分布式风力发电建模

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V b、阵风风速V g、阶跃风速V r和随机风速（噪声风速）V n。

所以模拟风速模型为：
V=V b+V g+V r+V n
2.1.基本风速
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:
V g ={
0 ,t <t1g G max 2[1−cos 2π(t T g −t1g T g )],t1g <t <t1g +T g 0 ,t >t1g +T g 式中t 为时间，单位s ；
T g 为阵风的周期，单位s ；
t1g 为阵风的开始时间，单位s
；G max 为阵风的最大值，单位m s ⁄。

仿真图和曲线如图所示。

图2.2.1阵风仿真
图2.2.2阵风曲线
2.3. 阶跃风
阶跃风描述了风速缓慢变化的特点，其具体的数学公式如下：
V r ={ 0 ,t <t1r R max t2r −t1r (t −t1r ) ,t1r <t <t2r R max ,t2r <t <t2r +T r 0 ,t >t2r +T r
式中t 为时间，单位s ；
T r 为阶跃风的最大风速持续时间，单位s ；
t1r为阶跃风的开始时间，单位s；
t2r为阶跃风最大风速的开始时间，单位s；
G max为阵风的最大值，单位m s⁄。

仿真图和曲线图如图所示。

图2.3.1阶跃风仿真
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
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。

图2.5.1 自然风速整体仿真
图2.5.2 自然风速参数设置
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：
P s =0.5ρπR 2V w 3C P (β,λ)
风力机获得的气动扭矩表达式简化为：
T r =0.5ρπR 3V w 2C T (β,λ)
式中:
P s 表示有功功率，单位为w ；
ρ表示空气密度，单位为Kg m 3⁄；
R 表示风轮机转动半径，单位为m ；
V w 表示风速，单位m s ⁄；
C P 表示风能利用系数，C T 表示气动转矩系数，并且有：
C P =λC T λ=ωV w
R λ称为叶尖速比；ω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C P 值可近似用如下公式表示：
C P =(0.44−0.0167β)sin [π(λ−3)15−0.3β
]−0.00184(λ−3)β β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
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：
(J r+n2)d
dt
=T r−nT g
式中
ω为风轮机转速，发电机转速ωg=nω；J r为风轮转动惯量，单位kgm2；
n为传动比；
J g为发电机的转动惯量，单位kgm2；
T g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4.1 传动系统仿真
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：
T e =
gm 1U 12r′2(ωG −ω1)[(r 1−C 1r′2ω1ωG −ω1)2+(x 1+C 1x′2)2]
ωG =gωg
式中：
g为发电机的极对数；m1为相数；U1为电压；C1为修正系数；ωG为发电机的当量转速；ωg为发电机转速；ω1为发电机的同步转速；r1，x1分别
为定子绕组的电阻和漏抗；r′1和x′1分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，单位为Ω。

根据上述公式建立仿真模型如图所示。

图5.1 发电机仿真
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。

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ωr=0.15rad s⁄。

7.仿真结果
图7.1 风力机转速图7.2风力机输出功率
图7.3 发电机转速图7.4 发电机输出功率
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：。