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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