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基于 MATLAB 的风力发电机组的建模与仿真
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(xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx)

摘要：本文在风力发电机组监测与控制实验的基础上，总结了风力发电机组的建模技术， 并对整个系统建立了 MATLAB 仿真模型。仿真结果证明，系统输出的功率波形与输入的风速 有关，风能利用系数比较低，发电量不足且输出不稳定。
关键词： MATLAB；风力发电系统；仿真研究

1 引言
对大型风力发电机机组进行仿真研究， 不可避免的就要建立系统的仿真模型。 但是， 风 力发电系统的结构复杂， 模型的精细程度将直接决定仿真结果。一般来说， 模型越精细，仿 真结果越准确， 但其控制难度就越高。本文对风速模型、 风力机模型、 传动模型和发电机模 型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动 系统、 各种发电机的数学模型进行全面分析， 探索风力发电系统各个部风最通用的模型、 包 括了可供电网分析的各系统的简单数学模型， 对各个数学模型， 应用 MATLAB 软件进行了仿
真。
2 风力发电机组的建模与仿真
2.1 风速模型的建立
自然风是风力发电系统能量的来源， 其在流动过程中， 速度和方向是不断变化的， 具有 很强的随机性和突变性。 本课题不考虑风向问题， 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Vb 、阵风风速Vg 、渐变风速 Vr

和噪声风速V 。即模拟风速的模型为：
n

V = V + V + V + V (1- 1)
b g r n
(1) 基本风速在风力机正常运行过程中一直存在， 基本反映了风电场平均风速的变化。 一般认为， 基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定， 且其不随时间变化， 因 而取为常数
(2)阵风用来描述风速突然变化的特点，其在该段时间内具有余弦特性，其具体数学 公式为：

2 |L Tg Tg 」|
l

(|0

0
V = 〈 v
g | cos

式中：

t < t
1g
t < t < t + T
1g 1g g
t > t + T
1g g


(1-2)

vcos = max |1- cos 2" ( - 1g ) |
G 「 t t ]
(1-3)

t 为时间，单位 s； T 为阵风的周期，单位 s； v ， V 为阵风风速，单位 m /s； t 为阵
cos g 1g

风开始时间，单位 s ； G 为阵风的最大值，单位 m/s。
m ax

(3)渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下：
t < t
(0
1r
t < t < t
1r 2r
|
V = 〈 v
t > t
r | ramp
2r
l
0
式中：
vramp = Rmax (||(1- t - t2rt-t1r2r))||


(1-4)

(1-5)

t 为渐变风开始时间，单位 s； t 为渐变风终止时间，单位 s ； V ， v 为不同时
1r 2r r ramp

刻渐变风风速，单位 m/s； R 为渐变风的最大值，单位 m/s 。
m ax (4)随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点，此处不再描述。
2.2 风力机模型的建立
风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋 转动能。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型式而异，因此，
风力机的实际风能利用系数 C <0.593 。风力机实际得到的有用功率为：
p
P = 0.5p"R 2 v3 C (b , 入) (1-6)
s w P
而风轮获得的气动扭矩为：
T = 0.5p"R3v2 C (b , 入) (1-7)
r w T
其中：
P 表示有用功率，单位为 w； p 表示空气密度，单位为 Kg/m； R 表示风轮转动半径，
s

单位为 m； Vm 表示风速，单位为 m/s； Cp 表示风能利用系数； C T表示气动转矩系数；

gm U 2 r'
(1- 11)
并且有：
C (b , 入)= 入C (b , 入) (1-8)
p T

2. 5 整体模型的建立
o
入 = R
V
w


(1-9)

入 称为叶尖速比； o 为风轮角速度，单位为 rad/s。
2.3 传动系统模型的建立
本实验在分析传动系统机理的基础上， 建立系统的刚性轴模型。 刚性轴模型认为传动系 统是刚性的，即低速轴， 增速齿轮箱传动轴， 高速轴都是刚性的。 忽略风轮和发电机部分的
传动阻尼，最后可得传动系统的简化运动方程为：
(J + n2 J )do = T - nT (1- 10)
r g dt r g
其中：
J 为风轮转动惯量，单位Kgm2； n 为传动比； J 为发电机转动惯量，单位Kgm2；
r g

T 为发电机的反转矩，单位Nm 。
g
并且：
o = no g
o 为发电机转速，单位 rad/s。 g
2. 4 发电机模型的建立
本实验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：

T = 1 1 2
e (og - o1 )(||(r1 - C r'o121oo-g1))||2 + (x1 + C1x2(') )2

o = go G g
其中：

(1- 12)

(1- 13)

g 为发电机极对数； m 为相数； U 为电压； C 为修正系数 ; o 为发电机的当量转速；
1 1 1 G

o 为发电机转子转速； g

o 为发电机的同步转速； r ，
1 1

x 分别为定子绕组的电阻和漏抗；
1

r '， x ' 分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，单位为Ω。
2 2

对于整体系统的建立，由于比较繁琐，所以在原模块基础上，是每个部分形成整体系统 的子系统，分别形成自然风子系统(fengsu)，风力机子系统(FLJMX)，发电机子系统(fadianji) 和传动系统子系统(chuandong)几部分。然后形成整体系统，其示意图如图 1- 1 所示。

图 1- 1 风力发电机整体系统
2.2 仿真结果

图 1-2 输出功率

图 1-3 风能利用系数
2.3 仿真结果说明
(1)由上图可知系统输出的功率波形与输入的风速有关，由于系统中存在噪声 所以输出地功率存在很大的噪声，风轮机和发电机的输出功率远远大于额定输出功 率。
(2)功率系数图可以看出，风能利用系数比较低，基本运行在 0.35 以下，必会造成
风能的极大浪费。
3 结论与展望
通过本次的学习对风机发电机有利一定的了解，从学习中得知风力发电是 20 世纪 70 年代开始研究风电的自主研发能力严重不足， 风电设备设计和制造水平比较落后， 总体上还 处于跟踪和引进国外先进技术的阶段。 目前， 我国的风电机组在控制系统、 轴承、 风机叶片、 齿轮箱等零部件方面存在较大的供需矛盾。 虽然整个风电产业发展较快， 但是风电设备厂商 在这方面明显生产能力不足， 尤其在兆瓦级容量的风电机组中， 轴承和电控系统几乎没有生 产能力。在风电机组整体设备中，电控系统又是风机的大脑和核心。因此，风电机组电控系 统国产化对于整个风电产业来说都是十分紧迫和必须的。
虽然存在着很多的问题但是对于清洁能源的开完是一个很重要的途径，为此我国则专门 制定了《可再生能源“十一五”规划》。在各种可再生能源中，风能作为清洁、可再生资源， 具备很多优点， 受到了各国政府的广泛重视。 但是在世界范围来说， 风力发电是新能源领域 中技术最成熟、 最具有开发规模和商业化发展前景的发电方式。 大力发展风力发电对保护生 态环境、 改善能源结构、 促进可持续发展都具有积极意义， 许多国家都已把大力发展风电纳 入国家发展计划。

参考文献：

[1] 叶杭冶．风力发电机组的监测与控制[M]．北京:机械工业出版社， 2011.5
[2] 葛海涛.基于 MATLAB 的风力发电系统仿真研究[J].华北电力大学.2009.13 (1)： 88-90 [3] 肖劲松，倪维斗 .大型风力发电机组的建模与仿真[J].太阳能学报 . 1997.18 (2)：
117- 127