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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、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电根本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进展全面分析，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 软件进展了仿真。
三、实验原理：
自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。本课题不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成:根本风速、阵风风速、渐变风速和噪声风速。即模拟风速的模型为：
〔1-1〕
〔1〕根本风速在风力机正常运行过程中一直存在，根本反映了风电场平均风速的变化。一般认为，根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：
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〔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；为阵风开场时间，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〕
为渐变风开场时间，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。
风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失局部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和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数 <。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：
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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。
本实验在分析传动系统机理的根底上，建立系统的刚性轴模型。刚性轴模型认为传动系统是刚性的，即低速轴，增速齿轮箱传动轴，高速轴都是刚性的。忽略风轮和发电机局部的传动阻尼，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。
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：
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