文档介绍：实验一 :风力发电机组的建模与仿真
姓名:樊姗学号:031240521
一、实验目的:
1掌握风力发电机组的数学模型
2掌握在MATLAB/Simulink环境下对风力发电机组的建模、仿真与分析;
二、实验内容:
对风速模型、风力机模型、传动模型与发电机模型建模,并研究各自控制方法及控制策略;如对风力发电基本系统,包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析,探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型,对各个数学模型,应用 MATLAB 软件进行了仿真。
三、实验原理:
3、1风速模型的建立
自然风就是风力发电系统能量的来源,其在流动过程中,速度与方向就是不断变化的,具有很强的随机性与突变性。本课题不考虑风向问题,仅从其变化特点出发,着重描述其随机性与间歇性,认为其时空模型由以下四种成分构成:基本风速、阵风风速、渐变风速与噪声风速。即模拟风速的模型为:
(1-1)
(1)基本风速在风力机正常运行过程中一直存在,基本反映了风电场平均风速的变化。一般认为,基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定,且其不随时间变化,因而取为常数
(2)阵风用来描述风速突然变化的特点,其在该段时间内具有余弦特性,其具体数学公式为:
(1-2)
式中:
(1-3)
t 为时间,单位 s;T为阵风的周期,单位 s;,为阵风风速,单位m /s;为阵风开始时间,单位 s ;为阵风的最大值,单位 m/s。
(3)渐变风用来描述风速缓慢变化的特点,其具体数学公式如下:
(1-4)
式中:
(1-5)
为渐变风开始时间,单位 s;为渐变风终止时间,单位 s ;,为不同时刻渐变风风速,单位 m/s;为渐变风的最大值,单位 m/s 。
(4)随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点,此处不再描述。
3、2风力机模型的建立
风力机从自然风中所索取的能量就是有限的,其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转化将导致功率的下降,它随所采用的风力机与发电机的型式而异,因此,风力机的实际风能利用系数 <0、593。风力机实际得到的有用功率为:
(2-6)
而风轮获得的气动扭矩为:
(2-7)
其中:
表示有用功率,单位为 w;表示空气密度,单位为 Kg/m;R表示风轮转动半径,单位为 m;表示风速,单位为 m/s;表示风能利用系数;表示气动转矩系数;
并且有:
(2-8)
(2-9)
称为叶尖速比;为风轮角速度,单位为 rad/s。
3、3传动系统模型的建立
本实验在分析传动系统机理的基础上,建立系统的刚性轴模型。刚性轴模型认为传动系统就是刚性的,即低速轴,增速齿轮箱传动轴,高速轴都就是刚性的。忽略风轮与发电机部分的传动阻尼,最后可得传动系统的简化运动方程为:
(3-10)
其中:
为风轮转动惯量,单位;n 为传动比;为发电机转动惯量,单位;
为发电机的反转矩,单位。
并且:
(3-11)
为发电机转速,单位 rad/s。
3、4发电机模型的建立
本实验只建立发电机的模型,而忽略变频装置。发电机的反扭矩方程为:
(4-12)
(4-13)
其中:
为发电机极对数;为相数;