西南交通大学智能电网实训2017

基于MATLAB的风力发电系统仿真研究学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化学校：西南交通大学

第2章风资源和风力发电2.1风资源的基本原理1、风能的基本情况风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。2、风能资源的估算风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下：式中,——风能密度()，是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量；——空气密度()；——风速()。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。有效风能密度还可根据下式求得图2-2风力发电机组结构示意图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2.5风力发电的特点1、可再生的洁净能源。2、建设周期短，装机规模灵活，可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。3、可靠性高，把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。4、造价低，运行维护简单，实际占地面积小。5、发电方式多样化，既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行。6、单机容量小。

第3章风力发电系统的建模3.1风速模型由于风速具有随机性和间歇性的特点，这里风速模型采用四分量叠加法的风速模型：，包括：基本风，阵风，渐变风，随即风。1、基本风v基本风反映了风场平均风速的变化，风力发电机向电网输送功率的大小主要由基本风决定，它的测得由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定。一般认为基本风在一段时间内不随时间变化，可取常数。图3-1基本风随时间变化曲线图2、阵风v阵风为描述风速突然变化的特性，可假设在该段时间内风速具有余弦特性。式中，——阵风幅值（）；——阵风周期（）；——阵风开始时刻（）。图3-2阵风随时间变化曲线图3、渐变风v渐变风用以描述风场稳态能量随时间缓慢变化的过程，以风速由小变大为例，渐进风可用下式模型：式中，——渐变风的最大值；——渐变风开始时刻；——渐变风结束时刻；——渐变风保持时间。图3-3渐变风随时间变化曲线图4、随机风v描述在特定高度上风速变化的随机特性式中，为随机风的风速，单位m/s；为随机风的最大值，单位m/s；为-1和1之间均匀分布的随机变量；为风速波动的平均距离，单位rad/s；为间服从均匀概率分布的随机量。5、综合风速模型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：其中λ为叶尖速比，表达式为：，机械转矩为：，式中，ρ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15~20r/min，本文中取20r/min；Cp（β，λ）为风轮机的功率系数；Cp与叶尖速比λ和叶片浆距角β有关，关系式如下：式中，Cf为叶片设计常数，本文中取值为3，r取12.根据不同的β、λ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β，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3-4~关系曲线Cp的模型如下图3-5所示：图3-5Cp仿真模型风力机仿真模型如下图3-6所示：图3-6风力机仿真模型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3-7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：、分别为风机的转动惯量和机械转速；、分别为经过传动齿轮低速轴和高速轴上的机械转矩；为齿轮箱的变比。图3-7风轮机传动齿轮示意图传功齿轮模型如下图3-8所示：图3-8传动齿轮模型3.4永磁同步发电机模型1、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，则传动模型可由下式表示。式中：为传动损失，=，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：式中和分别为风轮机和电机的转动惯量。2、感应电机模型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dq式中：和分别为发电机的d轴和q轴电流；和分别为发电机的d轴和q轴电感；和分别为电压源d轴和q轴分量；R为定子电阻；为转子的机械角速度；为发电机转子极对数；为永磁体磁链。PMSM的电磁转矩表达式为：。以上两个模型集成于PMSM模块中。永磁同步发电机模型如下图3-9所示：图3-9永磁同步发电机为风轮机产生的轴机械转矩，为定子三相电流，为转子角速度，为电磁转矩。3.5风力发电系统模型将以上建立的各个子模块封装并按照预先设计方