Matlab期末大作业

华南农业大学

《控制系统仿真与计算机辅助设计》基于Matlab /Simulink的风力发电机仿真

施茂良200830460226

陶杰200830460227

2012年1月2日

题目：

用simulink 搭建风力发电机部分的仿真图，使其工作模式满足式（2-4），使用的发电机是永磁同步电机，具体背景材料附后。风力发电机的控制思路如下：我们需要依据风的速度控制电机的转速使得风能的利用率最高，而电机的转速通过改变永磁同步电机的定子端电压ud 和uq 来实现，具体方程为（3-28）。最终通过PWM 的导通关断时间来改变端电压，如材料图 2所示。具体要求：

1. 根据公式（2-5）画出类似 图

2.3 的曲线。

且当β=0时，画出为获得最大的风能利用率，叶尖速λ和风速v 之间的曲线关系。风力机用来捕获风能，将叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能，它决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出。

风力机的输入功率是

3

2

3

112

2

V P A v R v ρρπ=

=

式中，

ρ为空气密度；A 为风力机叶片扫掠面积；R 为叶片半径。v 为风速。

风力机的输出功率为

3

012

p P A v C ρ=

式中，

p

C 为风能利用系数，其值小于1。

风力机输出转矩为；其中λ为叶尖速比 风能利用系数

p

C 为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速、叶片转速，叶片直径和

桨叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。叶尖速比λ是风能叶尖速与风速

之比，即

R v ω

λ=

式中，ω为风力机叶片旋转角速度。

根据上文可知，功率与风速具有一定的关系，它们可以用下面的函数来表示

21

3

116(,)0.5176(0.45)0.00681

10.0350.081i p i i

C e λ

βλβλλλλββ-⎧=--+⎪⎪

⎨

⎪=-⎪++⎩

根据公式（2-5）

在simulink 中的建模如图所示:

Matlab 波形曲线图其中（β = 0 ,2，5，8，12，15 ）代入公式2-5的曲线 蓝色曲线为β=0时风能利用系数p C 与β和λ之间的曲线

据根λ=RW/v; 叶尖速λ和转速v 的关系，绘制如下图：

2.搭建一个模块，使其产生自然风（5-26），并封装起来，画出一具体的 然风的曲线

自然风是非常随机的一种物理现象，其产生机理非常复杂，对其建模也殊为不易。现在学界将其分为不可预测的宏观尺度上的气流，即平均风速和微观尺度的气流如阵风。阵风引起风速的急速波动给风机结构和控制造成诸多不利影响。有文献尝试对阵风建模如下

w gust (t )= w ms +20.5[1cos(

)]

t

w πτ

∆-

使用simulink 建立自然风的模型如图所示：其中sine wave 模块表示

20.5[1cos(

)]

t

w πτ

∆-

random number 模块表示随机风

假使阵风的幅度为1，周期为1，则仿真的波形如图所示：

3.给定β=0,其余的电机参数均假设已知，主要用到的方程是（2-4），（5-26），（3-28）。用simulink 建立整个系统的仿真图。（提示：1.为了得到最大风能利用率，电机转速需随着风速变2.类似现代控制中的状态反馈控制，传感器检测到的可以反馈的量有id ，iq 和电机机械转速 3.控制器采用PI ，添加在什么地方合适

4.无功电流参考输入id=0

5. 如何得到控制量ud 和uq ？计算（3-28）的平衡点并考虑外界扰动即可） 利用公式3-28

d d

di L dt

=d

s d e q q

u R i L i ω-+

q q

di L dt

=q s q e d d e u R i L i ωωψ

--- (3-28)

e d J p dt

ω=

32

q e

k

p i ψω-

已查阅某一款风力永磁同步发电机的参数如下：Ld=8 定子电阻Rs=2Ω Lq=12 磁链ψ=0.481 p=32极对数.

利用simulink 搭建的风力永磁同步发电机模块如图：

利用simulink 搭建的PI 控制器模块如图：

利用simulink 搭建自然风模块如图：

利用simulink 搭建整个系统的仿真图如图：

为了得到最大风能利用率，电机转速需随着风速变化。 由上面得到叶尖速比λ=8时；根据公式 R v

ωλ=

得出电机转速ω=R*λ/ν=1.6*ν其中（ν为自然风速，R 为叶直径5m ，ω为电机转速）时有最大利用率

输出曲线如图：注意上面为自然风速曲线；下面为电机转速曲线：