基于MATLAB的风力发电系统设计.docx

目录摘要： 1Abstract： 1第一章 风力发电系统的进展 21.1 风力发电的时代背景 21.2 风力发电系统研究的当前状况 21.3 本论文主要任务 3第二章 Matlab-Simulink 电力系统仿真介绍 32.1 MATLAB 的介绍 32.2 Simulink 的基本介绍 4第三章 风力发电系统的建模和仿真 53.1 引言 53.2 风力发电的建模 53.3 风速变化的涡轮响应 63.4 静止同步补偿的作用 8第四章 风力发电系统仿真介绍 94.1 风力发电系统的设计仿真 94.2 风力发电系统设计仿真模拟初始化方法 9第五章 风力发电系统仿真结果分析 10第六章 总结和展望 116.1 总结 116.2 展望 11参考文献(References) 11致 谢 12基于 MATLAB 的风力发电系统设计专业：电气工程及其自动化 学号：7022812107 学生姓名：陈旭 指导教师：万旻摘要 ：随着世界不断发展和能源的消耗与日俱增，不可再生能源的供应不足矛盾越发明显， 此种现象已引起各国政府的重视， 人们迫切需要开发一种新能源代替使用。 能源作为国民经 济发展和人民高质量生活的重要基础保障， 风能作为一种可再生的清洁能源也就越被人们所 重视。风能风力发力系统的 Matlab 仿真对电力运行分析中的地位也越来越重要。相比常规的火力发电和水力发电的方式不同，风电发电的输出功率经常伴随着风速和 风向的变化而波动。 因此风力发电机根据电机的额定工作转速变化范围可以分为： 恒速、 有 限变速和变速三类风力发电机。本文基于大量的文献资料查询和对 Matlab-Simulink 电力系统建模与仿真的了解，分析 了风力发电系统的运行原理，并针对整个风力系统进行 Matlab 的动态建模仿真。同时研究 不同的风速下对涡轮、保护系统和静止同步补偿器的影响。关键词：风力发电系统， Matlab，系统仿真Design of wind power generation system based on MATLABAbstract： With the continuous development of the worlds supply and increasing energy consumption, non-renewable energy shortage contradictions more obvious, this phenomenon has attracted the attention of Governments, there is an urgent need to develop a new energy instead Energy as an important foundation for economic development and to protect peoples quality of life, wind energy as a renewable clean energy, the more attention by the people. Matlab simulation of wind force wind power system to run an analysis of the position is increasingly important。Different compared to thermal power and hydropower conventional manner, the output power of wind power generation is often accompanied by changes in wind speed and direction and volatility. Therefore, according to the rated wind turbine operating speed range of the motor can be divided into: constant speed, variable speed and variable speed limited three wind turbines。The query of a large amount of literature and based on the understanding of MATLAB Simulink power system modeling and simulation, analyzes the operation principle of wind power generation system, and MATLAB for the entire wind power system dynamic modeling and simulation. At the same time, the effects of different wind speed on the turbine, protection system and static synchronous compensator are studied。Keywords:Wind power generation system， Matlab， system simulation1第一章 风力发电系统的进展1.1 风力发电的时代背景随着世界人口快速增长和可利用的能源飞快枯竭，全世界都即将陷入没有能源使用的尴 尬地步， 各个国家都迫切需要一种新的能源解燃眉之急。 作为可再生能源， 风能是一种无污 染、 安全使用、 取之不尽用之不竭的新型能源。 它在如今能源危机时代中如一颗启明星冉冉 升起，吸引了无数科学家眼球。为此各个国家大力出资扶持有关风力发电系统的一切研发， 我国还特别颁布了可再生能源“十一五”规划以作为研究风能的支持。与其它能源相比较，风力发电的优点可以归纳为一下三点：第一，就成本而言，建造风 力发电场比较火力发电、水力发电和核电发电要节约许多成本；第二，就生态环境而言，风 能设施多数为不立体化设施，对建设当地的生态环境破坏少；第三，就环保而言，风能是一 种干净、环保的自然能源，使用过程中完全没有污染响应了我国可持续科学发展观的理念， 应当被大力倡导发展的新能源。我国的风能资源丰富， 据相关研究初步统计： 我国实际可开发的风能存储量约为 10 亿千 瓦，风能被利用潜力十分巨大。这几年来我国对风能的利用研究进步极其可观。自从 1984 年 4 月在山东建成了第一个风力发电场并网发电使用后， 延续至今天， 我国已经先后一共建 成了 43 个风力发电场，装机总容量达到 76.3 万千瓦，遍及全国 14 个省，其中以内蒙古、 辽宁和新疆发展最为良好。1.2 风力发电系统研究的当前状况风作为一种清洁、 安全和取之不尽的新能源， 它没有碳排放的顾虑和燃料风险。 风能的 廉价特点使它可以大规模的开发和商业化的发电， 为解决日益严峻的能源危机风险提供了契 机，因此备受各个国家能源战略部所重视。风力发电按其结构、运行方式和控制原理可以分为许多不同类型。按风力发电的结构， 可以分为单叶风力发电机组、 双叶风力发电机组和三叶风力发电机组。 例如按运行方式， 风 力发电可以总的分为独立运行、 风力发电与其他发电方式 (如柴油机发电) 相结合和并入常 规电网运行向大电网送电。风力发电控制原理根据风力机组的叶片桨距可分为定桨距风力发 电机组和变桨距风力发电机组。在传统发电造成环境重大负担情况下，风力发电越发紧迫。风力发电最早出现在三千年 前，主要用作于碾米和提水。 到了二次世界战争期间， 丹麦出现了第一个现代风力发电机组， 有两叶和三叶风机输出直流电。 1951 年，丹麦 F.L.Smidth 发明了 35KW 交流风机。随后各国 也进入了研究和完善风力发电系统的步伐。我国自 1984 年 4 月在山东建成第一个风力发电 场并网发电后，风力发电的开发和使用就进入高速发展时期。至 2007 年，中国风电装机总 量为 605 万千瓦，风电装机容量已排名世界第五。 2015 年 11 月，我国海上最大风力发电机 组在福建莆田平海湾上安装成功。 伴随着计算机技术和自动化控制技术的成熟， 早起风力发 电的技术难题一一攻克。 Matlab 的风力发电系统更是完善着风力发电的智能化，运行更加 可靠，维护简便。因此对风力发电系统的精确仿真建模也更加必要。21.3 本论文主要任务风力发电系统的仿真本是一项复杂的工作，它包括俯仰角的控制、保护系统运行、风速变化的涡轮响应、静止同步补偿器影响等各种数学模型的总结。本论文主要由以下工作方面：1. 广泛阅读国内外相关的风力发电的文献，了解风力发电的历史和最新研究动态，主要 是对风力发电 MATLAB 的仿真研究。对所整理的资料进行认真分类研究，加以取精，以便帮助自己的课题研究。2. 在 MATLAB 的 simulink 中， 建立各个部分的仿真模型， 然后建立整个风力发电机组的 模型， 并且进行仿真的研究， 和对仿真结果进行综合分析， 最后指出不足之处以及需要改进的地方。3. 依据 MATLAB 仿真的结果进行综合分析思考，并且确定控制方法，最后再加以总结归 纳。第二章 Matlab-Simulink 电力系统仿真介绍2.1 MATLAB 的介绍MATLAB 目前是国际最出名、 好用之一的数学软件， 是由美国 MathWorks 公司研发出品。 矩阵是 MATLAB 的基本数据单位，数组是它的基本数据单元。最早的 MATLAB 是由 Fortran 语言编写的，虽然功能简单但是十分受广大人民喜爱。伴随着 MATLAB 的不断开发和完善， 数值计算功能越发强大， 还增加了图像处理功能， 使广大使用者使用更加方便， 得出的结果更加直观理解。在这其中还增加了 C、 JAVA、 C+等语言的支持。3图 2 1 MATLAB 界面MATLAB 的是一种精确度十分高的科学计算语言，它将计算、编程和可视化最大程度 的结合在一个易于使用的环境中。 在此种环境中， 使用者可以用自己所熟悉的数学符号表达 自己所提出的问题和解决问题的方法。它的经典使用案例包括：建模和仿真，数学和计算，应用程序开发，运算法则等。MATLAB 常用的计算方法包括逻辑运算，算术运算和关系运算。(一)逻辑运算：它的 值只有 1 (真)和 0 (假)两个值。它的基本运算量有或( 1)，非( )和与(&)。详见 图 2 2. (二)算术运算：它的表达式常是由数字或字母用运算符号组成的，包括 + (加)， (减)， * (乘)， (乘方)， .* (数组乘)， . (数组乘方)， kron (张量积)， / (斜杠 或右除)， (反斜杠或左除)， .或./ (数组除)。(三)关系运算：它是指两个元素之间 的比较，结果只为 1 (真)或 0 (假)。详见图 23.图 2-2 逻辑运算符图 2-3 关系运算符2.2 Simulink 的基本介绍Simulink 是 MATLAB 中一个极其重要的组件之一， 它可以为客户提供一个仿真综合分析 的集成和、动态系统仿真建模的环境，并且能准确地分析和控制系统的复杂模型。 它具有 两个十分明显的功能： 仿真和链接。 换而言之， 它可以直接使用鼠标在窗口中手动画出自己 所需要的系统控制模型， 紧接着再利用 MATLAB 自带功能来对该控制系统进行仿真模拟。 这 项创新是的原本十分复杂难懂的系统变得更容易输入。 Simulink 的出现可以说是在 MATLAB 的系统仿真中开创了里程碑， 它可以针对任何能够使用数学表达的系统进行仿真建模， 比如 汽车动力学系统、风力发电系统、通信系统等多领域应用。4图 2-4 Simulink 的应用界面Simulink 的模块库可以分为两大类：标准模块库和专业模块库。 Simulink 是 MATLAB 中的 一种可视化仿真工具 ，它主要被广泛应用于非线性系统、线性系统、数字信号的处理和数 字控制的仿真与模拟。在建立一个模型方块图的用户接口， Simulink 提供一种既简单又高效 的方法，整个过程中只需要移动鼠标和单击就可以完成，最后客户可以直接看到仿真结果。 Simulink 具有丰富的可扩充的自定义模块库，可以用设计功能的层次来分割模型，以便来实现复杂设计的管理。第三章 风力发电系统的建模和仿真3.1 引言本论文显示了一个使用感应发电机的风电场相 9 兆瓦光伏模拟(IG)的变桨距风力涡轮 机驱动。设计一个风力发电系统，实现六个 1.5 兆瓦风力涡轮机与 25 千伏配电系统通过 25 公里 25 千伏馈线 120 kV 电网相连。并实现对系统电压，电流以及转速的监测。这个例子使用了一个初始状态向量开始从稳态模拟。 当您对模型进行更改 (添加、 删除、 重命名等)时，初始状态向量需要再生或禁用，否则Simulink 信号错误当仿真开始。禁用该 模型的初始状态向量的使用，到模型参数配置工具的数据导入 /导出部分取消“负载下工作 区”部分的初始状态选项。 在对模型进行更改后重新生成初始状态向量， 按照此模型的初始 化文件中给出的说明。式(init_power_wind_ig”)在 MATLAB 提示符查看此文件。3.2 风力发电的建模风力发电的原理是利用风力带动风叶的转动，再利用增速机加速，以使发电机发电。见 图 2.15图 2.1 风力发电原理图其中风力发电的公式： P=A*V*Cp*D* ，也可以简单地写成： P=p*A*V*CpP 为功率 。A 是扫风的面积 ，即 A 等于*r (是 3.1415926， r 是半径，即是风叶的长度)。V：风速 (风力发电机组 WM 级地常见切入风速一般是 3m/s,切除风速是 27m/s，所以一般 只要常年的平均风速在这个范围内的， 都可以建设风力发电厂！ 但是为了经济效益， 一般选择风速还是要大于 10m/s 的地方！ )。Cp ：一般风能转化的率值，根据贝兹极限理论推导， Cp 值最高取值为 59%，但是如今的厂 家没有能力达到这个理论取值， 于是依据各个厂家的技术不同， 这个取值也就各有不同， 一般都做到 20-30,40 以上的取值十分少。因此这个取值也就比较重要的。D ：空气密度，它伴随着海拔升高而降低。 ：系数。本文系数取基本风速 V=9m/s，然后开始在 T = 2S “风机 1”，风速是撞到 11 米/秒， 3 秒。 同一阵风被应用到 3 和 2 秒， 2 秒和 4 秒的延迟。然后，在 15 秒的一个临时故障被施加在 “风力涡轮机 575 伏”的低电压端子(2 伏)。其仿真图及曲线见图 2-2。图 2-2 风速曲线3.3 风速变化的涡轮响应启动仿真，观察“风电机组”范围内的信号，有功功率，无功功率，发电机转速，风力， 桨距等。每对产生的有功功率开始增加顺利涡轮(连同风速)在约 8 秒达到其额定值的 36兆瓦。在时间框架的涡轮转速也从 1.0028 增加到 1.0047，聚氨酯 PU。最初，涡轮叶片的俯 仰角为零度。当输出功率超过 3 兆瓦，俯仰角从 0增加到 8，为了使输出功率回到它的 标称值。观察所产生的有功功率的增加，吸收的无功功率的增加。在额定功率下，每对风力 机吸收 1.47 MVAR。为 11m/s 风速，总输出功率的测量在 B25 总线是 9 兆瓦，静止同步补偿 器维持电压在 0.984 浦产生 1.62 Mvar (见图 2-3“B25Bus”和图 2-4 “静止”的范围)。图 2-3B25Bus图 2-4 “静止”打开涡轮机的菜单，看看水轮机和发电机的 2 组参数。每个风力涡轮机块代表 2 个 1.5 兆瓦的涡轮机。打开涡轮菜单，选择“涡轮数据”，检查“显示风力发电特性”。涡轮机械 动力作为功能的水轮机调速器为风速从 4 米/秒到 10 米/秒，额定风速产生额定机械功率显 示(1pu= 3 兆瓦)是 9 米/秒的风力机模型和 STATCOM模型(从事实库)是相量模型，允许 长时间的暂态稳定仿真研究。在这个例子中，系统在 20 秒。图 2-5 封装界面7图 2-5 封装界面3.4 静止同步补偿的作用静止同步补偿器(STATCOM)是一种并联型无功补偿的装置，它可以发出或吸收无功功 率并与系统进行无功功率交换的一种技术。 它与传统的无功补偿装置相比较， 它拥有连续调 节、损耗低、谐波小、可靠性高、调节速度快、运行范围宽等诸多优点。特别是动态无功补 偿更是提高稳定输电的一种有利地措施。在本论文风力发电系统的仿真中，你可以观察“静止同步补偿器”的影响。首先，打开 “三相故障”的块菜单，并禁用相位故障。然后把“静止”的服务通过双击“手动”开关块 相连的“行程”输入“静止”。重新启动仿真。观察“B25 总线”的范围，由于无功功率缺 乏支持，在“B25 总线”现在降到 0.91pu 电压。这种低电压条件的结果，在一个超载的“风 电 1 号”的免疫球蛋白。风力涡轮机 1 “错误在 13.43 秒，如果你看里面的“风轮机保护”， 你会看到，该行已开始由交流过流保护。8第四章 风力发电系统仿真介绍4.1 风力发电系统的设计仿真4.1 风力发电系统的仿真图本仿真主要有三相电源( 120KV、 50Hz)，三相阻抗(2500MVA 、 X0/X1=3)，三相变压 器(120KV/25KV、 47MVA)，三相接地变压器(X0=4.7Ohms)，三相线路(25km)，三 相电压电流测量元件(25KV) ,静止同步补偿器数据采集器，风力涡轮机等。4.2 风力发电系统设计仿真模拟初始化方法这 个 例 子 是 与 所 有 状 态 初 始 化， 以 便 模 拟 开 始 在 稳 态。 初 始 条 件 被 保 存 在 “power_wind_ig_xinit MAT 文件。”。当你打开这个模型，该 initfcn 回调(在模型属性 /回 调)自动加载到您的工作区中的内容。 mat 文件(“xinitial”变量)。如果你修改这个模型， 或改变参数值的功率元件，存储在“ xinitial”变量将不再是有效的，仿真 将发出一个错误 消息的初始条件。要为修改后的模型重新生成初始条件，请按照下面的步骤：1.在模拟的参数/配置/数据导入/导出参数菜单， uncheck “初始状态”参数。2.打开“风”子系统和定时器块标记为“wind1”和“wind2”，“暂时禁用Wind3 风速变化乘以时间(S)”载体 100。3.在“风”子系统，双击“三相故障”块和禁用 AB 接地故障(取消选择“相错”和“ B相故障”)。4.开始模拟。当仿真完成时，通过查看在作用域上显示的波形，验证了该稳定状态。已保 存在“xfinal”阵列可以作为未来模拟的初始状态的最终状态。执行接下来的两个命令拷贝 这些最后的条件”xinitial”和保存这些变量在一个新的文件 (mymodel_init。垫) 。* xinitial9= xfinal； * 保存 mymodel_init xinitial。5.在 “文件/属性/回调模型/ initfcn 窗口， 改变初始化文件的名称从“power_wind_ig_xinit” 到“mymodel_init”。下一次你打开这个模式，变 xinitial 保存在 mymodel_init.mat 文件将被 加载在您的工作区。6.在模拟/配置参数菜单中，检查“初始状态”。7.启动仿真并且验证您的模型开始在稳态。8.打开“风”子系统和定时器块标记为“wind1”，“wind2”和“重新启用 Wind3 风速分别为 t = 2 s 的变化， T = 4 s 和 t = 6 s (除去 100 的乘法因子)。9.在 “风电场”子系统中， 重新启用了 “三相故障”块中的接地故障 (检查 “故障”和“故障”)。10.仿真模型保存。第五章 风力发电系统仿真结果分析本风力发电系统仿真设计一个风力发电系统，实现六个 1.5 兆瓦风力涡轮机与 25 千伏 配电系统通过 25 公里 25 千伏馈线 120 kV 电网相连。并实现对系统电压，电流以及转速 的监测。系统包括六个 1.5 兆瓦风力涡轮机的风电场与 25 千伏配电系统通过 25 公里 25 千伏馈线 120 kV 电网相连。风力涡轮机使用鼠笼型异步发电机 (IG)。定子绕组直接连接到 60 赫兹的网格和转子驱动的变桨距风力发电机组。图 4-1 wind-farm 的内部图每一个涡轮机的风速控制的 “风 1”， “风 3”块。 最初，风速为 8 米/秒，然后开始在 T = 2S “风机 1”，风速是撞到 11 米/秒， 3 秒。同一阵风被应用到 3 秒和 2 秒， 2 秒和 4 秒的延 迟。 然后， 一个临时故障在 15 秒时候被施加在 “风力涡轮机 575 伏”的低电压端子 (2 伏)。 在 t = 15 s，在风力发电机组 2 端应用一个相位故障，使涡轮在 t = 15.11 s。如果你看看里面10的“风轮机保护”块你会发现行程已由交流欠压保护启动。在涡轮机 2 已经跳闸，涡轮机 1 和 3 继续产生 3 兆瓦。第六章 总结和展望6.1 总结风能是一种清洁、安全、可再生的取之不尽的能源，比较其他的不可再生能源如煤矿、石 油、 天然气等使用， 它的技术已经发展的比较成熟。 在国外已经有几十年的投产使用和研究 的历史，伴随风力发电技术在我国的普遍使用，使用 MATLAB 仿真风力发电场，针对风力发 电场的运行和保护，风力发电系统的仿真应用将发挥极其重要的作用。在基于 MATLAB 的风力发电系统设计仿真中， 风力发电机组 WM 级的一般切入风速是 3m/s, 切除风速是 27m/s，所以只要常年平均风速在这个范围内，都可以建设风力发电厂！但为了 经济效益，一般选择风速还是要大于 10m/s 的地方！在风力发电中电力的供电系统中， 静止同步补偿器可以有效地起到提高电网的功率因数的 作用，减少供电变压器及输送线路的损耗，因而提高供电效率，改善供电环境。风力发电机 在正常运行时， 它向电网输送的有功功率是随风力的大小而变化的，因此它所需要的无功 功率也是变化的。这就要求风力发电机的无功补偿电容器必须按照实际需要进行匹配。所以， 在风力发电系统中功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。6.2 展望发展风力发电已是世界能源发展的必经之路， 它的安全、 清洁和丰富决定风力发电的巨大 潜力。随着中国可再生能源发的颁布，我国已把风能的利用放在能源可持续发展的重要地位。但我国对风力发电系统的研究还有不足，有望改进：一是加深研究理解，准确地建立风力发电系统的整体动态仿真模型，包含变频器和电网 等重要组成部分， 而且要进行仿真观察和实验分析， 利于进行准确的系统分析， 以便实现系 统的优化和系统的最优控制。二是提高叶轮机的捕风能力，主要表现在增大叶轮的直径，提高单位千瓦扫的掠面积。三是提高风力发电的智能化控制，主要提高风力发电系统的自动完成信息采集、测量、 控制、保护、计量和检测等基本功能。，以高效、经济、安全、可靠为核心贯穿全程。参考文献(References)1葛海涛.基于 MATLAB 的风力发电系统仿真研究D.河北：河北电力大学，2010。 2蔡文祯.基于 MATLAB 的风力发电系统最大功率跟踪技术研究D.天津：天津职业技术师 范学院，2014。11致 谢在尊敬的万旻老师的悉心教导下历时三个月披阅十载,增删五次终于将这篇论文。从论 文的选题、资料的收集到最后的定稿，无不倾注着万旻老师的精心指导。在论文的写作过程中遇到了许多的困难和障碍， 都是在同学和老师的帮助下度过了。 特 别要由衷地感谢我的论文指导老师-万旻老师， 他总能在百忙之中抽出时间对我进行了无 私的指导和提供帮助，严厉的支出我论文的不足之处并热心提出自己宝贵的经验供我参考， 使之修改地更加完善。 另外， 在校阅览室查找资料的时候， 往往遇到计算机查阅资料时遇到 难题， 图书馆的老师总热心地给我提供了帮助。 在此向帮助过和指导过我的各位老师表示最 衷心、诚恳的感谢!感谢这篇论文中所涉及到的各位学者。本论文中引用了数位学者倾心研究文献中对我有 帮助的有用素材， 用来充实本文。 如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发， 我将很难完 成本篇论文的创作。感谢我的父母和同学， 在我写论文的过程中给予我了很多支持和理解， 并在收集论文资 料过程中给予援助之手， 还在论文的编写和排版的过程中提供许多珍贵意见， 使我受益匪浅。由于本人的专业知识积累水平有限， 所写论文中还有许多不周到之处， 希望各位老师和 学友给予批评和斧正!陈旭2016 年 3 月 21 日12