畢業(yè)論文---基于matlab的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

1、<p>　　基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　摘要：本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成及原理，并建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型, 并用MATLAB 軟件對風(fēng)速模型進(jìn)行了仿真, 結(jié)果證明了這些模型的正確性和有效性,說明了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真在對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析中的重要作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;MATLAB仿

2、真; 動(dòng)態(tài)模型; 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　近幾年來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模都日益擴(kuò)大，成為電網(wǎng)電源中的重要組成部分。風(fēng)力的隨機(jī)性和間歇性以及機(jī)組運(yùn)行時(shí)的對無功的需求都會(huì)影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，在風(fēng)電場建設(shè)前，需要論證分析風(fēng)電場接入電網(wǎng)的可行性和確定允許接入的容量水平。作為分析的基礎(chǔ)，需要建立正確的風(fēng)

3、電機(jī)組和風(fēng)電場的數(shù)學(xué)模型。另外，針對新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，也需要根據(jù)其特性建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，分析它的運(yùn)行結(jié)果。因此，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的課題研究是非常有必要的，對我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將起到重要的推動(dòng)作用。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)組成原理</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常亦被稱為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。典型的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括起支撐作用的塔架、風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置—風(fēng)

4、輪機(jī)（葉片、輪轂及其控制器）、起連接作用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)—傳動(dòng)軸、齒輪箱、能量轉(zhuǎn)換裝置—發(fā)電機(jī)及其它風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)—偏航系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。風(fēng)力發(fā)電過程是：自然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉輪，帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將機(jī)械能送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)由機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，最后風(fēng)電場將電能通過區(qū)域變電站注入電網(wǎng)。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能→機(jī)械能→電能。</p><p>　　2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對并網(wǎng)運(yùn)行的

5、影響</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊影響</p><p>　　異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，沒有獨(dú)立的勵(lì)磁裝置，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)本身沒有電壓，因此并網(wǎng)時(shí)必然伴隨一個(gè)過渡過程。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流的大小，與并網(wǎng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)電壓的大小、發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗以及并網(wǎng)時(shí)的滑差有關(guān)。滑差越大則交流暫態(tài)衰減時(shí)間就越長，并網(wǎng)時(shí)沖擊電流有效值也就越大。目前可以通過加裝軟起動(dòng)裝置和風(fēng)機(jī)非同期

6、并網(wǎng)來削弱沖擊電流，但同時(shí)給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。</p><p>　　2.2 對電能質(zhì)量的影響</p><p>　　風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動(dòng)的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，包括對電網(wǎng)頻率的影響和電網(wǎng)電壓的影響，對電壓的影響如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波以及周期性電壓脈動(dòng)等。</p><p>　　2.3 對電壓穩(wěn)定性的影

7、響</p><p>　　對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅一方面是風(fēng)速的波動(dòng)性和隨機(jī)性引起風(fēng)電場出力隨時(shí)間變化且難以準(zhǔn)確預(yù)測，而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入系統(tǒng)時(shí)潛在安全隱患。另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。</p><p>　　2.4 對現(xiàn)有電網(wǎng)保護(hù)裝置的影響</p><p>　　與常規(guī)配電網(wǎng)保護(hù)不同，通過風(fēng)電場與電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的潮流有時(shí)是雙向的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

8、在有風(fēng)期間都是和電網(wǎng)相連的，當(dāng)風(fēng)速在起動(dòng)風(fēng)速附近變化時(shí)，為防止風(fēng)電機(jī)組頻繁投切對接觸器的損害，允許風(fēng)電機(jī)組短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)會(huì)改變聯(lián)絡(luò)線的潮流方向，繼電保護(hù)裝置應(yīng)充分考慮到這種運(yùn)行方式。其次，并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)沒有獨(dú)立的勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)由于機(jī)端電壓顯著降低，異步發(fā)電機(jī)僅能提供短暫的沖擊短路電流。</p><p>　　總之，風(fēng)電場故障電流主要是公用電網(wǎng)電源提供的，風(fēng)電場保護(hù)的技術(shù)困難是怎樣根據(jù)有限

9、的故障電流來識別故障的發(fā)生，使保護(hù)裝置快速而準(zhǔn)確的動(dòng)作。</p><p>　　3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　3.1 風(fēng)速模型</b></p><p>　　風(fēng)速是風(fēng)力機(jī)的原動(dòng)力，它的模型相對于風(fēng)電機(jī)組比較獨(dú)立。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究中，為了較精確地描述風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，本研究中沿用國內(nèi)外使用較多的風(fēng)力四分量模型，各

10、分量分別為基本風(fēng)VA、陣風(fēng)VB、漸變風(fēng)VC和隨機(jī)風(fēng)VD。</p><p>　　由于風(fēng)力機(jī)感受到的風(fēng)速主要是輪轂高度H處的風(fēng)速VW，風(fēng)速從測風(fēng)高度H0到風(fēng)力機(jī)輪轂高度H必須進(jìn)行修正。這在風(fēng)速數(shù)據(jù)的處理和分析過程中是應(yīng)該考慮的因素。修正公式為：</p><p><b>　　(3.1) </b></p><p>　　(其中α為高度修正系數(shù)，一般工程應(yīng)

11、用取1/7)</p><p>　　下面分別介紹各風(fēng)力分量的計(jì)算公式。</p><p><b>　　（1）基本風(fēng)</b></p><p>　　可以由風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)獲得的威布爾分布參數(shù)近似確定，由威布爾分布的數(shù)學(xué)期望值可得：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><

12、p>　　VA基本風(fēng)速(m/s)，A和K是威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，Γ(1+1/K)</p><p><b>　　表示伽馬函數(shù)。</b></p><p><b>　?。?）陣風(fēng)</b></p><p>　　描述風(fēng)速突然變化的特性一般用陣風(fēng)來表示。</p><p><b>　　(3

13、.3)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　VB，T1G，TG，maxG分別為陣風(fēng)風(fēng)速(m/s)，起動(dòng)時(shí)間(s)，周期(s)和最大值(m/s)。</p><p><b>　?。?）漸變風(fēng)</b></p><p>　　對風(fēng)速的漸變特性可以用漸變風(fēng)成分來表示

14、。</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　式中VC，maxR，T1R，T2R，TR分別為漸變風(fēng)風(fēng)速(m/s)、最大值(m/s)、起動(dòng)時(shí)間(s)、終止時(shí)間(s)和保持時(shí)間(s)。</p><p><b>　?。?） 隨機(jī)

15、風(fēng)</b></p><p>　　風(fēng)速的隨機(jī)性一般用隨機(jī)噪聲風(fēng)分量來表示。</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　式中：指0～2π之間均勻分布的隨機(jī)變量；KN指地表粗糙系數(shù)；F指擾動(dòng)范圍()；μ指相對高度的平均風(fēng)速(

16、m/s)；N指頻譜取樣點(diǎn)數(shù)，指各個(gè)頻率段的頻率。</p><p>　　綜合上述四種風(fēng)速成分，模擬實(shí)際作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　在暫態(tài)研究中，由于電力系統(tǒng)故障時(shí)間較短，可認(rèn)為在暫態(tài)從發(fā)生到恢復(fù)過程中，通過風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)速保持不變。</p><p>　　3.2

17、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型</p><p>　　風(fēng)力機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由輪轂、傳動(dòng)軸和齒輪箱組成。一般認(rèn)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于剛性器件，一階慣性環(huán)節(jié)即可表示該機(jī)構(gòu)的特性。</p><p>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程如式(3.7)：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其中，Mae傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)矩(p.u.)，Mm為傳動(dòng)

18、機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩(p.u.)，Tk為輪轂慣性時(shí)間常數(shù)(s)。在簡化模型中可將傳動(dòng)軸的慣量等效到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中，齒輪箱為理想的剛性齒輪組。</p><p>　　3.3 異步發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般為異步發(fā)電機(jī)，定子繞組與電源直接相連，因此定子繞組電勢和電流的頻率決定于系統(tǒng)頻率，而轉(zhuǎn)子繞組電勢和電流的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)，它取決于空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度。由

19、傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的觀點(diǎn)，它的等值電路和矢量圖如圖3.1和圖3.2所示。</p><p>　　圖3.1異步發(fā)電機(jī)等值電路圖 圖3.2異步發(fā)電機(jī)矢量圖</p><p>　　規(guī)定電機(jī)定子電流的正方向?yàn)殡娏髁鞒鲭姍C(jī)為正，定子各相正值電流產(chǎn)生負(fù)值磁鏈，轉(zhuǎn)子電流和磁鏈的正方向也按定子規(guī)則來選定。忽略定子繞組暫態(tài)過程，即令，則定子電壓方程如式(3.8)：</p>

20、;<p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中：Ud、Uq為分別為定子繞組d軸和q軸電壓，Id、Iq分別為定子繞組d軸和q軸電流，Ψd、Ψq分別為定子繞組d軸和q軸磁鏈，Rs為定子電阻，ωs為同步角速度。</p><p>　　磁鏈與暫態(tài)電勢和電流的關(guān)系：</p><p><b>　　(3.9)<

21、/b></p><p>　　其中：、分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸的暫態(tài)電勢，為異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗(p.u.)，可由公式計(jì)算得到。</p><p>　　，，分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗和激磁電抗。</p><p>　　以暫態(tài)電勢為狀態(tài)變量，忽略定子繞組的暫態(tài)過程，可推得：</p><p><b>　　(3.10)</b

22、></p><p>　　式中：X為定子的同步電抗，</p><p>　　T0’為定子繞組開路時(shí)轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　該電勢方程的相量形式為：</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　其中s為發(fā)電機(jī)滑差，為系統(tǒng)頻率(50Hz)。為暫態(tài)電勢。<

23、;/p><p>　　定子繞組電磁方程式：可由上面推導(dǎo)而得。忽略定子繞組電磁暫態(tài)時(shí)，即在機(jī)電暫態(tài)下，以定子量表示的異步發(fā)電機(jī)三階數(shù)學(xué)模型如下：</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　其中下標(biāo)為d表示直軸量，下標(biāo)為q表示交軸量。表示異步發(fā)電機(jī)的滑差(發(fā)電時(shí)為負(fù)值)，X表示同步電抗，表示暫態(tài)電抗，表示定子繞組開路時(shí)的轉(zhuǎn)子繞

24、組時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式：反映了作用于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度與作用與轉(zhuǎn)子的不平衡轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　為作用在轉(zhuǎn)子軸上的不平衡轉(zhuǎn)矩。Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由此可推得式(3.14)。</p>&l

25、t;p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　其中MT、ME分別為異步發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩(p.u.)</p><p>　　為異步發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)(s)</p><p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩方程式：</b></p><p><b>　　(3.15)</b&

26、gt;</p><p>　　式中各物理量含義同前面的公式。</p><p><b>　　4 仿真分析</b></p><p>　　由于本系統(tǒng)較大，本文只對風(fēng)速部分進(jìn)行仿真研究，系統(tǒng)風(fēng)速的仿真采用 Matlab/Simulink 來完成， 如圖4.1風(fēng)速的仿真模型，從圖中我們可以看出系統(tǒng)風(fēng)速仿真包括：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)。 </p

27、><p>　　圖4.1 風(fēng)速的仿真模型</p><p>　　圖4.2 基本風(fēng)+陣風(fēng)+漸變風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)仿真圖</p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　從圖中可以看出，藍(lán)色的曲線表示的是基本風(fēng)速，風(fēng)速保持恒定為3m/s。綠色的曲線表示為陣風(fēng)，0~2s時(shí)，保持著初始的風(fēng)速，在t=2s時(shí)，出現(xiàn)了陣風(fēng)，陣風(fēng)

28、維持時(shí)間為T=8s，陣風(fēng)風(fēng)速的幅值為3m/s。紅色的曲線表示為漸變風(fēng)，0~1s時(shí)，保持著初始的風(fēng)速，在t=1s時(shí)，出現(xiàn)了漸變風(fēng)，維持時(shí)間為2s，在峰值處保持時(shí)間為7s，漸變風(fēng)風(fēng)速幅值為1m/s。圖中淡藍(lán)色曲線則表示的是隨機(jī)風(fēng)，在風(fēng)速為0.4m/s的基礎(chǔ)上加入隨機(jī)風(fēng)分量，擾動(dòng)范圍為2000m2，相對高度平均風(fēng)速為2m/s。仿真為了顯著表明隨機(jī)風(fēng)的影響，對于隨機(jī)風(fēng)的變化范圍設(shè)置比較大。在實(shí)際風(fēng)速中的隨機(jī)分量比圖中所示要小的多。</p&

29、gt;<p><b>　　風(fēng)速的疊加結(jié)果是：</b></p><p>　　圖4.3 疊加風(fēng)速圖</p><p>　　從仿真結(jié)果圖中可以看出風(fēng)速疊加后的基本風(fēng)速的風(fēng)速為4m/s，波形接近正弦波。</p><p>　　結(jié)果表明，對風(fēng)速各個(gè)部分建立的數(shù)學(xué)模型的正確性和有效性，仿真結(jié)果基本與實(shí)際相符。</p><p&

30、gt;<b>　　5 結(jié)束語</b></p><p>　　本文介紹了風(fēng)速模型在風(fēng)力發(fā)電的研究建模中的重要意義, 并采用了組合風(fēng)速數(shù)學(xué)模型, 即將自然風(fēng)速分為基本風(fēng)速、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng), 通過M atlab /Simulink對該模型進(jìn)行建模, 仿真結(jié)果良好的描述了風(fēng)速的規(guī)律性、隨機(jī)性等特點(diǎn), 表明了組合風(fēng)速不僅能反映自然風(fēng)速的特性, 避免風(fēng)速模型計(jì)算的復(fù)雜性, 而且可以有針對性地考驗(yàn)風(fēng)

31、力發(fā)電系統(tǒng)在陣風(fēng)、漸變風(fēng)時(shí)的性能, 為實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的研究提供了良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)（第四版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.23-33，164-165.</p><p>　　[2]李勤.無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究 [J].浙江大學(xué)，200

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