转动，实际发电机并没有在 发电，这里的风力机作定速风机讨论；这里的风力发电机是定浆距风力发电机, 即规定了某一个浆即角，不能随着外界风速的变化而改变：在传动系统建模时, 没有考虑能量损失耗，只是能量的传递。
风力发电资源丰富，技术成熟，可靠性高，成本低且效益显著，在新型能 源中发展较快。本论文通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以 及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分 析，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过単曲线绘图对模拟结果进 行了分析，从仿真图形分析，能够基本反映风力发电机的运行情况。
风力发电系统控制策略是以风速的变化为依据，风能的最大利用效率为目 的，为优化风力发电系统运行特性提岀的控制方案。变桨距控制系统的设计主 要采用PI控制器，根据发电机有功功率输出和风轮机转速反馈来调节桨叶节 距。
通过风轮机桨距角控制系统对叶片桨距角进行控制，使风力发电机组的机 械部分与发电机的电气部分配合，达到提高风能利用效率及改善供电质量的目 的。利用风力发电样例系统来验证控制系统的可用性，并对各种仿真曲线进行 分析，从而得出结论。
根据风速模型的仿真曲线，分析风轮机和发电机各部分曲线的变化情况和 整个系统的仿真曲线图。在并网以前电压的波形基本上是正弦形状的，转速基 本上是稳定