定速风电机组的仿真
风力发电机运行仿真
基于MATLAB的“风力发电机运行仿真”软件设计摘要关键词1前言1.1 建模仿真的发展现状20世纪50-60年代，自动控制领域普遍采用计算机模拟方法研究控制系统动态过程和性能。
“计算机模拟”实质上是数学模型在计算机上的解算运行，当时的计算机是模拟计算机，后来发展为数字计算机。
1961年G.W.Morgenthler 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为“仿真”是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。
目前，比较流行于工程技术界的技术定义是系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。
仿真的三要素之间的关系可用三个基本活动来描述。
如图1图1系统仿真三要素之间的关系20世纪50年代初连续系统仿真在模拟计算机上进行，50年代中出现数字仿真技术，从此计算机仿真技术沿着模拟仿真和数字仿真两个方面发展。
60年代初出现了混和模拟计算机，增加了模拟仿真的逻辑控制功能，解决了偏微分方程、差分方程、随机过程的仿真问题。
从60-70代发展了面向仿真问题的仿真语言。
20世纪80年代末到90年代初，以计算机技术、通讯技术、智能技术等为代表的信息技术的迅猛发展，给计算机仿真技术在可视仿真基础上的进一步发展带来了契机，出现了多媒体仿真技术。
多媒体仿真技术充分利用了视觉和听觉媒体的处理和合成技术，更强调头脑、视觉和听觉的体验，仿真中人与计算机交互手段也更加丰富。
80年代初正式提出了“虚拟现实” 一词。
虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生视觉、听觉、触觉等各种感官信息，使参与者有身临其境的感觉，同时参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识。
图2体现了仿真科学与技术的发展进程。
仿真研究领域的扩展 一图2仿真科学与技术的发展以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。
美国等西方国家 除军事用途外的其它行业中的仿真技术及应用都居于世界领先水平，如飞行模拟 器、车辆运输仿真、电力系统、石油化工仿真系统等。
风力发电系统的动态建模与仿真
风力发电系统的动态建模与仿真随着全球对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
风力发电系统的动态建模与仿真是研究和优化风力发电系统运行的重要手段，有助于提高风力发电系统的效率和可靠性。
本文将探讨风力发电系统动态建模与仿真的方法和应用，以及在模型开发和仿真过程中需要注意的问题。
一、风力发电系统的动态建模风力发电系统包括风力机、风能转换子系统、并网变频器、变电所和电网等组成部分。
为了对风力发电系统进行动态建模，需要考虑各个组件之间的相互作用和系统运行的特点。
1. 风力机的动态建模风力机是风力发电系统的核心部件，负责将风能转化为机械能。
风力机的动态建模需要考虑风速对风轮转速的影响、风轮转速对发电机转速的影响以及风轮和转子之间的功率传递过程。
一种常用的方法是使用变力学方程描述风力机的运动过程，并结合风力和风功率曲线进行模拟。
2. 风能转换子系统的动态建模风能转换子系统包括风能转换器、传动装置和发电机等。
风能转换器将机械能转化为电能，传动装置则负责将风力机的转速传递给发电机。
在进行动态建模时，需要考虑风能转换器和传动装置的效率、传动过程中的能量损耗以及发电机的电力输出特性。
3. 并网变频器和变电所的动态建模并网变频器和变电所是将风力发电系统产生的电能接入电网的关键设备。
并网变频器的主要功能是将发电机输出的低频交流电转换为电网所需的高频交流电，同时负责控制电网功率的调节。
变电所则负责将风电场产生的电能集中输送到电网。
在进行动态建模时，需要考虑并网变频器和变电所的功率转换过程、电力损耗以及对电网供电稳定性的影响。
二、风力发电系统的仿真风力发电系统的仿真可以通过使用专业的仿真软件或自行开发仿真模型来实现。
仿真可以帮助研究人员和工程师在实际运行之前评估系统性能、验证设计和控制方案的有效性，以及优化风力发电系统的运行策略。
1. 仿真软件的选择和应用目前市场上有多种风力发电系统仿真软件可供选择，例如，DigSilent、PSCAD、Matlab/Simulink等。
MATLAB在风力发电技术中的应用仿真(共33张)
图9-2 基于普通(pǔtōng)感应发电机的定速风电机组
第4页，共33页。
0.5 0.4 0.3
C p 0.2
0.1
0o
10o
2.5o
5o
0.0
-0.1 0
25o
2
4
6
15o
8 10 12 14 16
图9-3 关系(guān xì)曲线
第5页，共33页。
wi n d tu rb i n e 1
Vdc
Vdc (V)
wr
Speed (pu)
pitch pitch angle (deg)
图9-12
wi n d tu rb i n e 2
Trip
Wi n d T urbi ne Pro te cti o n
Trip Time
0
[T ri p_WT ]
0
Phasors pow ergui
第25页，共33页。
信号 1~3 4~6 7~8 9~11
表9-2 双馈变速风电机组输出(shūchū)信号
信号名称 Iabc(cmplx) (pu) Vabc(cmplx)(pu) Vdq_stator(pu) Iabc_stator (cmplx)(pu)
信号定义
以发电机额定电压为基准 值的流入风电机组端口电流 相量
A
A
B
B
C
C
Line1
A B C Three-Phase Fault
<wr (pu)> <P (pu)> <Q (pu)>
|u| <Vabc (cmplx) (pu)>
y From Workspace
风力发电厂仿真系统技术方案
第一章风力发电厂仿真风力发电厂仿真对风力发电厂一、二次设备全范围进行了建模仿真，具体包括发电机模型、控制系统、量测系统、交直流系统、保护与自动化监控系统的详细模型，而且考虑风力风向对发电机详细模型的影响以及发电机对电网仿真抽象模型的影响。
风力发电厂仿真系统的主要功能有：正常操作、设备巡视、事故和异常的模拟、培训指导和辅助培训等功能。
采用的关键技术有：虚拟仪器技术、虚拟现实技术、组件建模技术和动态人机界面技术等。
风力发电厂仿真系统采用虚拟仪器技术和虚拟现实技术进行仿真。
虚拟仪器技术的实质是利用计算机技术来实现传统仪器仪表的功能。
该系统采用虚拟仪器技术将发电厂的各种二次设备按照各自的物理特性分别生成各自的虚拟设备，在全三维虚拟场景中进行漫游，巡视，操作。
风力发电厂一次设备仿真采用虚拟现实技术进行仿真。
该系统在设备外观仿真和设备巡视中，采用基于OpenGL 的虚拟现实技术开发了发电厂一次设备三维交互式虚拟场景系统，实现了发电机设备的三维重现，形象地反映了发电机的运行、停止、偏航、异常、事故状态及其动作过程，可以对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游。
风力发电厂自动化监控系统采用基于人机界面服务器的动态人机界面技术、动态图符技术、动态菜单技术、中间件技术和程序自动化技术，实现了对多个风力发电机统一管理和监视。
1.1.仿真对象及范围风力发电厂仿真对象主要包括风力发电机数学模型、一次设备、二次设备、自动化监控系统。
其主要仿真对象及仿真程度如下：1.1.1.风力发电机数学模型1.1.2风力发电厂一次设备风力发电厂的一次设备包含发电机、就地升压变、配电台架等。
所有可操作的设备和可观测的动态量都属巡视训练内容，所有的检查都可以进行自动记录，便于考核评分。
1.1.3风力发电厂二次设备风力发电厂的二次设备主要包括前置机、变频控制器、功率速度等传感器、微机保护和控制系统等。
对于运行人员需要操作的开关、把手、压板等进行详细仿真，学员可以用鼠标、键盘等模拟与现场一致的操作。
某300MW海上风电场电气系统仿真研究
某300MW海上风电场电气系统仿真研究1.风机的建模风力发电系统是将风能通过风机转换为机械能，然后再带动发电机将其转化为电能的一种发电系统。
按照风机的转速是否能够变化，可以将其分为定速恒频和变速恒频两大类。
1.1.定速恒频风力发电系统定速恒频风力发电系统如下图所示，通常由风机，齿轮箱，鼠笼式异步发电机构成。
在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。
这种系统的优点是结构和控制都非常简单，造价较低，但是主要缺点在于：无功不可控，需要电容器组或SVC 进行无功补偿；叶片与轮毂刚性连接，风速波动较大时产生较大的机械负载，容易导致齿轮箱故障，对叶片要求也较高；输出功率波动较大；发生失速时，难以保证恒定的功率输出，输出功率有所降低。
因此，定速恒频风力发电系统已经逐渐被变速恒频发电系统所取代。
图恒速恒频风力发电系统1.2.变速恒频风力发电系统变速恒频发电系统具有以下优点：一是风机的转速可以随风速的变化而变化，可以使风机始终保持在最大风能捕获的工况下运行，提高对风能的利用率；二是由于含有电力电子变流器，变速恒频发电系统可以实现与电网的柔性连接，增加运行和控制的灵活性。
根据所使用的发电机及变流器的不同，现有的变速恒频发电系统可以分为以下几类：1.2.1.电励磁同步风力发电系统电励磁同步发电系统原理图如下图所示，同步发电机的定子侧通过背靠背变流器与电网连接，与电网实现电气隔离，因此可以在不同的频率下运行而不影响电网的频率。
其优势体现在：通过控制变频器的调制比可以分别控制有功和无功，在系统故障时提供无功支持，提高电网动态特性；不需要并联电容器作无功补偿装置。
这种风力机系统在国外已有一系列工程实例，但是在我国尚未得到应用，其主要原因是全功率变频器的造价很高，相应的损耗也较大。
图电励磁同步风力发电系统1.2.2.直驱式永磁同步风力发电系统直驱式磁同步风力发电系统原理图如下图所示，它采用永磁同步发电机，并且省去了齿轮箱，直接将风力机与同步发电机的转子相连，虽然风力机的转速较低，但是通过交直交变流器的控制，可以使整个发电系统输出工频的电压和电流。
风力发电机的建模及动态仿真
Ed′= -
xm x2 + xm
Q
E q′=
xm x2 + xm
D
( 12)
Q= -
x
2
+ xm
x
mE
′ d
D=
x
2
+ xm
x
m
E
′ q
( 13)
p
Q= -
x
2
+ xm
x
mp
E
′ d
p
D=
x
2
+ xm
x mp
E
′ q
( 14)
根据转子电压方程 D 轴
R 2iD + x 2 + x mp E ′ q - ( xm
x= x1+ xm 3. 3 电磁暂态过程方程式 从( 5) 式 D 轴转子磁链方程得
iD =
x2
x +
m
x
m
id
+
1 x2 + xm
D
( 6)
把( 6) 式代入 d 轴定磁链方程得
d=-
x ′id +
E
′ q
( 7)
式中 x ′——暂态电抗
x ′=
x1 +
xm -
x2
x
2 m
+ xm
=
x1 +
x2 x2 +
叙词 风力发电机 建模 动态仿真
Building Model and Dynamic Simulation on Windmill Generator
X in Jiang Institute of T echnolo gy Hou Shuhong, Lin Hong, Chao Qin, Zu Lati
风电机组全程运行仿真研究
一、海上风电机组基本概念与运 行原理
海上风电机组是将风能转化为电能的大型设备，主要由风轮、发电机、塔筒等 组成。其运行原理是利用风轮吸收风能，驱动发电机产生电能，最终输送到电 网供人们使用。与陆上风电机组相比，海上风电机组具有更高的发电效率和更 大的发电量。
二、海上风电机组运行维护现状
1、故障与维护难题
1、系统动力学方法：该方法通过建立风电机组的系统动力学方程，利用仿真 软件如MATLAB/Simulink等实现数值模拟。这种方法可以方便地模拟系统的动 态行为，对于研究风电机组的启动、稳定运行和停机等过程具有较好的适用性。
2、有限元方法：该方法将风电机组划分为多个离散的单元，对每个单元建立 数学模型并利用数值计算方法求解。常用的有限元软件包括ANSYS、 SolidWorks等。该方法可以更精确地描述风电机组的动态行为，但对于大型 复杂系统的仿真可能存在计算效率问题。
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，以及风电技术的日益成熟，风电 机组全程运行仿真研究的前景广阔。未来可以通过建立更加精确的风电机组仿 真模型、引入先进的数据分析和处理技术以及开发更加智能化的仿真软件等方 面进行深入研究，为推动风电产业的可持续发展做出更大的贡献。
参考内容
随着海洋能源的日益开发与利用，海上风力发电技术逐渐成为全球能源领域的 研究热点。本次演示将围绕海上风电机组运行维护现状展开探讨，分析存在的 问题与挑战，并展望未来发展趋势和可能的技术革新。
4、生态环境影响评估与优化
在发展海上风能产业的同时，应重视对海洋生态环境的影响。未来，海上风电 机组的设计与运行将更加注重与生态环境和谐共生。通过加强生态环境影响评 估，优化设备布局，降低对海洋生物的影响，实现风电开发与环境保护的协调 发展。
风力发电机组的控制模型与仿真
4.2风力发电场简介随着能源危机的出现和环境的日益恶化，被称为绿色清洁能源的风能越来越受到世界各国的广泛重视。
风是山于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。
风能就是空气流动所产生的动能。
能够将风能动力转化成电力的装置称为风力发电机组。
由在风力富足的场地安装多台风力发电机组，经电力输送设备将风力发电机组生产的电力送进电网的工厂称为风力发电场。
围绕风力发电场的电力生产、输送目标的电力设备组成的系统称为风力发电场发电系统。
我国风电建设始于20世纪80年代中期。
经过了近20年的发展，到2005年底，全国共建设了40多个风电场，并网风力发电装机容量为105万KW，年发电量约21亿KW/h。
此外，我国还约有20万台小型风力发电机(总容量约为3. 5万KW，用于边远地区居民用电。
我国风电设备制造技术经过近十年的发展有了很大的进步，己经基本掌握了单机容量1000KW左右大型风力发电设备的制造能力。
经过多年的努力，己掌握了一定的风电场运行管理的技术和经验，并造就了一批风电设计、施工的技术人员，为风力发电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。
与国外发达国家相比，我国的风电建设虽然起步较早，但总体发展速度较慢，总体规模在亚洲也落后于印度和日本，距离大规模的开发利用仍有一定的差距。
首先我国缺乏详实的风能资源数据，以现有有限的地面气象站的资料，无法满足大规模风场建设的要求。
目前风力发电的成本价和常规火力发电相比，仍有很大差距。
风电场发电成本高主要有以下原因:一是由于国内不能制造商品化并网风电机组，进口风电机组价格较贵:二是风电和水电一样，不消耗燃料，没有进项抵扣，所以风力发电每度电的纳税额高于常规能源发电:三是风电场规模较小，没有形成规模经济效益。
风力发电所产生的特殊问题。
风力发电和常规水电、火电和核电等相比，基本的区别有三点:1)风电机组的有功功率输出是随机的，其大小取决于风的变化:而火电等常规发电机组输出的有功功率和无功功率都可以准确控制:2)目前采用的风电机组绝大多数是异步发电机组，输出随机有功功率的同时，要吸收无功功率，而火电和水电机组全部都是同步发电机组:3)具有相对容量较小的大量风电机组并列运行是风电场的一个重要特点。
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定速风电机组的仿真
组员：32111222王浩32111208 乐姗姗32111207 瞿
振林32111212 刘洁波
一、简单介绍
基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴LS 高速轴HS 和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图1所示。
发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。
这种类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与风速无关。
在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。
风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为1%~2%因此正常运行时
风轮转速仅在很小范围内变化。
、工作原理:
风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为:
* = 0）
注释：
式中，Q表示空吒帶戸是通过凤力机叶片附轨速'A,心a分别均叶光速出、叶片険转半径、叶片捻转角速度；A衷小叶片扫风面积；口为功率系敦。
Q与叶尖猱出入以及叶片
根据不同的取值，可得到的曲线如图2所示，从图中可以看出，对应某一确定的浆距
角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所有的风
速下都能够产生最大的功率输出。
的理论最大值为 0.593，这就是著名的Betz
极限。
Q.5i ------------------------------------------------------------------
6 S 10 12 M 16
图2:关系曲线
定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电 机,感应发电机再把机械能转换成电能， 输送到电网中。
感应发电机向电网提供 有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。
因为这种类型的感应发电机无法 控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数， 降低机组从电 网中吸收的总的无功功率。
现代定速风电机组的风轮转速为 15~20r/min ，发电 机转子的同步转速与电网频率对应。
定速风电机组可以采用定浆距控制， 也可以采用叶片角控制。
其中，定浆距
控制风电机组为被动失速控制，它将叶片以固定浆距角用螺栓固定在轮毂上，在 给定风速下，风电机组风轮开始失速，失速条件始于叶片根部，并随着风速加大 逐渐发展到全部叶片长度。
这种失速控制方式成本低廉，但是低风速下风电机组 发电效率较低。
而叶片角控制定速风电机组为采用负浆距角的主动失速控制方式。
主动失速设置为在风速低于额定风速时优化处理，在风速超过额定风速时限制出
Tubwie Puma CtEiiKLciislics aigfc bc*a _ 0
0 02
04 0G OB 1 12 1.4
Tuitme speed (pi <rf namitai genef^ar speed]
图3 :风电机组功率特性
W 3S =-E _£E _
■匸
Eou £ nd)二Aod 否5
口?壬己
力为额定功率。
这种主动失速控制方式能够提高风电机组的发电效率。
三、仿真模块:
Three-Phase Source【三相电源模块】
Three-Phase Tran sformer(Two Windin gs) 【三相双绕组变压器模块】
Three-Phase Fault【三相故障模块】
Three-Phase PI Section Line 【三相n型等值电路模块】
Three-Phase V-I Measurement【三相电压电流测量元件模块---模拟母线】Wind Turbi ne In duction Gen erator(Phasor Type) 【风电机组模块】
Goto【跳转模块】
Constant【常数系数模块】
From Workspace【从工作空间中输入数据模块】
Bus Selector【总线选择器模块】
Abs【求取绝对值模块】
Scope【观测仪模块】
Powergui【电力图形用户分析界面模块】
四、模型仿真:
一台单机容量为1.5MW的定速风电机组经过升压，通过长度为100km电抗为的架空输电线路与外部系统相连。
参考MATLAB^风电机组模型建立如图3所示单机无穷大电源的仿真系统。
图4为定速风电机组子系统结构(右键单击风电机组模块Wind Turbine，然后选中下拉列表中的“Look under mask”选项，打开后可见定速风电机组子系统结构)。
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一A latK
—* B A -
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B575.1
(575 V)图4 :单机无穷大电源的仿真系统
►I .v rd (nri's)
Wind Turbine Induction Generator (Phaser Type)
图5 :定速风电机组子系统结构
1、参数设置
★【Three-Phase Source 】
f
币* Block Parameters: Three-Phase Source
Three-Phase Source (nask) (link)
Three-phase volt age source iri ^eri^s with RL branch.
Paranet ats Load Flow
Phase-to-phase rms volt aje (V): 25e3
Phase angle of phase A (decrees): 0
Frequency (Hz): 50
Internal connect ions Yg
Specify imped-ance usin$ short-circuit level
3-phase short-circuit level at base voltage (VA) s lOOeS
Base volt age (Vrins ph=ph): 2%亍 K/R ratio:
OK | Cancel Help
」
App ly
★【Three-Phase Tran sformer(Two Windin gs) 】
i ——
1聞6| |
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J
EU
2.
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——►
Pne^lODO
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S-+
T dp
★【Three-Phase Fault 】
①电网正常运行时，Three-Phase Fault模块不用设置，即为默认，如下左图
②电网故障运行时，参数设置如下右图：
★【Three-Phase PI Section Li ne 】。