风力发电机组的建模与仿真
能源行业中的风力发电系统的建模与控制
能源行业中的风力发电系统的建模与控制风力发电系统是目前能源行业中备受关注的一种可再生能源技术。
以风力为动力源，通过风力发电机将风能转换为电能，为人们的生活和工业生产提供清洁且持续的能源供应。
在风力发电系统中，建模与控制是关键的技术，它们能够提高风力发电系统的效率和稳定性。
一、风力发电系统的建模风力发电系统的建模是指将风力、风力发电机和电网等要素进行数学描述和模拟。
建模的目的是为了更好地理解系统的工作原理，为系统控制提供基础。
在风力发电系统的建模过程中，常常使用的方法有物理建模和数学建模。
物理建模是借助物理原理的知识，通过对风力发电机的结构、风轮的运动规律和发电过程等进行描述和模拟。
采用这种方法可以更直观地了解系统的机械特性和能量转换过程。
例如，可以基于风力在风轮上的作用力和风轮转动的动力学方程，建立风力发电机的物理模型。
另一种常用的建模方法是数学建模，它通过数学形式的方程和参数来表示风力发电系统的各个元件和它们之间的关系。
数学建模能够提供系统的精确描述和分析，可以用于设计和优化控制策略。
常见的数学建模方法包括状态空间模型、传递函数模型和灰盒模型等。
通过对风力发电系统进行数学建模，可以方便地进行仿真和分析，从而为系统控制提供参考。
二、风力发电系统的控制风力发电系统的控制是指通过控制器对风力发电机的运行状态进行调节，以实现系统的高效运行和稳定输出。
风力发电系统的控制主要包括风速控制、功率控制和频率控制等方面。
风速控制是通过调节风轮的转速或转矩来控制风力发电系统的输出功率。
当风速较强时，可以采取限制输出功率的措施，以防止风力发电机超负荷运行。
当风速较弱时，可以通过增大风轮的转矩，提高风力发电机的输出功率。
风速控制旨在使得风力发电系统在不同风速条件下能够稳定输出电能。
功率控制是指根据电网负荷需求和系统自身条件，调节风力发电系统的输出功率。
通过实时监测电网负荷和风力发电机的运行状态，可以及时调整风轮的转速和转矩，以满足电网的需求。
《2024年风光互补发电系统的建模与仿真研究》范文
《风光互补发电系统的建模与仿真研究》篇一一、引言随着能源需求日益增长，清洁可再生能源已成为世界范围内的研究热点。
风光互补发电系统作为一种重要的清洁能源技术，将风能和太阳能有效结合，可有效提高可再生能源的利用效率及供电的稳定性。
本文将就风光互补发电系统的建模与仿真进行研究，为后续的优化设计和实际应用提供理论支持。
二、风光互补发电系统概述风光互补发电系统是指利用风能和太阳能进行发电的系统。
该系统主要由风力发电机、太阳能光伏板、储能装置（如蓄电池）以及控制系统等组成。
通过合理的配置和优化，该系统能够在不同气候条件下，最大限度地利用可再生能源。
三、风光互补发电系统建模1. 系统构成模型建立风光互补发电系统的构成模型是分析其性能的基础。
模型中包括风力发电机模型、太阳能光伏板模型、储能装置模型以及控制系统模型等。
每个部分均根据其工作原理和性能特点进行数学化描述。
2. 能量转换模型能量转换模型描述了风能和太阳能如何被转换为电能的物理过程。
该模型需考虑风速、光照强度、温度等环境因素对发电效率的影响，并建立相应的数学关系。
3. 控制系统模型控制系统模型负责协调风力发电机和太阳能光伏板的运行，确保系统在各种环境条件下均能高效运行。
该模型需考虑控制策略的制定和实施，以及与储能装置的协同工作。
四、风光互补发电系统仿真研究基于建立的模型，利用仿真软件对风光互补发电系统进行仿真研究。
仿真过程中需考虑不同环境条件（如风速、光照强度、温度等）对系统性能的影响，以及系统的运行策略和优化配置。
1. 仿真环境设置根据实际环境条件，设置仿真环境中的风速、光照强度、温度等参数，模拟不同气候条件下的系统运行情况。
2. 仿真结果分析通过对仿真结果的分析，可以得出系统在不同环境条件下的发电效率、供电稳定性以及储能装置的充放电情况等。
同时，还可以对系统的运行策略和优化配置进行评估和优化。
五、结论与展望通过建模与仿真研究，我们可以得出以下结论：1. 风光互补发电系统能够有效地利用风能和太阳能，提高可再生能源的利用效率。
风力发电机液压变桨系统的建模与仿真
杨红全 上海电气风电集团股份有限公司上海200241
摘要：介绍了风力发电机液压变桨系统的原理.建立了液压变桨系统的数学模型.并进行了稳定
性与响应性分析。对液压变桨系统采用比例积分微分控制，通过仿真确认了控制效果。
关键词：风力发电机；液压变桨；模型；仿真
2液压变桨系统控制流程
风力发电机液压变桨系统是一种用电液比例阀 控制液压缸的位置反馈系统。控制器根据风速、叶 片桨距角及参考指令来控制电压.通过独立比例放
收稿日期：2019年9月
作者简介：杨红全(1982
)・男•本科，工程师.主要从事风力发电机组设计工作.
E-mail: yanghq4(« shanghai clectric. com
Key Words: Wind Turbine ； Hydraulic Pitch ； Model; Simulation
1研究背景
二十世纪七十年代初，由于石油危机导致能源 紧张问题•风能作为可再生、无污染自然能源引起了 人们的高度重视。近年来，世界各国均出台了一系 列促进新能源发展的措施。与此同时.科学技术不 断进步.风力发电的成本迅速下降.成为新能源大力 崛起的重要推动力。我国的风能资源相对丰富.除 西藏和新疆外.海上可开发的风能容量为7.5X108 kWo风能密度高于300 W/m2和高于400 W/m2的 地区.面积共有650 000 km2和280 000 kn?,可以安 装的发电机容量分别为3. 7 X 109 kW和2.8X 109 kW"。截至2017年第三季度末.我国风力发电量 占各种能源发电总量的9%,位于火力发电与水力 发电之后，排名第三位⑷。目前.风力发电机已向大 功率、海上及陆上低速大叶片型等方向发展 。风力 发电机分为直驱风力发电机、半直驱风力发电机和 双馈风力发电机.目前市场上以双馈风力发电机为 主。双馈风力发电机需要由齿轮箱增速后进行发 电。桨距的控制方法有液压桨距控制、电动桨距
直驱式风力发电机的建模与仿真分析
１ 概述
随着 近年来 风 电在并 网新 能源 中所 占 比例 越来 越 大 ， 研 究风 电并 网后 对 电网的影 响也得 尤 为重要 。 恒速 恒频和 变速恒 频 是 当下 并 网风力 发 电机组 的主流模 式” ｌ 。 直驱 式 风力 发 电系统 与双 馈式 风力 发 电机相 比 ， 那 些容 易发生 故
方程 ：
少， 变流 器 及其 控 制 系统 成 为主 流 研 究 方 向 ， 通 过 对 整 个 系统 进行 控 制 ， 进 而跟 踪 风力 发 电机 的最 大 功率 ， 实 现 并 网。文 献【 ２ 】 和【 ３ 】 建 立 了详细 的变流器 模 型 ， 并研 究 了直驱 永磁 风 力发 电机 的工作 原 理 ， 通过控 制 发 电机 转速使 机 组
ｆ Ｕ ｄ Ｒ ｉ ｄ ＋ ｐ Ｌ ｄ ｉ ｄ — ｃ ＾ ） ｅ Ｌ ｑ ｌ ａ
【 ｕ ｑ ＝ Ｒ ｉ ｑ ＋ ｐ Ｌ ｑ ｉ ｑ — ｃ ＾ ） ｅ Ｌ 山４ － ｃ ＾ ） 。 ｆ
ｆ １ １
一
式中， ｕ ｄ 为 电压 的 ｄ轴 分量 ， ｕ 。 为 电压 的 ｑ轴 分量 ， ｉ ｄ 为 电流 的 ｄ轴 分量 ，ｉ 。 为 电流 的 ｑ轴 分量 ， Ｌ 口 为 等效 ｄ轴
在 风速 低于 额定 值 时 实现最 大功 率跟 踪 ： 如 果 风速超 过 额 电感 ， Ｌ ｏ 为等效 ｑ轴 电感 ， Ｒ为定子 电阻。 定值 ， 借 助 桨距 角 进 行控 制 ， 在 一 定程 度 上确 保 系统 保 持 磁 链 方 程 为 ： ｉ Ｌ ｄ Ｉ ＋ 在 额 定输 出功 率状 态 ， 在 风 速范 围较 大 时 ， 通过 控 制 风 电 ｌ ｑ ＝ Ｌｑ ｌ ｑ
风力发电机组机械传动系统设计及动力学仿真
风力发电机组机械传动系统设计及动力学仿真一、设计概述风力发电机组机械传动系统是将风力转化为机械能的关键组成部分，其设计对提高发电效率、增加可靠性和降低维护成本至关重要。
本文将着重介绍风力发电机组机械传动系统的设计原理、关键参数选择以及动力学仿真分析。
二、机械传动系统设计原理1. 传动系统类型选择：常用的传动系统类型包括直接驱动和变速箱驱动两种。
直接驱动适用于小型风力发电机组，其特点是简单、可靠，但在低风速下效率较低；变速箱驱动适用于大型风力发电机组，通过变速箱将风轮的转速匹配到发电机的额定转速，实现高效发电。
2. 风轮和发电机匹配：选取合适的风轮和发电机是机械传动系统设计的关键。
风轮需要根据地理条件和预计风速来确定，同时考虑到复杂的气象条件和气候变化对风轮的影响。
发电机的额定功率和转速需与风轮匹配，同时还需考虑闭塞风速和过载保护等因素。
3. 传动比选择：传动比决定了风轮转速与发电机转速之间的关系。
传动比的选择需综合考虑风轮特性曲线和发电机转速范围，以使风轮在不同风速下始终运行在最高效率点附近。
同时还需考虑最大功率点跟踪和系统的安全性。
三、关键参数选择1. 风轮直径和叶片数：风轮的直径和叶片数直接影响到风轮的承载能力和风能捕捉效率。
通常情况下，风轮直径越大，叶片数越多，能够捕捉到的风能就越多。
因此，在设计中需根据实际情况选择合适的风轮直径和叶片数。
2. 传动系统转速范围：传动系统转速范围的选择需考虑到风速变化的范围，使传动系统在各种风速下都能提供稳定的输出功率。
同时还需考虑到发电机的额定转速和稳定工作的要求。
3. 超额转速保护：在设计中需考虑到防止传动系统超过额定转速而造成的损坏。
通常采用机械刹车、电磁刹车或液力制动器等方式来实现超额转速保护。
四、动力学仿真分析1. 动力学仿真软件选择：可以利用MATLAB/Simulink、Adams等软件进行风力发电机组机械传动系统的动力学仿真分析。
通过对传动系统的建模和仿真，可以准确预测系统的运行状况、输出功率以及各个关键部件的受力情况。
基于MATLAB的风力发电机组建模和仿真研究
比Ａ对应与其相应的最大风能利用系数Ｃ。。。对于 任意的叶尖速比，随着桨距角的减小，风能利用系数
逐渐增大。上述结论为变桨距控制提供了理论基
础：在风速低于额定风速时，桨叶节距角口＝０。。发
电机输出功率未达到额定功率，随风速变化通过改
变发电机转子转速或者叶尖速比使风能利用系数恒
定在Ｃ。。。捕捉最大风能。在风速高于额定风速
从自然风只能获取有限能量。风轮实际获得的风能 功率为
Ｐ，＝ｃ，（Ａ，卢）·专－ｐｌｒＲ２移３
（６）
Ａ：坚
（７）
风轮转矩与风速、风轮转速有关，关系式为
ｔ＝岳－ｃｐ㈧鲈扣树毒 ∞，
‘
Ｚ。
∞，
（８）
式中Ｐ。——风轮实际吸收的功率／ｗ；
ＣＡ，·（叶Ａ，尖卢速）—比—；功率系数；
ｒＢ空——气桨密距度角／（。ｋｇ）；·ｍ～；
数，有
云＝后 （蠡为常数）
（２）
２．１．２ 阵风
阵风反映了风速的突变性。其数学模型为
‰＝孚［１一ｃ。ｓ２１Ｔ（争一争）］ （３）
－
１ｇ
１ｇ
２．１．３ 渐变风
渐变风风速是反映风速缓慢变化的特性。其数
学模蚴”尺一（１一等） （４）
·２５·
万方数据
２．１．４随机风
随机风速（％）反映风速变化的随机性，用随机
收稿日期２０ｌｌ—０７一１６ 修订稿日期２０ｌｌ—１０—２０ 基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎ０．５１１６７０ｌＩ）；内蒙古自治
区自然科学基金项目（Ｎ０．２０１０Ｍｓ０９０５） 作者简介：陈虎（１９黼一），男．硕士研究生，研究方向：风力发电
机组的智能控制技术。
·２４·
Ｏ引言
风力发电作为一种不竭的可再生资源，具有其 它能源不可取代的优势和竞争力。风能的利用一直 是世界上增长最快的能源，装机容量近年每年增长 超过３０％。预计到２０２０年全球的风力发电装机将
基于Matlab的双馈风电机组的建模与仿真
− LAB − LBA −LCB −LaB −LbB −LcB
− LAC − LBA −LCC −LaC −LbC −LcC
− LAa − LBa −LCa −Laa −Lba −Lca
− LAb −LBb −LCb −Lab −Lbb −Lcb
−LAc iA
−
LBc
iB
−LCc −Lac
关键词：Matlab 双馈风电机 变速恒频
作为一种无污染、易获取以及零成本的可再生清洁能 源，风能具有广阔的发展前景。风力发电技术作为发展最快、 最可能商品化的技术之一，具有很多其他能源无法比拟的 优势。例如，风电技术建设周期短，一台风机安装时间不 超过三个月；万千瓦级风电场建设期不超过一年，即可再 投产一台。风力发电因为其具有特殊优势受到各个国家重 视，许多国家都将其列入发展计划中，并投入大量人力、 财力，获得了较大的成绩。
图 1 双馈变速发电机运行原理
2 双馈发电机的数学模型
双馈风电机也称为交流励磁风电机，是一个高阶非线
性强耦合多变量系统，若只对励磁电压进行标量控制，是
无法满足要求的，所以需要将定子绕组磁场作为定向控制
目标，以便达到简化系统的目的。通过坐标变换能够得到
同步发电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型。
双馈风电机定子绕组的电压方程如式（1）所示。
+
iiCa
（4）
−Lbc
ib
−Lcc ic
双馈发电机内部电磁关系与输入机械转矩以及机械转
矩变换成的电磁转矩有着十分紧密的关系。忽略电机各部
分传动摩擦，转矩间平衡关系如式（5）所示。
Tm
= Te
+
J np
dω dt
（5）
双馈式风力发电系统的运行控制与建模仿真
｜
＿
。
图 ３ 桨 距 角 （ 控 制 器 ）
Ｆ ｇ ３ Ｂｌ ｃ ｉ ｇ ａ ｏ ｉ ｈ ｎ ｇ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｉ． ｏ ｋｄ ａ ｒ ｍ ｆ ｐ ｔ ｉ ｇａｎ ｌ ｏ ｔｏ ｌ ａ ｃ ｅ
喜
１４ 双 馈 发 电 机 模 型 ．
定子侧 取 发 电机惯 例 ， 子 侧取 电动机 惯例 ． 转 建
A
。
A
+
0 0
．
驴
1 16
；
伊+
G
=
1 0 4
．
(4 )
；C 4
=
取 平 均 风 速 为 6 2
．
m
湍 流 强 度 为 4％
，
式 中 G
=
．
：
C
1：
0
．
5 17
6
；
Q
=
5
；C
5
=
2 1
；
风 速 的仿 真 波形 如 图 2 所 示
[“
。
0 006 8
。
变 流器
图 1
F ig 1
．
双 馈式 风 力 发 电 系统 的简化 结 构
d (口
=
6 2
．
m
／) s
收 稿 日期 作者简介
：
2 0 0 7 12 2 1
．
—
：
吉 同 军 ( 1 9 8 3 ) 男 江 苏 盐 城 人 硕 士 研 究 生 从 事 风 力 发 电方 面 的 研 究
-
，
，
，
，
。
E
-
m a
i l ：j i t o
n
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实验一 ：风力发电机组的建模与仿真
姓名：文福西 学号：171440138 班级：0314405
一、实验目标:
1. 掌握风速模型建立实现方法；
2. 掌握风力机模型建立实现方法；
3. 掌握发电机模型建立实现方法；
二、实验内容:
在MATLAB下的simulink中，建立风力发电机组的仿真模型，并进行仿真研究，对仿真
的结果进行分析。
三、实验原理：
本实验分四个模块分别是风速的设计，风力机模型的建立，传动系统模型的建立，发电
机模型的建立。
1.风速的设计
本文不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型
由以下四种成分构成：基本风速bV、阵风风速 gV、渐变风速 rV和噪声风速 nV。 即模
拟风速的模型为：
V=
bV+gV+rV+n
V
2.风力机模型的建立
风力机是将风能转化为机械能的重要器件。能量的转化将导致功率的下降，它随所采用的风
力机和发电机的形式而异，因此，风力机的实际风能利用系数。
风力机实际得到的有用功率为：
而风轮获得的气动转矩为：
为方便定量计算，通过有关研究资料的查找，风能利用系数的值可以近似的表示：
3.传动模型的建立
传动系统的简化运动方程为：
Jr为风轮转动惯量，单位 kgm
2；n 为传动比；Jg为发电机转动惯量，单位 kgm2
；
Tg为发电机的反转矩，单位 Nm 。
4.发电机模型的建立
发电机的反扭矩方程为：
四．实验结果和分析：
1.基本风速
模型如下:
仿真的时候假设初始风速为10m/s，那么它的仿真图为：
分析：基本风速是作用于叶轮上的一个平均风速，是不随时间的变化而变化，可以看见输出
的风速也是10m/s。
2.阵风风速
模型如下:
仿真图为：
分析：通过仿真图可以看出阵风最大风速在6m/s，并且在3s左右的时候开始起风，大约在
9s左右停止。
Step
Scope
0
Step1
Step
ScopeProductf(u)
Fcn
3
Constant
Clock
Add
0
0
3．渐变风风速
模型为：
仿真图为：
分析：可以通过仿真图清晰的可以看出风速最大值为10m/s，在4s时起风，在11s时停止，
并在4~7s之间是均匀变化的。
4.模拟风速
模拟风速模型：
仿真图：
分析：将基本风，阵风，渐变风，以及噪声进行叠加就可形成自然风的模型，由图可以看出
在第7秒时速度达到最大值。
Out1
1
Product3
MinMax1
min
AND
2*(u-4)
0.6
10
Clock2
02468101214161820
0
5
10
15
1
feng1
Out1
zhenfeng
jibenfeng
Out1
jianbianfeng
simout2
To Workspace
Scope1
Random
Number1
Add1
051015
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
5.风力机模型
由公式：
可以搭建出的模型是：
Cp模型：
输出模型如下：
LA
Tr
2
Ps1rou1.2236LACpABCpR38.50.5*piu^3u^21/u1/uB
3w
2
Vw
1
Cp
1
sin
Scope
Product4
0.00184
3
0.3
15
pi3
0.0167
0.44
|u|
B
2
A
1
Out3
3
Out2
2
Out1
1
Product4
Product3
Product2
Integrator1sGain40.1Gain30.1Gain20.8Gain11Gain
0.5
Fuzzy Logic
Controller
Derivative1
du/dt
Derivative
du/dt
In1
1
分析：由仿真图可以看出利用系数在短时间内在+0.5~-0.5波动，后来逐渐向0的方向靠拢，
说明其风能的利用率不是很大。
风力机实际得到的有用功率为：
而风轮获得的气动转矩为：
搭建有功功率及气动转矩的仿真模型如下：
012345678910
-0.5
0
0.5
Tr
2
Ps
1To WorkspaceCpABCpScope1ProductGain0.5*piu^3Fcn5u^21/uFcn11/uDivide6Divide5Divide1Constant338.5Constant21.2236B
3
w
2
Vw
1
仿真图如下：
Cp
分析：风能利用系数会有一定的波动，但是基本在0.3附近，利用率较低。
有功功率
滤波后有功功率波形
分析：风力机实际得到的有用功率基本上都是加上滤波器后才投入使用加上滤波之后的波形
由图分析可得，再加上滤波器后滤出大多数的杂波，风力机实际得到的有用功率的波形变得
平滑整齐。在对比实验中发现系统在没有控制策略的情况下，在风速高于额定风速时，风轮
机和发电机的输出功率远远大于额定输出功率。大约是额定输出功率的 3.49 倍，在此种情
况下，有烧坏发电机的可能。同时，在长时间高风速的情况下运行，可能使风力叶片和加速
箱行星齿轮的寿命时限变短，不能达到设备的运行要求。
6.传动模型
传动模型的公式为：
050100150200250300350400450500
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0100200300400500600
-1
0
1
2
3
4
5
6
x 10
012345678910
-2
0
2
4
6
8
x 10
5
传动模型的仿真模型如下：
转速波形
分析：仿真出来的波形为风轮的转速w,发电机的转速，发电机发出恒定频率
的电，以便于风机实现并网。
7.发电机模型
通常电机模型来只建立发电机的模型，而忽略变频装置。
发电机的反扭矩方程为：
发电机的反扭矩仿真模型如下：
wr
1
n^2*Jg
n1
-K-
n75.65ScopeMath
u
2
Jr
3275300
Jg
97.5
Integrator
1
s
Divide
Add1
Add
Te
2
Tr
1
012345678910
-0.5
0
0.5
1
1.5
发电机的仿真波形
分析：由仿真图可以看出它的功率因数是逐渐增大的。
8.整体模型
仿真
仿真图形：
分析：从图中可看出经过12s后转速逐渐达到1.8*103转，经过一段时间后达到额定转速。
五．实验体会：
通过本次实验让我学会了搭建风力发电机组的系统模型，这个系统模型是由四个部分组成
的，分别是风速模型，风力机模型，发电及模型和传动模型。在实验过程中会碰到参数设置
的问题，但是经过不断的查阅资料，最终是克服了困难，完成了本次实验，也对风力发电有
了大体的了解。
012345678910
-0.86
-0.84
-0.82
-0.8
-0.78
-0.76
-0.74
Ps
1
fengjimodel
Vw
w
B
Ps
Tr
fadianjiflju1
U1
WGTechuandongxitongTrTewrWG=n*g*ww
WG
fengsumodel
MinMax
max
[A]
[A]
690
0
0.15
024681012
0
0.5
1
1.5
2