大型变速恒频风电系统的建模与仿真

收稿日期:2009-05-18 第26卷　第10期计　算　机　仿　真2009年10月 文章编号:1006-9348(2009)10-0294-04变速恒频双馈异步风力发电机建模与仿真研究王兴武1,张照彦2,武永利2(1.华北电力大学仿真与控制技术研究所,河北保定071003;2.保定华仿科技有限公司,河北保定071051)摘要:变速恒频发电是一种全新高效发电方式,适用于风力发电等可再生能源开发利用。

为了实现变速下调节系统的稳定性,根据双馈异步风力发电机原理,建立双馈异步发电机的数学模型,采用变速恒频风力发电机运行特点分析双馈异步发电机控制模型。

在S T A R-90仿真支撑平台上开发仿真算法,建立双馈异步发电机及其控制的仿真模型,通过仿真验证模型的有效性。

仿真实验结果表明,模型能正确反映变速恒频双馈异步风力发电机的运行特性,对实际风电机组的仿真研究及运行分析具有参考意义。

关键词:风力发电机;变速恒频;仿真中图分类号:T P 391.9 文献标识码:AMo d e l i n g a n d S i m u l a t i o no f V a r i a b l e -S p e e dC o n s t a n t -F r e q u e n c yD o u b l e -F e d Wi n dG e n e r a t o rW A N GX i n g -w u 1,Z H A N GZ h a o -y a n 2,W UY o n g -l i2(1.I n s t i t u t e o f S i m u l a t i o n ＆C o n t r o l ,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ,B a o d i n g H e b e i 071003,C h i n a ;2.B a o d i n g S i n o S i m uT e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n .L t d ,B a o d i n g H e b e i 071051,C h i n a )A B S T R A C T :V a r i a b l e -S p e e d C o n s t a n t -F r e q u e n c y (V S C F )i s a n e we f f i c i e n t m e t h o d f o r g e n e r a t i n g e l e c t r i c p o w -e r .I t i s a d a p t a b l e t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h er e n e w a b l e e n e r g y s u c h a s w i n d p o w e r .T h e p a p e r a n a l y z e s t h e t h e o r y o fd o u b l y -fe di n d u c t i o n g e n e r a t o r (D F I G )u s e d i n w i n dp o w e r ,b u i l d s a m a t h e m a t i c m o d e l of D F I G ,a n d t h e n a n a l y -z e s t h e c o n t r o l m o d e l o f D F I Ga c c o r d i ng t o th e o p e r a ti o nc h a r a c t e r i s t i c o f V S C F g e n e r a t o r .I t u s e s S T A R-90s i m u l a -t i o ns u p p o r t p l a t f o r mt o d e v e l o ps i m u l a t i o na r i t h m e t i c ,b u i l ds i m u l a t i o nm o d e l o f D F I Ga n di t s c o n t r o l s y s t e m ,a n d v a l i d a t e t h em o d e l b y m e a n s o f s i m u l a t i o n .I t i s s h o w e d b y t h er e s u l t s o f s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t t h a t t h e m o d e l s o u t p u t i s c o n s i s t e n t w i t ht h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f V S C FD F I G ,a n dt h e a n a l y s i s r e s u l t o f t h i s p a p e r h a s r e f e r -e n c e v a l u e f o r t h e s i m u l a t i o n r e s e a r c ha n do p e r a t i o na n a l y s i s o f a c t u a l w i n dt u r b i n e .K E Y WO R D S :Wi n d p o w e r g e n e r a t o r ;V a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y (V S C F );S i m u l a t i o n1　引言风力发电是最有发展前途的可再生能源形式之一,对于节约能源、保护环境和促进可持续发展具有重要作用。

风力发电系统的动态建模与仿真随着全球对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。

风力发电系统的动态建模与仿真是研究和优化风力发电系统运行的重要手段，有助于提高风力发电系统的效率和可靠性。

本文将探讨风力发电系统动态建模与仿真的方法和应用，以及在模型开发和仿真过程中需要注意的问题。

一、风力发电系统的动态建模风力发电系统包括风力机、风能转换子系统、并网变频器、变电所和电网等组成部分。

为了对风力发电系统进行动态建模，需要考虑各个组件之间的相互作用和系统运行的特点。

1. 风力机的动态建模风力机是风力发电系统的核心部件，负责将风能转化为机械能。

风力机的动态建模需要考虑风速对风轮转速的影响、风轮转速对发电机转速的影响以及风轮和转子之间的功率传递过程。

一种常用的方法是使用变力学方程描述风力机的运动过程，并结合风力和风功率曲线进行模拟。

2. 风能转换子系统的动态建模风能转换子系统包括风能转换器、传动装置和发电机等。

风能转换器将机械能转化为电能，传动装置则负责将风力机的转速传递给发电机。

在进行动态建模时，需要考虑风能转换器和传动装置的效率、传动过程中的能量损耗以及发电机的电力输出特性。

3. 并网变频器和变电所的动态建模并网变频器和变电所是将风力发电系统产生的电能接入电网的关键设备。

并网变频器的主要功能是将发电机输出的低频交流电转换为电网所需的高频交流电，同时负责控制电网功率的调节。

变电所则负责将风电场产生的电能集中输送到电网。

在进行动态建模时，需要考虑并网变频器和变电所的功率转换过程、电力损耗以及对电网供电稳定性的影响。

二、风力发电系统的仿真风力发电系统的仿真可以通过使用专业的仿真软件或自行开发仿真模型来实现。

仿真可以帮助研究人员和工程师在实际运行之前评估系统性能、验证设计和控制方案的有效性，以及优化风力发电系统的运行策略。

1. 仿真软件的选择和应用目前市场上有多种风力发电系统仿真软件可供选择，例如，DigSilent、PSCAD、Matlab/Simulink等。

变速恒频风力发电机组建模、仿真及其协调优化控制的开题报告一、课题背景随着世界发展的需求以及环保意识的不断增强，清洁能源的应用越来越为人们所关注。

其中，风能在不污染环境的前提下，能够提供可靠稳定且可预测的电能，成为清洁能源的重要组成部分。

在风力发电中，变速恒频技术是当前应用比较广泛的一种技术。

它通过对风力发电机的轴速进行调整来控制输出功率，从而适应不同的风速条件。

然而，变速恒频风力发电系统本身也存在着一些问题。

例如，转子振动、电网电压波动、电力系统的稳定性等方面都需要进行优化控制。

因此，针对变速恒频风力发电系统的建模仿真以及协调优化控制具有较高的研究价值。

二、研究内容本课题的主要研究内容包括：1. 变速恒频风力发电机组的建模：通过分析变速恒频风力发电机组的结构和工作原理，建立相应的数学模型，包括机械模型、电气模型和控制模型。

2. 变速恒频风力发电机组的仿真：利用Matlab/Simulink等仿真软件，对所建立的数学模型进行仿真，验证模型的正确性和可行性。

3. 协调优化控制策略：设计协调优化控制策略来克服电力系统中存在的问题，包括电网电压波动、电力系统的稳定性等方面。

4. 优化控制方案的实现：将协调优化控制方法应用到实际变速恒频风力发电系统中，验证其有效性和鲁棒性。

三、研究意义通过对变速恒频风力发电机组进行建模、仿真和协调优化控制，可以实现对风力发电系统的优化控制，提高风力发电系统的性能和效率，减少对电网的影响，并推动清洁能源的发展。

同时，本课题的研究结果可以为其他相关领域的研究提供参考，如微电网和智能电网等。

四、研究方法本课题的研究方法主要包括：1. 理论分析方法：通过对变速恒频风力发电机组的机械、电气和控制等方面进行详细的理论分析，建立相应的数学模型。

2. 数值仿真方法：利用Matlab/Simulink等仿真软件对所建立的数学模型进行仿真，验证模型的正确性和可行性。

3. 实验方法：将协调优化控制方法应用到实际变速恒频风力发电系统中，通过实验对优化控制方案进行验证。

摘要风能作为一种清洁的可再生能源，在当今能源短缺的情况下，变的越来越重要。

由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。

控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。

本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略，通过使用电力系统动态模拟仿真软件PSCAD/EMTDC，建立变桨距风力发电机组控制系统的模型。

为了验证控制系统模型的可用性，建立风力发电样例系统模型，对样例系统进行模拟仿真，并对所得的仿真结果进行了分析，从而证实了风力发电机组控制系统模型的可用性,然后得出了它的控制方法。

通过对风力发电机组控制系统的模拟仿真，可得如下结论：风力发电机变浆距控制属非线性动态控制，在风力发电机组起动时，通过改变桨叶节距来获得足够的起动转矩，达到对风轮转速的控制的目的；当风速高于额定风速时，通过自动调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，满足风力发电系统输出功率稳定和功率曲线优化的双重要求。

关键词：风力发电；控制系统；PSCAD/EMTDC；仿真分析AbstractThe wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. Because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. The control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.The design mainly bases on the control target and strategies of the wind power generation. We have established the alterable pitch control model using the power system dynamic simulation software PSCAD/ EMTDC. Also we have established the model of the wind power system for validating the usability of the controller model. We have simulated the whole system and analyzed the result of simulation, and confirmed the usability of the controller model and its control method.We have simulated the control system model of the wind power generation, and got a conclusions: The alterable pitch control of wind power generation is the non-linear dynamic control, control system changed pitch angle for acquiring starting torque while the wind power generation started; we adjusted the pitch angle for changing angle which airflow blow vane , when the wind speed exceed rated speed, then changed the torque of aerodynamics for Satisfing dual demand which are steady power output of the wind power generation and optimizing the power curve .Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

风力发电机组系统建模与仿真研究一、概述随着全球能源危机和环境问题的日益严重，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛关注。

风力发电机组作为风力发电的核心设备，其性能优化和系统稳定性对于提高风电场的整体效率和经济效益具有重要意义。

对风力发电机组系统进行建模与仿真研究，不仅可以深入了解风力发电机组的运行特性和动态行为，还可以为风力发电系统的优化设计、故障诊断和性能提升提供理论支持和技术指导。

风力发电机组系统建模与仿真研究涉及多个学科领域，包括机械工程、电力电子、自动控制、计算机科学等。

建模过程需要考虑风力发电机组的机械结构、电气控制、风能转换等多个方面，以及风力发电机组与电网的相互作用。

仿真研究则通过构建数学模型和计算机仿真平台，模拟风力发电机组的实际运行过程，分析不同条件下的性能表现和动态特性。

近年来，随着计算机技术和仿真软件的不断发展，风力发电机组系统建模与仿真研究取得了显著进展。

各种先进的建模方法和仿真工具被应用于风力发电机组系统的研究中，为风力发电技术的发展提供了有力支持。

由于风力发电的复杂性和不确定性，风力发电机组系统建模与仿真研究仍面临诸多挑战，需要不断探索和创新。

本文旨在对风力发电机组系统建模与仿真研究进行全面的综述和分析。

介绍风力发电机组的基本结构和工作原理，阐述建模与仿真的基本原理和方法。

重点分析风力发电机组系统建模与仿真研究的关键技术和挑战，包括建模精度、仿真效率、风能转换效率优化等方面。

展望风力发电机组系统建模与仿真研究的发展趋势和未来研究方向，为风力发电技术的持续发展和创新提供参考和借鉴。

1. 风力发电的背景和意义随着全球能源需求的不断增长，传统能源如煤炭、石油等化石燃料的消耗日益加剧，同时带来的环境污染和气候变化问题也日益严重。

寻找清洁、可再生的能源已成为全球关注的焦点。

风能作为一种清洁、无污染、可再生的能源，正受到越来越多的关注和利用。

风力发电技术作为风能利用的主要方式之一，具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

０．０８０．０６０．０４０．０２０－０．０２－０．０４０５１０１５２０００．５１．５１．０β／ｒａｄλＣｑ图１风力机转矩系数曲线Ｆｉｇ．１Ｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ大型变速恒频风电系统的建模与仿真孙国霞，李啸骢，蔡义明（广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４）摘要：针对兆瓦级变速恒频风力发电系统，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了包括风机、传动齿轮、双馈发电机在内的大型风电系统的整体动态数学模型。

传统的最大风能捕获算法往往基于最优功率曲线和部分风机参数已知，当上述参数未知或出现扰动时，风电系统的效率会严重降低。

针对此不足，基于所建模型设计了变步长最大风能捕获控制器，该控制器采用矢量控制算法，实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制；针对有功功率控制，控制器根据发电机输出转速扰动时，相应输出有功功率的变化变步长地调整系统输入，直到系统运行到最大风能点。

仿真结果验证了风电系统模型的正确性以及控制器的有效性。

关键词：风力发电系统；双馈发电机；矢量控制；最大风能追踪中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６０４７（２００７）１０－００６９－０４收稿日期：２００６－０９－１１；修回日期：２００７－０３－０５电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２７Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００７第２７卷第１０期２００７年１０月０引言在众多的计算机仿真软件中，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为动态系统的设计与控制策略的开发提供了直观、方便、交互式的图形化集成仿真环境，获得了广大工程研究人员的青睐。

现基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了以双馈电机为发电机的大型变速恒频风电系统［１－３］的整体动态数学模型，该模型包括风机、传动齿轮、发电机、控制器４个部分。

其中，为提高低风速下的风电系统的运行效率，设计了运用变步长搜索算法的最大风能追踪控制器，该控制器收敛速度快，并且不需要风机系统的任何参数，具有很好的鲁棒性能。

基于PSCAD E M T DC变速恒频风电机组控制系统仿真①张开明(盐城师范学院物理系,盐城224002)摘要:控制系统使变速风电机组具有了诸多优越性能,同时也在很大程度上决定了变速风电机组的运行特性,准确模拟控制系统的工作特性是建立变速风电机组动态模型的关键。

为此,以电磁暂态仿真软件PSCAD E M TDC为平台,应用电机矢量控制原理与P I调节器串联校正等方法建立了基于双馈电机的变速风电机组控制系统,并依据变速风电机组控制目标的要求校验了控制系统性能,验证了控制系统的有效性。

关键词:变速风电机组;双馈电机;控制系统;动态模型中图分类号:TM315;TM301.2 文献标志码:A 文章编号:100328930(2008)0320070207Si m ula tion of the Var i able-speed Con stan t-frequency W i nd Turb i ne Con trol System Ba sed on PSCAD E M T DCZHAN G Kai2m ing(D ep artm en t of Physics,Yancheng T eachers U n iversity,Yancheng224002,Ch ina)Abstract:T he con tro l system no t on ly p rovides the variab le speed w ind tu rb ine(V S W T)som e avdan tages bu t also decides its operating characteristics.Si m u lating the con tro l system’s perfo rm ance accu rately is the key of the dynam ic modeling fo r V S W T.Based on the model lib rary of PSCAD E M TDC,the con tro l system of V S W T is estab lished u sing the m ethod of vecto r con tro l p rinci p le and serial co rrecti on of P I regu lato r,and the perfo rm ance of w h ich is verified acco rding to the con tro l requ irem en ts of V S W T.T he resu lts p rove the validity of the p ropo sed con tro l system.Key words:variab le speed w ind tu rb ine(V S W T);doub ly fed generato r;con tro l system;dynam ic model 随着研究、制造与应用水平的不断提高,风力发电机组的主流机型从以往采用鼠笼式感应电机的固定转速风电机组发展到当今基于双馈异步电机(doub ly fed inducti on generato r,D F IG)的变速风电机组。

大型变速恒频风力发电机组建模与仿真一、本文概述随着全球能源需求的日益增长，以及环保和可持续发展理念的深入人心，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。

大型变速恒频风力发电机组作为风力发电的核心设备，其性能直接影响到风电场的运行效率和经济效益。

因此，对大型变速恒频风力发电机组进行建模与仿真研究，具有重要的理论价值和实践意义。

本文旨在探讨大型变速恒频风力发电机组的建模与仿真技术。

文章将介绍风力发电的基本原理和大型变速恒频风力发电机组的基本结构。

接着，重点论述数学建模的理论框架和关键模型，如空气动力学模型、机械动力学模型、电力电子转换模型等。

在此基础上，将讨论仿真方法和技术，包括系统仿真、控制算法仿真以及性能评估等方面。

通过具体案例分析，展示建模与仿真技术在大型变速恒频风力发电机组设计、优化和运行控制中的应用。

本文的研究不仅有助于深入理解大型变速恒频风力发电机组的运行机制和性能特性，也为风电场的规划、设计、运行和维护提供了有力支持。

研究成果还可为风力发电技术的发展和创新提供有益参考。

二、风力发电机组的基本原理与结构风力发电机组是利用风能转换成电能的设备，其基本原理和结构是风力发电技术的核心。

风力发电机组主要由风轮（也称为风力机或风叶）、齿轮增速箱、发电机、偏航系统、塔架、控制系统等部分组成。

风轮是风力发电机组的核心部件，它由一组或多组风叶组成，通常呈水平轴或垂直轴布置。

当风吹过风叶时，风叶受到风力的作用开始旋转，将风能转化为风轮的机械能。

风轮旋转的速度与风速成正比，但由于风速的不稳定性，需要通过齿轮增速箱将风轮的旋转速度提高到发电机可以接受的范围内。

发电机是将机械能转换为电能的设备，风力发电机组中常用的发电机主要有同步发电机和异步发电机两种。

发电机的工作原理是通过电磁感应产生电能，当风轮通过齿轮增速箱驱动发电机转子旋转时，发电机的定子中就会产生感应电动势，从而将机械能转换为电能。