分布式风力发电建模

1、- . 分布式风力发电模型建立 1. 前言 在不断连续的能源紧中, 不少人想到了新能源利用； 利用洁净的能源 可 再生能源是人类社会文明进步的表现、是科学技术的开展、是环保理念的 表达；洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等,这都是可再生取之不 尽的能源,特殊是风能技术最为成熟,经济可行性较高,是一种较抱负的开 展能源；风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的；风能是太 阳能的一种转换形式,是一种重要的自然能源；把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电力动能,这就是风力 发电；风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋 转的速度提升,来促使发电机发电；依据目前的

2、风车技术,大约是每秒三米 的微风速度微风的程度 ,便可以开场发电；由于风力发电不需要使用燃 料,也不会产生辐射或空气污染,风力发电正在世界上形成一股热潮；风力发电系统的模型主要包括风速模型,传动系统模型,发电机模型；本次课程设计就从这几个方面建模讨论；2. 风速模型建立 自然风是风力发电系统能量的主要来源,它的速度方向是不断变化的,具有很强的随机性和突变性；为了简化风力模型,我们没有考虑风向问题,仅仅是从风力变化特点动身,着重描述风速的随机性和间歇性；风速一般由- 四个重量构成：根本风速、阵风风速、阶跃风速和随机风速噪声风速；所以模拟风速模型为：-.可修编 - . - . 2.1.根本风速 根

3、本风速在风力机正常运行时是始终存在的,根本反响了平均风速变 化；所以,我们将根本风速设定为一个定值,采纳一个阶跃信号对其进展模 拟；其仿真图和曲线如下图；图 2.1.1根本风速仿真图 2.1.2 根本风速曲线 2.2.阵风 阵风表达了自然风的突变性,在阵风连续时间,风速表达为余弦特性,详细数学表达式为 : 式中 _D_D为阵风的周期,单位；为阵风的开场时间,单位；为阵风的最大值,单位；仿真图和曲线如下图；- -.可修编 - . - . 图 2.2.1 阵风仿真图 2.2.2 阵风曲线2.3.阶跃风阶跃风描述了风速缓慢变化的特点,其详细的数学公式如下：式中 _为阶跃风的最大风速连续时间,单位；为

4、阶跃风的开场时间,单位；为阶跃风最大风速的开场时间,单位；为阵风的最大值,单位；仿真图和曲线图如下图；- -.可修编 - . - . 图 2.3.1阶跃风仿真图 2.3.2 阶跃风曲线2.4.随机风速随机风速描述了相对高度上的风速变化特点,进展的模拟,仿真曲线如下图；我们采纳了随机数的方式- -.可修编 - . - . 图 2.4.1 随机风曲线2.5.自然风速模拟将以上四种风速成份相互叠加,就形成的自然风的特性,整体的仿真图和曲线如下图；图 2.5.1 自然风速整体仿真- -.可修编 - . - . 图 2.5.2 自然风速参数设置图 2.5.3 自然风速曲线3. 风力机模型建立风力机是风力

5、发电系统中将风能转化为发电机可用的机械能的最重要的部件；风以肯定的速度和角度作用于桨叶上,进而转化为旋转力矩使得桨- -.可修编 - . - . 叶旋转,将风能转化为机械能,风力机是发电机能量的来源；风能的大小与气流的密度和通过面积成正比,与气流流速的立方成正 比；风力机实际得到的有用功率的表达式简化如下：风力机获得的气动扭矩表达式简化为：式中 : 表示有功功率,单位为；表示空气密度,单位为；表示风轮机转动半径,单位为；表示风速,单位；表示风能利用系数,._D_Dd_表示气动转矩系数,并且有：通过有关讨论资料查找,风能利用系数 值可近似用如下公式表示：_ 依据以上公式建立仿真模型,如下图；-

6、-.可修编 - . - . 图 3.1 风力机仿真图 3.2 风力机参数设置 系统输入为风速、风轮机转速和初始桨距角；输出为功率和转矩；4. 传动系统模型建立 由于风力发电机启停频繁,风轮具有很大的转动惯量,因此风轮机与发 电机之间需要设置增速器；为了简化传动系统的数学模型,我们在对其进展 建模时认为传动系统是刚性的,且忽视风轮和发电机的传动阻尼,最终传动 系统的简化运动方程为：- -.可修编 - . - . 式中_为风轮转动惯量,单位；_为发电机的转动惯量,单位；为发电机的反转矩,单位依据上述公式建立仿真模型,如下图；图 4.1 传动系统仿真- -.可修编 - . - . 图 4.2 传动系

7、统参数设置系统输入为风轮转矩和发电机的发扭矩,输出为风轮转速；5. 发电机模型建立风力发电机组中的发电机一般采纳异步发电机,这样不仅提高了低功率时发电机的效率,而且仍改善了低风速时的叶尖速比,提高了风能的利用系 数降低了运行时的噪音；本次建模并没有考虑变频装置模型,简化了发电机 的模型；发电机的反扭矩方程为：式中：- 转速；_D_Dd为相数；为电压；为修正系数；为发电机的当量为发电机转速；为发电机的同步转速；,分别为定子绕组-.可修编 - . - 和. 的电阻和漏抗；分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗,单位为依据上述公式建立仿真模型如下图；图 5.1 发电机仿真- -.可修编 - . - . 图

8、 5.2 发电机参数设置系统输入为发电机的转速和电压,系统的输出为发电机的反扭矩；6. 风力发电机整体模型建立对于整体建模, 由于各个模块都比拟复杂, 所以我们采纳子系统的方式,分别形成自然风子系统、风力机子系统、发电机子系统和传动系统子系统；形成的整体模型如下图；- -.可修编 - . - . 图 6.1 风力发电整体建模方正由于仿真刚开场是风轮转速为0,所以整个系统无常运作,为了使仿真模型在开场时有一个足以使仿真运作的初速度,系统添加了一个规律运算,设置了一个初始风轮转速；7. 仿真结果图 7.1 风力机转速图 7.2 风力机输出功率图 7.3 发电机转速图 7.4 发电机输出功率- -.可修编 - . - . 8. 完毕说明风力发电系统仿真完毕,本次仿真所用到的参数如下表所示：