分布式风力发电建模.docx
分布式风力发电模型建立1. 前言在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能 源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环 保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可 再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一 种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引 起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风 力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机 将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每 秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。因为风力发电不需 要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，风力发电正在世界上形成一股 热潮。风力发电系统的模型主要包括风速模型，传动系统模型，发电机模 型。本次课程设计就从这几个方面建模研究。2. 风速模型建立自然风是风力发电系统能量的主要来源，它的速度方向是不断变化 的，具有很强的随机性和突变性。为了简化风力模型，我们没有考虑风向 问题，仅仅是从风力变化特点出发，着重描述风速的随机性和间歇性。风 速一般由四个分量构成：基本风速匕、阵风风速、阶跃风速咋和随机 风速（噪声风速）Vn。所以模拟风速模型为：V = Vb + V + 匕 +匕2.1,基本风速9基本风速在风力机正常运行时是一直存在的，基本反应了平均风速变 化。所以，我们将基本风速设定为一个定值，采用一个阶跃信号对其进行 模拟。其仿真图和曲线如图所示。图2.1.1基本风速仿真图2.1.2基本风速曲线2.2.阵风阵风体现了自然风的突变性，在阵风持续时间内，风速体现为余弦特 性，具体数学表达式为：G y max g 170I I I I I I I I 1 <l 呵 II Ill llll I, 1-*2£-判,口疽< 也+ *o I I I I I Fl I 树 111+ il I I I I I I I I ,式中t为时间，单位s；Clock；Gmax为阵风的最大值，单位m/so 仿真图和曲线如图所示。ScopeProduct图2.2.2阵风曲线图2.2.1阵风仿真2.3.阶跃风阶跃风描述了风速缓慢变化的特点0Rmax匕=*2 -tl吊点，其鄙的数学公式广-(njl 虬心Rmaox l Ill ¥祜3部巾 Tn,式中t为时间，单位s；*为阶跃风的最大风速持续时间，单位s；Tg为阵风的周期，单位s； t1g为阵风的开始时间，单位st!r为阶跃风的开始时间，单位s；巳为阶跃风最大风速的开始时间，单位s； Gmax为阵风的最大值，单位m/so 仿真图和曲线图如图所示。图2.3.2阶跃风曲线2.4 .随机风速随机风速描述了相对高度上的风速变化特点，我们采用了随机数的方 式进行的模拟，仿真曲线如图所示。图2.4.1随机风曲线踱机风速2.5.自然风速模拟将以上四种风速成份相互叠加，就形成的自然风的特性，整体的仿真 图和曲线如图所示。riEElKilna匚口兰Mg1图2.5.1自然风速整体仿真随风起始时间E最大风读持续时iE；K阱风周期14HelpApply|Source lock Parameters:实=?速图2.5.2自然风速参数设置实际顷速图2.5.3自然风速曲线3. 风力机模型建立风力机是风力发电系统中将风能转化为发电机可用的机械能的最重要 的部件。风以一定的速度和角度作用于桨叶上，进而转化为旋转力矩使得 桨叶旋转，将风能转化为机械能，风力机是发电机能量的来源。风能的大小与气流的密度和通过面积成正比，与气流流速的立方成正比。风力机实际得到的有用功率的表达式简化如下:? = 0.5p“R2 匕 3Cp0Q风力机获得的气动扭矩表达式简化为：7； = 0.5p“R3 匕2&0Q式中：?表示有功功率，单位为w；p表示空气密度，单位为Kg/m3 ；日表示风轮机转动半径，单位为m；匕表示风速，单位m/s；Cp表示风能利用系数，&表示气动转矩系数，并且有： Cp=M3入=淫W入称为叶尖速比；3为风轮角速度，单位为rad/s通过有关研究资料查找，风能利用系数Cp值可近似用如下公式表示:“(4 3)Cp = (0.44-0.0167幻 sin- 0.00184以一3)#6为初始的桨距角。根据以上公式建立仿真模型，如图所示。图3.1风力机仿真15-0邵图3.2风力机参数设置系统输入为风速、风轮机转速和初始桨距角；输出为功率和转矩。4. 传动系统模型建立由于风力发电机启停频繁，风轮具有很大的转动惯量，因此风轮机与 发电机之间需要设置增速器。为了简化传动系统的数学模型，我们在对其 进行建模时认为传动系统是刚性的，且忽略风轮和发电机的传动阻尼，最 后传动系统的简化运动方程为：d -S + 页= T,-nT。式中g为风轮机转速，发电机转速与 = ns；Jr为风轮转动惯量，单位kgm ；九为传动比；Jg为发电机的转动惯量，单位kgm2；Tg为发电机的反转矩，单位Nm；根据上述公式建立仿真模型，如图所示。图4.2传动系统参数设置系统输入为风轮转矩和发电机的发扭矩，输出为风轮转速。5. 发电机模型建立风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，这样不仅提高了低功 率时发电机的效率，而且还改善了低风速时的叶尖速比，提高了风能的利 用系数降低了运行时的噪音。本次建模并没有考虑变频装置模型，简化了 发电机的模型。发电机的反扭矩方程为：gm1U12r 2(G g ) (f °1 2 "i ) +(% + C y' )2 3g，1% - G I% 十 L1 2以 式中：g为发电机的极对数；rn1为相数；U1为电压；C1为修正系数；g为发 电机的当量转速；为发电机转速；%为发电机的同步转速；r1, x1分别 为定子绕组的电阻和漏抗；"1和x'1分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗， 单位为Q。根据上述公式建立仿真模型如图所示。Baulin:图5.1发电机仿真阳I Function Block Paramet?r£!发电机XParanieters发离机根对数岌电机相数发电机同步转速上必I1500岌电机修正系数0. 813定子投蛆漏抗（0.扇笔I定子缰组电阻（口相I0.00169归算后转子缰蛆电阻fQ）I0.00240归真后转子绕组揣坑。JI0.03759；;0KCancel Help App Ly图5.2发电机参数设置系统输入为发电机的转速和电压，系统的输出为发电机的反扭矩。6. 风力发电机整体模型建立对于整体建模，由于各个模块都比较复杂，所以我们采用子系统的方 式，分别形成自然风子系统、风力机子系统、发电机子系统和传动系统子 系统。形成的整体模型如图所示。F&.76衰电M拈于肝速Pffiduel凤力邪功柬E>Fram电压瑜风速max发电机附机电压-HTrO发电机临出功幸mas图6.1风力发电整体建模方正由于仿真刚开始是风轮转速为0,所以整个系统无法正常运作，为了使 仿真模型在开始时有一个足以使仿真运作的初速度，系统添加了一个逻辑 运算，设置了一个初始风轮转速口支=0.15rad/s。7. 仿真结果风力机输出功率风亏机转距同H川图7.4发电机输出功率图7.1风力机转速图7.2风力机输出功率发电机输出冲率发电机转速gw利图7.3发电机转速8.结束说明风力发电系统仿真结束，本次仿真所用到的参数如下表所示:名称代号数据名称代号数据空气密度P1.2236 Kg/渺发电机转动惯 量97.5Kg.m2叶轮半径R38.5m发电机同步转 速%1500 r/min桨距角60°发电机修正系 数q0.813发电机电压E390V定子绕组电阻0.00169Q风轮转动惯量Jr3.2753x 106Kg. m2定子绕组漏抗%10.03692Q齿轮箱传动比n75.76归算后转子绕 组电阻弓0.00240Q发电机极对数92归算后转子绕 组漏抗*20.03759Q发电机额定功 率P N1500Kw发电机定子相 数m413
