组合风速与风力机功率的Matlab仿真分析

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文组合风速与风力机功率的Matlab仿真分析院 部 机械与电子工程学院专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 2015届 学生姓名 张爰栋 学 号 20110795 指导教师 张传洋 副教授 二一五年六月一日装订线. . . 26目 录摘要IAbstractII引言11 风力发电技术综述11.1 选题背景与意义11.2 风力发电技术发展历史与现状21.2.1 风力发电的发展历史21.2.2 风力发电技术发展状况41.2.3风电国外现状41.2.4 风电国内现状61.3 风力发电机组类别61.3.1 双馈式风力发电机组71.3.2 直驱式永磁风力发电机组71.4

2、双馈变速恒频风力发电机组71.4.1 双馈变速恒频风力发电机组结构71.4.2 双馈变速恒频风电机原理81.5系统仿真技术的发展现状92 风速模型与仿真92.1 单一风速模型与仿真92.1.1 基本风速92.1.2 阵风风速102.1.3 渐变风速122.1.4 随机风速142.2 组合风速模型与仿真153 风力机模型与仿真163.1 风力机及其模型163.1.1 理想风力机的功率输出163.1.2 实际风力机的功率输出173.1.3 实际风力机功率输出模型183.2 风力机仿真结果分析204 结论与展望20参考文献22致 谢23附录24ContentsAbstractIIIntroducti

3、on11 Summarization of the wind turbine11.1 Background and Significance11.2 The history and present situation of wind power development21.2.1 History of the wind turbine21.2.2 Wind power technology development41.2.3 Wind power abroad41.2.4 Domestic current situation of the wind turbine61.3 Species of

4、 the wind turbine61.3.1 Doubly-fed wind turbine71.3.2 Direct drive permanent wind turbine71.4 Variable speed wind turbine71.4.1 Construction of variable speed wind turbine71.4.2 Theory of variable speed wind turbine81.5 Current situation of the simulation92 wind model and simulation92.1 Single wind

5、model and simulation92.1.1 Basic wind speed92.1.2 Gust wind speed102.1.3 Gradient wind speed122.1.4 Random wind speed142.2 Combination of wind speed153 Wind turbine model and simulation163.1 Wind turbine model163.1.1 Power output of the ideal wind turbine163.1.2 Power output of the actual wind turbi

6、ne173.1.3 Actual wind turbine model183.2 Analysis simulation of the wind turbine204 Conclution and prospection20References22Thanks23Appendix24组合风速与风力机功率的Matlab仿真分析张爰栋 （山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：风力发电机是风力发电过程中最为重要的成分之一，是完成风力发电过程中必不可少的成分。现实中，大自然的风速不断的随机变化，风力机组也就要面临着多种随机变化的工作情况。因此风力机建模与仿真对风电机组整体的研究分

7、析起着至关重要的作用。本论文主要针对风力发电系统中随机变化的自然风及风力机通过matlab进行了数学模型的搭建。并运用Matlab软件中的Simulink环境下分别进行模拟现实来得到仿真图形，而后对各个仿真图像采取系统分析，进而把组合风速作为发电系统中风力机的输入在Matlab软件的Simulink环境下再次仿真，通过研究仿真结果可以知道的风力发电机组运行功率的实际情况，从而在现实中更好的实现风力发电。关键词：基本风速 阵风风速 渐变风速 随机风速 组合风速 风力机模型Combination of wind speed and wind turbine power based on Matla

8、b simulation analysisYuandong Zhang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract Wind turbines is one of the most important component of wind power ,wind power is to realize the essential ingredients. Reality, continuous stochastic

9、nature of wind speed, wind turbine will also face a variety of random variation work. Therefore the modeling and simulation of wind turbines overall analysis plays an important role. This thesis mainly aiming at random changes in wind power generation system of natural wind and wind turbine through

10、matlab mathematical modeling. And using Simulink environment of Matlab software to simulate reality respectively to get the simulation, and then to system analysis, the simulation results and the combination of wind speed as the wind turbine in the power system input to the simulation in Matlab/Simu

11、link environment, through the study of wind turbine simulation results can know the actual situation of operation power.Key Words: Basic wind speed; Gust wind speed; Gradient wind speed; Random wind speed; Combination of wind speed; Wind turbine model引言当今社会，世界经济快速增长，随之越来越多的企业产生并随之壮大，人民的生活水平也不断的进步，伴随

12、着生活水平的提高必定造成人们的生产生活所用电量也不断增长。目前世界上有多种发电方式，我们比较熟悉的是火力发电跟水力发电，当然还有太阳能与核发电这几种。对比这些的发电形式，风力发电是使用风能，风能是大自然的产物是可再生的资源，对比火电与核电来说环境效益好，永不枯竭。除此之外，依靠燃料发电会向大气排放大量的温室气体，导致全球气候变暖，上世纪70年代，人们已经开始认识到化石能源发电给社会带来的不良影响，再加上化石能源危机，因此为了解决环境问题，缓解能源危机，造福子孙后代，人们开始迫切的寻求其他的方式来代替化石燃料，其中利用可再生能源风能的风力发电技术较为成熟、可行性相对较高，因此，风力发电逐渐备受世

13、界各国的重视。1 风力发电技术综述1.1 选题背景与意义我们都知道，风能不同于其他能源，它具有永不枯竭的优点。风力发电机采取的原理是把庞大的风力资源转化为电能来供人们利用。据材料记录人类从很早就已经使用风能来提供动力，驱动帆船是最早对风能的利用，从公元前5000年人们通过风力驱动航船沿着尼罗河逆流而上，到公元1000年维京人开始利用风能来对大西洋进行开发利用。风能比较其余能源具备较为显著的优势，再者风能具有较高的经济可行性和相对较为成熟的技术,凭借着这一优点风能立即跻身世界新能源领域的焦点，并被利用在发电上，我们称之为风力发电。1992年的世界环境与发展大会重点强调了可再生能源的开发及利用对环

14、境与社会发展具有深远的意义,这一主题迅速在世界各国达成共识。可见开发利用新能源对每个国家都是十分迫切需要的。风能的开发与利用对电力工业进行了重新塑造,给面临着能源危机的电力工业带来了转机，也为能源危机带来了新的福音。风力发电技术的应用从八十年代中期以来受到普遍重视,随着科学技术的不断突飞猛进,尤其是是尖端航天技术、空气动力学和大功率电力电子技术逐渐应用于新型风力发电机组的开发与研制中,使风力发电迅速发展起来。我国人口众多，而化石能源特别是煤炭和石油的严重不足,生产量远远满足不了人们的需求，随着时间的推移，能源的消耗逐渐增加，同时由于煤炭、石油的大量使用，中国也成为重要的石油的进口国之一,并且进

15、口石油的数量逐年上升,对国际能源市场的依赖性也越来越大。下图是从2000年到2012年我国石油可供量、石油生产量、石油进口量的数据。表1-1石油可供、生产、进口量时间石油可供量（万吨）石油生产量（万吨）进口石油量（万吨）201257864.720747.833088.8201145659.220287.631593.6201044187.420301.429437.2200938462.818949.025642.4200837318.819044.023015.5200736648.918631.821139.4200634930.018467.619453.0200532539.11813

16、5.317163.2200432116.217587.317291.3200327540.516960.013189.6200224925.116700.010269.3200123204.716395.99118.2200022631.816300.09748.5通过上表1-1可知，进口量逐年增长，因此开发和利用环保经济的新能源变得更加迫切。我们中国的风力资源非常丰富，已探明的风能理论储量是32.26亿千瓦 ，因此有效的开发和利用风能已经成为我国实现可持续发展和保护生态环境的基本国策之一。风能对比其余的可再生能源，如光伏、潮汐能、海浪能，风力发电又是一种技术上比较成熟而且比较容易掌控的可再生

17、能源，所以在面对能源危机的今天对其的研究与开发具有十分重要的意义。1.2 风力发电技术发展历史与现状1.2.1 风力发电的发展历史风力发电于19世纪末和20世纪初期开始出现，并且德国、法国、丹麦、苏联和美国先后研制了用于实验性的风力发电机组。1890年，丹麦政府就开始制订了一项对于风力发电的方案，18年的不断研究与努力之后，首批72台单机功率为5-25千瓦的风力发电机诞生了，随后发展到120台。发展到今天，丹麦已经逐渐发展为世界上风力发电设备的生产大国。一战期间，战争促进了螺旋桨式飞机的发展，近代空气动力学理论对其的研究与发展起了至关重要的作用。于1931年，世界上最大的一台采用螺旋桨式叶片设

18、计的30千瓦的风力发电机在前苏联设计建造成功。随着工业技术的不断发展，风力发电技术的研究热潮开始在世界各国迅速展开。在1941年， Smith-Putnam风机在美国诞生，该风机的同步发电机为1.25MW，叶轮直径为53米，由不锈钢制成的风叶与主轴相连接。风机通过对液压的控制来改变桨距从而实现对转速和功率的调节与控制。Smith-Putnam风机有效结合了机械工艺技术与空气动力学，代表了当时风力机的技术发展水平，可惜，这台大型的Smith-Putnam风机并没有运行很长时间，1945年因故障被迫停止运行。第二次世界大战后，由于战争带来的影响，化石燃料的价格降低使风力机发电的步伐进一步放缓。但是

19、这并没有影响到局部地区风力发电的发展，相反一些小型的风力发电机在美国的一些迫切需要电力的边远地区得到了迅猛的发展。 Jacob兄弟发明了通过三个小叶片直接驱动直流发电机的Jacobs小型风机。很快这种发电机被大量的生产并使用。上世纪80年代大型风力机的商业化逐渐来临，其首先出现于以丹麦为代表的北欧，随着不同种类、不同原理的风机的接连问世，市场竞争也越开越激烈起来， 三叶片风力发电机逐步突出成为风力发电机的主流。总之，风力发电在一百多年的曲折发展中不断地尝试与创新，当然，在此期间，有过成功，也有过失败，但是无论成败都为风力发电技术的更好利用积累了宝贵的经验，在未知中不断探索，在失败中不断改进。风

20、电技术也开始有大陆向海上发展起来，我们中国也已经建造海上风电场。风能作为在世界上占有重要地位的主要能源之一，到2007年全球风力发电新装机容量为20000MW，而全球各种发电总的为94112MW。与2006年的市场容量相比，增加了31%，装机容量增加了27%1。 图1-1 世界风力发电装机容量增长从以上的柱形图可以清楚地看出从2000年以来世界风力发电装机容量呈现明显的增长趋势，并且随着年份的增长速度逐渐加快，从2001年的2390经过7年迅速增长到2007年的93889，再到2013年达到近320000，可以看出运用风力来发电具备良好的发展潜力。1.2.2 风力发电技术发展状况风力机技术是一

21、种相对来说性价比较高的技术，风电技术也逐渐成为一些科研人员研究的热点。风力发电的过程跟电风扇的工作原理相反：由风能到机械能再到电能，风扇则是通过利用电能转变为风能。其中，整个过程的重点是将机械能转换为电能的过程，因此风力发电技术研究的一个重点，就是研制一种发电机系统，这种系统要有利于风电的转换。随着时间的推移，新技术的不断开发及利用，全球的累计装机容量也随着时间逐渐的快速增长。由GWEC全球风能协会2的统计，2000年，世界风力发电总的容量为17400MW，2013年增长到318105MW，如表1.2所示。表1-2 2000年至2013年全球风力发电累计装机容量年份（年）累计装机容量（MW）2

22、00017，400200123，900200231，100200339，431200447，620200559，091200673，938200793，8892008120，6242009158，9752010198，0012011238，1262012283，1942013318，105从上表1-2可以看出，2000年全球的累计容量为17400兆瓦，并以较快的速度逐年增长，并且增长速度越来越快，到2013年，装机总容量已经达到318105MW，可以发现，风力发电技术正在迅速的增长，相信这种增长势头将会继续持续下去。1.2.3风电国外现状19 世纪末，用于发电的风力发电机组首先由丹麦人研制成功

23、，并建成了世界上第一座风力发电站3。紧接着，世界各国开始探索研究，直至今天，世界上越来越多的国家致力于风力发展。 20世纪80年代以来，随着工业的不断发展，对电力的要求也就不断地增高，一些西方的发达国家在风电方面取得了突出的成就。比如，美国的水平轴发电机组、加拿大的立轴达里厄风力发电机组。除此之外，在欧洲的许多国家，l00MW以上的发电机组也得到了快速的发展，90年代中型大型的风电场主要风电机组的单机容量已经实现200到600KW。随着对风电的不断开发与利用，技术的不断改革，新产品的不断发明与投入，相信风力发电的成本也将不断地减少。 上世纪九十年代以来，世界风力发电累计装机容量平均每年超过20

24、%，除此之外，在现有的风力发电机组总装机容量159.213GW中，绝大部分为陆上风力发电机组，海上风力发电机组仅占很少的一部分为1.9559GW，约占1.23%。相比内陆，海上风特性对比内陆更加稳定，风力方面也更加具有优势，所以，许多有海外发展条件的国家开始将风电的发展方向海上发展。美国与欧洲的一些起步较早的国家的风电技术相对于比较成熟 其相关政策也较为完善，因而风力发电在短期内迅猛发展。比如，丹麦的风力发电量占总发电量的市场份额已经超过20%，并且丹麦政府预计2025年底将此份额增长至50%。欧盟也确立了在2020年突破20%的发电目标。图1-2 世界新增装机前十名的国家（2013）图1-3

25、 世界累计装机前十名的国家（2013）上图1-2与1-3为截止到2013年世界风能新增与累计装机扇形图，从图中可以看出，到2013年中国的新增装机容量位居第一，其次是德国跟英国，美国排在第六位。世界累计装机容量的前三名依次是中国、美国和德国，这两幅扇形图说明我国的风力发电装机容量无论是累计还是新增都排在第一的位置，这就要求我国需要保持风力发电的开发力度，利用好丰富的风力资源从而解决能源危机，为人类谋福利。1.2.4 风电国内现状面对环境污染和资源短缺的压力，我国开始学习西方进行开发研究风力发电技术，到2008年底，我国的风电装机总容量达到了1200万KW，成功的跻身于世界前四位，风电装机容量也

26、增长迅速。 当前我国已经有20多个省份建设了风电场，安装了上万台风力发电机组，还建设了多个大型的风电基地，除此之外，在沿海地区，中国还努力研究探索海上的风力资源，利用海风进行风力发电。 下图为从2001年起到2013年我国风电累计装机与新增的装机容量。 图1-4 20012013年我国风电装机累计装机和新增装机容量从上图1-4中不难看出，在起初几年我国的风力发电受到各种方面的影响发展较为缓慢，总量比较少，增长的幅度也不大。从2006年起开始出现转机，总体呈现增长趋势，无论是新增装机容量还是累计装机容量都发展迅速，开始进入风力发展的高峰期。我国具有丰富的风能资源，所以相信随着技术的不断发展，开发

27、领域的不断扩大，风能总量以及风能利用率不断增加。风能发电必将慢慢增大其在发电领域所占的比重，逐渐取代有污染的、对环境产生伤害的清洁的发电方式。除此之外，利用风能这样的可再生能源也是走可持续发展道路，建设和谐社会、和谐世界的重要一环。1.3 风力发电机组类别 根据风力机的发电量可以将风力机分为以下三类：小规模风力机、中规模风力机和公用电网风力机。当前，最具竞争力的风力发电机组的结构型式是异步电机双馈式机组和永磁同步电机直接驱动式机组，大部分机组多采取这两种方式。1.3.1 双馈式风力发电机组双馈风力发电机组就是采用交流励磁双馈异步发电机就是采用交流励磁双馈异步发电机，转子通过变流器并网的一种恒频

28、机组。双馈发电机组的特点是使用双馈绕线式发电机，双端口馈电，定子转子相互切割磁感线并都可以发电。1.3.2 直驱式永磁风力发电机组直驱式永磁风力发电机组4，即风力驱动发电机，也就是平时说的无齿轮风力发电机，用电机和叶轮直接连接，减去了齿轮箱这一结构，结构更加简单，避免了发生齿轮箱的故障。所以增加了发电机组的使用寿命，减小了机组的体积，提高了效率以及较少了维修成本，继而较少了故障时间等。发电机组采用了永磁发电技术5及变速恒频技术两种技术，这两种技术的采用提高了发电机组的效率，同时变速恒频技术还能对其进行无功功率补偿。 虽然这种方式具有一定的优势的同时，也存在着一些缺点和不足，例如，发电机组使用多

29、极低速永磁同步发电机，从而导致发电机直径大，也就增加了制造成本。机组的设计容量的增大，也会给发电机设计、加工制造等带来许多棘手的麻烦。这些方面的困难还需要我们进一步的去不断努力克服，使风力发电机组一直改善，在保证其优点的同时尽量的减少其缺点。1.4双馈变速恒频风力发电机组 1.4.1 双馈变速恒频风力发电机组结构 图1-5双馈变速恒频风力发电机组结构简图图1-5所示的是双馈变速恒频风力发电机6组结构模型结构，风能通过风的形式带动风力机的运转，而后风力机将风能转变成机械能，然后经过转子传递给双馈发电机，再将机械能转化为电能，经过变频器将电能并如电网。同时，电网、并网处母线电压将各自信息实时反馈给

30、转子电气控制部分，也反馈给桨距角控制机构，桨距角控制机构综合风速和反馈信息从而改变桨距角。在风能捕捉方面，此种类型的风电机组相比其他类型具有无可比拟的优势。而且此种风电机组不需要刹车装置来控制转速，减少了机械摩擦和机械故障。本文主要研究风速模型、风力机模型这两部分，对其数学建模并在Matlab软件中Simulink环境下采取仿真，然后对仿真图形进行剖析。1.4.2 双馈变速恒频风电机原理图1-6 双馈型异步发电机原理图7上图1-6为双馈异步发电机，在上图中为定子磁场的同步转速，为转子磁场相对于转子的转速，为转子的电转速，为定子电流的频率为转子的电流频率。由电机学理论可知，电机稳定运行时，定子与

31、转子旋转磁场相对静止，即 （1-1）因及，故有 （1-2）由上式中可以知道，当发生变化时，可以通过调来保持定子输出的恒定，从而实现变速恒频运行。1.5系统仿真技术的发展现状 仿真是伴随着计算机发展而形成的一种实验研究的方法，一开始主要应用于航空航天等少数领域，随着时间的推移与技术的发展，仿真技术逐渐渗透到生活的各个领域。按照仿真实现形式的不同可以将仿真分为三种类型物理仿真、数学仿真、数学物理仿真或者混合仿真。仿真技术的使用方便了我们分析事物的可行性，优化了系统的设计，还可以通过再现故障发现其故障发生的原因，从而验证设计的正确性。系统仿真技术作为一种综合性技术学科在对系统进行设计研究等方面起着重

32、要作用通过仿真技术可以有效地减少设计周期,同时也大大减少了设计时中的费用。仿真技术已广泛用于工程的广大领域,并取得了极大的社会及经济效益8。所谓数字仿真9是指先建立比较系统的数学模型，然后再运用计算机上对之前建立的数学模型进行运行和分析的过程;数值求解则是仿真所采用的在计算机上求解数学模型的方法10。用比较通俗的话来描述，可以形象的把两者比喻成小树跟树林。也就是说,所谓的仿真就是把模型用软件在某种环境下运行出来。由此本文主要对风速和风力机在Matlab软件中的Simulink环境下进行系统仿真，并对仿真结果进行分析。首先对单一风速模型分别进行建模与仿真，然后叠加为组合风速模型来模拟实际风速并进

33、行仿真分析。2 风速模型与仿真2.1 单一风速模型与仿真对于风力而言，它是整个风力发电系统的原动力，风力的变化影响着整个风力机组的运行状况 ，所以为完成风电系统的模拟实验，需要对实际的风场风速情况进行准确有效的模拟。2.1.1 基本风速由风电场测风所得的Weibull分布参数11近似确定 （2-1）式中，为基本风速，单位 ；、分别为威布尔分布的尺度和形状参数；为伽马函数。我们通常认为基本风速是固定的，是不随着时间而改变的。所以可以取为常数，由风速与风力等级的关系,选取清劲风（即风力等级为5级）作为基本风速，即取8。=8 （2-2） 大风的基本风速matlab代码为图2-1基本风速模型 其中 M

34、ATLAB Function 为自定义函数，函数程序代码: function y = fcn(u) y=5; 其仿真图形输出为图2-2 基本风速仿真图形2.1.2 阵风风速有时风速保持不变只是一种理想状态，很难避免其突然变化，为此我们可以引入阵风风速，阵风风速对风力发电系统及其运行的稳定性研究有着十分重要的意义。阵风风速的基本模型如下： （2-3）式2-3中，为阵风峰值，是其单位；为阵风周期，单位为s；为阵风来的时间；t为时间。本文中=10，=10s, ；=2 s。阵风风速matlab代码为图2-3阵风风速模型其中 MATLAB Function 为自定义函数，函数程序代码:function

35、y = fcn(u)Gmax=10;T1g=2;Tg=10;T2g=T1g+Tg;if uT2g;y=0;else a=(u-T1g)/Tg;b=cos(2*pi*a);y=(1-b)*Gmax/2;u=12;end其仿真输出图形为图2-4 阵风风速仿真图形 由上图2-4仿真图形可以清楚地知道，阵风风速在时间t=2s时开始逐渐增大，在大约t=7s时风速达到阵风峰值10,之后风速逐渐的减小，在t=12s时风速降低为0，阵风的变化过程结束。图像显示阵风风速的仿真图形是一个近似对称的抛物线，通过变化曲线的斜率，我们可以知道阵风的风速的变化过程较为迅速，而迅速的变化对风力机的转速产生较大的影响，属于各

36、种风速中波动较大的因子。2.1.3 渐变风速渐变风速数学模型如下或 （2-4）上式中，为渐变风速最大值，单位，为风速渐变的开始时间； 是风力逐渐变化的结束时间，为渐变风保持的时间。本文中=10， =2，=4，=4。渐变风速的matlab代码为图2-5渐变风速模型其中 MATLAB Function 为自定义函数，函数程序代码:function y = fcn(u)T1r=12;T2r=14;Tr=4;a=T2r+Tr;Rmax=10;if T1ru & uT2r; y=Rmax*(u-T1r)/(T2r-T1r);else if T2ru & ua; y=Rmax; else y=0; end

37、end 其仿真输出图形为图2-6 渐变风风速仿真图形上图2-6为渐变风速的仿真图形，由仿真图像可已看出，渐变风风速的图形在接近t=12s时开始迅速增加，并且斜率是恒定，在t=14s时达到峰值大小为10，并保持峰值的风速恒定一段时间，一直持续到t=18s时.渐变风风速迅速变化为0，并且所用的风速减小时间十分短，但是峰值的持续时间相比阵风峰值的时间较长，阵风的峰值时间是瞬时的，而渐变风峰值将持续一段时间，渐变风速对风力机转速变化也会造成较大的影响。2.1.4 随机风速 现实生活中，风力的大小是随时变化的，其大小极其不稳定，为了更好的描述形容风速变化的无规律性，我们可以用随机风VWN12来形容这一风

38、速。随机风速又称噪声风速，贯穿于组合风速的始终13。其数学模型如下： （2-5）其中，为随机风的最大值，取1 ; (-1,1)是从-1到1之间的任意一随机的数；为风速波动的平均距离，一般取0.52，这里取为2。图2-7随机风速模型其仿真输出图形为：图2-8 随机风速仿真图形由仿真图形可知，随机风速在-11m/s之间随机变化，是贯穿于风速始末的噪声风速，这种噪声风速体现了实际风速中的不稳定性，是模拟实际风速的不可缺少的因子。虽然随机风速变化幅值相对前面几种风速较小，但它始终存在，随机风速的随机性也是造成风力机转速随机变化的原因之一。2.2 组合风速模型与仿真综合上述四种风速描述，可组建组合风速数

39、学模型为 （2-6）选定一个风速周期为20s.组合风速的matlab模型见下图：图2-9组合风速模型其仿真输出图形为图2-10 组合风速仿真图形上图为组合风速的仿真图形，通过组合风速的仿真图形可以知道，在一个风速周期（T=20s）内，阵风、渐变风先后作用，而基本风速和随机风速贯穿于组合风速的始终。在这一个风速周期内，阵风风速对组合风速峰值的影响较大，这四种风速的组合叠加可以近似的模拟实际风速，一个较为准确的风速模型对于风力机的出力分析至关重要。3 风力机模型与仿真3.1 风力机及其模型3.1.1 理想风力机的功率输出任意控制体内空气质量方程14如下所述： （2-7）式中，m为空气质量，单位为k

40、g；v为x方向速度，单位；U代表动能，单位为J；A代表流道截面面积，单位为;代表空气密度，单位为，x代表该控制体内空气沿流动方向的厚度，单位为m。假设该控制体内的一条边以速度v沿x轴流动，另一边则固定在原点，则可以看出随着x的增加，整个空气的质量在增加，从而其动能也在增加。风功率P则是动能对时间的导数，计算表达式如下： （2-8）式中，代表空气密度，单位为；A代表流道截面面积，单位为；v为x方向速度，单位。根据参考文献，通常用未受到扰动的来流速度和风轮扫过的面积来表示理想风力机所吸取的能量，表达式如下： （2-9）系数=0.593被称为贝兹（Betz）系数,它表明对于任何风力机来说，最多只能吸

41、取59.3%来流的动能，这里的来流是指速度为未受扰动流速度，流通面积为风轮的扫风面积。对于实际中的风力机来说，由于风力机传动机械摩擦等方面的原因，从风中吸取的功率比这还会低。通常在最优条件下，该比例为35%-40%，也有一部分能到达50%左右。当风力机吸取的功率为来流的40%时，也就意味这其达到了理想条件下风力机的2/3左右水平。考虑到风速和方向的变化以及叶片表面的摩擦等因素，这已经是较为理想的结果。3.1.2 实际风力机的功率输出通常用功率系数来表示实际风力机从风中所吸取功率的比例。得到如下形式： （3-1）式中，R表示风轮半径，单位为m，V代表风速，单位;代表空气密度，单位为.尤为需要注意

42、的是功率系数并不是常数。通常可以将功率系数表示成叶尖速比和桨距角的函数。其中叶尖速比的表达式如下15： （3-2）式中，为风力机转动的角速度，单位为;代表来流风速，单位为.当风速一定时，风力机机械功率的大小取决于的大小。与桨距角、叶尖速比构成非线性关系16。其数学关系式为 （3-3） 其图像为图3-1 与、的关系图像从图像中可以看出，桨距角在9左右，叶尖速比在7左右，其功率转换系数可取得0.4-0.5。3.1.3 实际风力机功率输出模型综合以上论述，可得实际风力机的功率输出模型示意图如下 图3-2 实际风力机功率模型示意图从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分，可以近似用一届惯性环节来描述，如式

43、所示 （3-4）式中，为机械传动部分的时间常数，单位s；为发电机转子轴上的机械转矩，为风力机末端轴上的机械转矩，为： （3-5） 由于本文研究对象为双馈变速恒频发电机组中的风速模型和风力机模型，因此风力机桨距角的类型为变桨距角，并由控制机构控制以配合风速变化。控制机构在本文中非重点研究对象，可将其对桨距角的控制从外部视为功率系数维持在一个较高的值附近，这在实际操作中是可以实现的。同时这对提高风力机捕获风能的效率具有极为重要的意义。由此可将功率系数简化为一个定值， 13。其风力机的MATLAB代码为：图3-3风力机模型上图中zuhefengsu为组合风速的子系统封装，如下所示 图3-4组合风速模

44、型Pm为风力机功率输出的数学模型： （3-6） 其Matlab程序代码为function y = fcn(u)a=1.205;R=25;Cp=0.45;y=0.5*a*R2*u3*Cp;其风力机功率输出仿真图形为 图3-5 风力机功率输出仿真图形3.2 风力机仿真结果分析 上图3-5为风力机功率输出的仿真图形，由上图可知，在一个风速周期内即T=20s,风力机功率的输出功率随着时间不断发生变化，功率的最高值可以达到4500Kw。把功率输出图形与组合风速仿真图形相比较，风力机的功率输出图形的变化趋势与风速仿真变化的趋势基本一致，这也证实了变速恒频风电机组中风力机的转速随风速的变化而变化，其功率自然

45、也随着风速而变化。与传统的恒速风电机组相对比，变速恒频风电机组对风能的捕获效率明显增高，可以凸显出风能高效利用的优势。同时变速恒频风电机组中没有机械恒速控制装置，减少了故障率和机械摩擦，在提高可靠性的同事也降低了制造成本，一举两得。有了这一优势，未来风电机组的发展方向将与变速恒频风电机组密切相关。4 结论与展望本论文的写作目的在于建立基于Matlab/Simulink环境下的风力发电机组中风速和风力机模型的运行仿真,介绍了风速模型在风力发电过程中的重要意义，并采用组合风速模型将各种自然风速进行建模，仿真结果良好的描述了风速的规律性、随机性的特点，说明了组合风速不仅能良好的反应自然风速的特性，避

46、免风速模型计算的复杂性，并且通过有针对性的考验了风力发电系统在不同风速时的性能，为实验室风力发电的研究提供了理论基础。通过模拟现实中风力机运行情况，不断地改进缺点，为风力发电的更好更快地发展起到了十分重要的作用，为更大容量、更高效率并且更加经济的风力发电机组的实现提供实验模拟基础。现在，主要的发电技术由火力发电、水力发电、核发电跟风力发电。火电依赖于化石能源，水电也存在着建造费用高，发电容量小的缺点，至于核电也存在着核辐射的不足。相比之下风力发电的优势比较明显，相信用不了多久风力发电将会成为为人类供应电能的主要力量。论文的研究总结如下：1.课题进行前，对这方面的国内外现状的了解比较少，也比较模

47、糊，所以在图书馆查阅了大量的相关的参考文献，了解了该项目的国内外技术的发展现状，充分认识到了风力发电这一可再生能源所具有的独特优势与发展潜力，同时也感受到风力发电近几年在各国的迅猛发展。总之，利用风能这一不尽的资源进行发电，再加上其技术成熟的巨大优势，因此风力发电的地位是其他可再生能源无法替代的。2. 当今社会，世界经济快速增长，随之越来越多的企业产生并随之壮大，人民的生活水平也不断的提高，伴随着生活水平的进步必定造成人们的生产生活所用电量也快速上涨。风能凭借着它永不枯竭的优点迅速的被世界各国所认可并迅速发展起来。3对机组类别的研究可知当前主要存在双馈式风力发电机组和直驱式永磁风力发电机组这两

48、种风电机组，而其中双馈变速恒频风力发电机组是目前风能利用效率最高的机组之一。其较高的风能利用效率使其具备无可比拟的优势，同时也使技术面临着更高层次的挑战。相信双馈变速恒频发电机组将会成为风电领域的主流机组。4.参考风速理论模型，利用其数学模型在Matlab/Simulink环境下进行风速仿真。首先对其单一风速进行各自仿真并输出仿真图像进行分析，然后将单一风速组合成组合风速来模拟实际当中的风速。对组合风速的输出图像进行分析可知其能较为正确的反映实际的风速情况，为我们今后开发研究更有效便捷的风力发电系统打下了坚实的基础。总之，风力发电是一个十分重要并且较为迫切的话题，怎样更有效的开发和利用风能必将

49、成为今后能源方面的一个重要的问题，因此，这就要求要有更多的人力资源投入到风能这一新能源的开发中去。为世界的高速发展提供能量，为环境的污染减轻压力，在为我们这代人自身发展的同时也为子孙后代造福。我们国家虽然在风力发电这一方面已经取得了一定的进展，但是相比西方的一些发达国家还是存在着较为明显的差距，因此我们应该在保持自身技术快速发展的同时积极的学习和引进先进国家的经验与技术，只有这样我们才能真正的成为世界上的“能源”大国。新世纪的年轻人，必须担起这一重任，为国家、为子孙、更是为自己贡献自己的一份绵薄之力。参考文献1S M Muyeen,Junji Tamura.Stability Augmenta

50、tionof a Grid-connected Wind Farm.Machine Press,2011.1-2.2王化玉.我国风电产业竞争力及影响因素研究.江南大学硕士学位论文,2014,18-19.3 包耳, 胡红英. 风力发电的发展状况与展望J.大连民族学院学报, 2011, 13(l): 1.4张岳，王凤翔.直驱式永磁同步风力发电机性能研究J.电机与控制学报，2009,13（1）：2-3.5夏长亮. 永磁风力发电系统及其功率变换技术J.电工技术学报,2012,27(11):2-4.6王峰,郑旺,朱威，等.变速恒频无刷双馈风力发电机的仿真研究J.变频器世界,2011（11）：1-3.7Morren J, Pierik J T G, Haan SWH de.