基于MATLAB的风力发电系统仿真研究.docx

中国电力教育 2006年研究综述与技术论坛专刊

基于MATLAB的风力发电系统仿真研究
向恺”刘永前
(华北电力大学动力工程系.北京102206)
摘 要:本文建立了风力发电系统风轮的数学模型、传动系统模型、三相异步发电机的数学模型•并用MAU.AB软件对这 些模型进行了仿以.结果证明了这些模型的正确性•最后研究了无控制系统的永磁发电机组的转速变化情况.说明了风力发 电系统的仿真在对风力发电系统分析中的重要作用。
关键词:风力发电;MATLAB仿真.：动态模型;风力发电机组

随着环保意识的加强，削减传统能源对环境的影响，开 发可再生能源.己经成为必然的选择・诃再生能源的优势在 于它没冇污染排放，能量取之不尽。用风机把储藏在流动空 气中的能量转化为电能是--种不错的风能利用方式。
风机一般不参加电压和频率调节，有扰动时，风机一般 断开,正常运行时重新连接。这样频率和电压的维持基本是 靠大型火电厂的控制。
但是,目前随着风力发电容量的增加•风力发电系统开 始影响整个能虽系统，只靠大型火电厂的控制已经很雄运行 好…个能量系统。所以研究风机在能星系统中的行为和它 与其它发电设备和负我的关系非常垂要。
1 .风力发电机组的数学模型及其MAT1AR仿真
(1)风机转子模型
M机转『的空气动力学模型很多，有些涉及到风轮形状 的空气动力学因素，这样的模型参数多，方程夏杂，11算需要 很多时间.所以在风力发电系统的仿真:中一般只考虑基于转 距系数(勺或者风能转化系数写的模型，用企表的方法得到 功率曲线,风速也只按轮毂位置的风速计算,转距系数C。用 于决定空气动力转距：
"OWlMCy ( 1)
其中:P是空气密度.R是风轮半径是风速是转 顎系数。
空气动力转距也可由能量转化系数Cp决定：
T^O.SnpR-vJC,, (2)
能最转化系数C p和转距系数崩在失速型风机中可以 由叶尖速比人的方程决定，在主动失速和变桨变速风机 中是由叶尖速比X和桨距角0的方程决定的。
变桨距风机转了的SJMII1.INK模型如图I所示：
封装界而的参数姓:风轮半径，空气密度，切入和切出风 速.如图2所示。

用一个査表环节,在主动失速型风机中.转釦系数和能 量转化系数可以由参数桨距角(-i(r<o<i(r)来决也 在 失速型风机中，只要设桨距角为零，就可以了。
(2)传动系统模型
当硬度麻阻尼系数被忽略时，得到•质蛍块模型，•质 最块模型的优点在于与二质届块模型相比.它的方丹数危明

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显减少(只有一个方程)，这样在系统计算中将大大加快计算电感矩阵的大多数项是转子位置角的函数.电感炬阵的
的速度，一般的风力系统的计算中都用一质量块模型。
其中:等效转动惯量是J~= J” + 上•等效风轮转距是
微分式可以写成:

1.2
-质虽块传动系统的SIML1LINK的模型如图3所示.

其中是转子的角速度。联立.结果：
牛 ［L］「・{・ ［R1-吋岑§・［］］，卩.「叩、1 (8) 它是电机动态方程的状态空间。
电感矩阵定义为：

L -0.5M,
-0.5M, L.
』.5M,
MJ.
MJ、
MJ
M0
卩]=
-0.5M. MJ
-0.5M,
L, 妇
L,
-0 5M.
-0.5.W,

M.R
MJ

-0.5机
4
-0.5.Wr

E

MJ
-0.5.W,
-0.5A/r

封装界而的参数是齿轮箱变比，等效转动惯量。

Ls= U+ Ms是定于自感系数;L= L01+ L5Mr是转于自 感系数;LzL.是定子和转子的漏电感系数:Ms.Mr是定于互 感和转子互感系数:\1.是定转子间的互感系数。
(3)发电机模型
感应电机在白然坐标ABC坐标下的动态方程被列挙岀 来，这些方程用磁通和电流作为状态参数.
基本的方程用图4所示建立。

图4

【\|= |R|・| I］+ 亨 (4)
［d，］= (5)
其中；［V］= ［va,vb,，c,v.，侦vj是定子和转子每相电 用1|= I、i“.L：.L.L・i」是定子和转子毎相电流,丨小］= ［巾",匕,虹丸］是每相定了和转子的磁链」R1是电阻 矩阵［L］是电感矩阵。
把式(5)代入(4)式：

I iriV]= |I]*|K||IK or|I|'^I|+|l|'[ Ljtlll (9)
R= |1|'[V]瞬时功率 (10)
l\^= [I|'|R1[»I 绕组铜耗 (11)
P，•寸HI'IL］囁■哲态电磁功率 (12)
1七=3|11「帶|1］机械功率 (13)
「=辱底发电机电磁转矩 (14)
式中:P为极对数.Qr为转子的机械速度。
根据式(8)和式(14),感应电机的动态模型可以被建立 起来,如图5所示。

牛 | L「'.< -[R|_ 罕｝.| I]+ |lL|Y| (6)
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图7

封装界面的参数是定子漏感系数、转子漏感系数，定子 互出系数、转子互感系数、定转子间的互感系数、定子电阻、 转子电阻、极对数。
2.仿真应用举例
求无控制系统永磁发电机,当平均风速为2()为秒，桨距 角为30度时.发电机转于转速变化情况。如图6所示。
图6
参考文献：
| 11 Florin lov, Anca DanieLi Hansen. PcmiI Sf)ivns5. \\ indtiirlane bkxk- 収 in niallal/jsimulink. Aalb* Uni睥盘y Mar(4i 20(M.

仿真结果如图7所示。
I 2]刘白雁.机电系统动态仿真—基于MATLAiySmilink,机械 工业岀版社,2(1)5.07.
| 3] J.G.SlootwegtS. W. H- de haan, H. Poliraler, W.L. Klin^ General Model for Kqin^enting Varial>le Spned W ind Turi)inra in Pmiw Syslrm I* nanio Sniiulal ims, irer IraiMit km ai |invrr 吋7rm. \d・ 18. L Ft4>iuan 2(1)3.

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