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风力机的 Matlab 模型及其应用
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摘要：提出了一种简化的定桨距风力机的 MATLAB 模型。该模型对少风电场的建 设与规划。对于风力发电机组的运行仿真和设计都具有重要的意义。
关键词： MATLAB 模型，建模仿真
1．风力机模型的建立
目前， 风电中采用最多的仍是并网型定桨距恒速恒频异步发电系统， 其主要 组成部分包括：风轮、变速箱、发电机、控制器、电容器组。进行各种状态下风 力发电机组的动态仿真，对其运行和设计具有重要意义。 Matlab/Simulink 仿真 软件具有强大的功能，其中 Simulink 模块化的结构有助于将复杂的风电系统分 解为各个简单的基本“物理”模块， 适宜用来分析风力发电机组的各种运行状态。
目前有关用 Matlab/Simulink 模块对风力机进行建模和仿真的资料很少， 全 文的风力机模型可作为其中的一个模块。
实际发电时，因异步机并网发电时滑差 s<0 且接近 0，简化分析可取 s=0 时
的同步转速ω 作为风力机带负载运行的固定频率点(ω / ω )， 即风力机实际运
s 1 s
行在固定的ω 下，选择不同的ω 全年发电量是不同的，风能利用仿真就是要在
1 1
确定的风力资源统计规律和确定的风力机特性基础上，选择ω 1 (工作点)使全 年风力机提供的能量最大，进而得出升速箱的最优变比，并选择升速箱。
根据以下风力机计算公式，构建 Matlab 风力机特性仿真模块。
入 = R / (1)
式中：λ为叶尖速比；υ为上游风速 m/s；ω为风机角速度 rad/s； R 为叶轮半
径 m。
1
T = pC(入) 2 R 3 (2)
2
式 中： T 为 风 轮 转 矩； ρ 为 空 气 密 度 kg/m3； 转 矩 系 数 的 拟 合 函 数 采 用

C(入) = a +6 a 入i， a， a， a，根据风力机特性来给定。
0 i 0 1 i i=1
将式(1)、 (2)用 Matlab 的模块来实现，得图 1 的风机仿真模块，图 2 为仿真 模块给出的某风力机的转矩与功率特性曲线： T( ω, υ)和P( ω, υ)

图 1 风力机的仿真模块

W
k
m
·

功
N

转

转速(ω) rad/s

转速(v) m/s

图 2 转矩曲线 图 3 功率曲线
2．应用
某风场 10m 与40m 高处的全年统计风速曲线如图4 所示， 统计温度曲线如图
5 所示，当地海拔高度 2000m，当 t=15℃时， p ＝1.07kg/m3。
1

利用公式： p /(p T ) = p /(p T )
1 1 1 2 2 2
式中： p 为压强Pa； T=t+273 为气体的热力学温度 K； p 为空气密度 kg/m3。

由风速、 温度曲线可以得出风力机的发电量与转速的关系。 由风力机的发电
量与转速的关系可知， 在 10m 高处转速应选ω 与ω 之间的 1 个数ω， 应选变比
1 3 1
为 k = ω / ω 的升速箱。 40m 高处转速应选ω 与ω 之间的 1 个数ω ，所以应选
1 s 1 2 4 2
变比为 k = ω / ω 升速箱。这样才能使风力机的年发电量最大。风力机模块还可
2 s 2
以跟变速箱模块、发电机模块、 控制器模块配合共同构成风力发电机系统， 用于 风力发电机组的仿真计算。
3．结论
本文提出了一种简化的定桨距风力机的 Matlab 模型。该模型对风电场的建 设与规划，对风力发电机组的运行仿真和设计都具有重要的意义。