定速风电机组的仿真(内容参考)

基于MATLAB的“风力发电机运行仿真”软件设计摘要关键词1前言1.1 建模仿真的发展现状20世纪50-60年代，自动控制领域普遍采用计算机模拟方法研究控制系统动态过程和性能。

“计算机模拟”实质上是数学模型在计算机上的解算运行，当时的计算机是模拟计算机，后来发展为数字计算机。

1961年G.W.Morgenthler 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为“仿真”是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。

目前，比较流行于工程技术界的技术定义是系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。

仿真的三要素之间的关系可用三个基本活动来描述。

如图1图1系统仿真三要素之间的关系20世纪50年代初连续系统仿真在模拟计算机上进行，50年代中出现数字仿真技术，从此计算机仿真技术沿着模拟仿真和数字仿真两个方面发展。

60年代初出现了混和模拟计算机，增加了模拟仿真的逻辑控制功能，解决了偏微分方程、差分方程、随机过程的仿真问题。

从60-70代发展了面向仿真问题的仿真语言。

20世纪80年代末到90年代初，以计算机技术、通讯技术、智能技术等为代表的信息技术的迅猛发展，给计算机仿真技术在可视仿真基础上的进一步发展带来了契机，出现了多媒体仿真技术。

多媒体仿真技术充分利用了视觉和听觉媒体的处理和合成技术，更强调头脑、视觉和听觉的体验，仿真中人与计算机交互手段也更加丰富。

80年代初正式提出了“虚拟现实” 一词。

虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生视觉、听觉、触觉等各种感官信息，使参与者有身临其境的感觉，同时参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识。

图2体现了仿真科学与技术的发展进程。

仿真研究领域的扩展 一图2仿真科学与技术的发展以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。

美国等西方国家 除军事用途外的其它行业中的仿真技术及应用都居于世界领先水平，如飞行模拟 器、车辆运输仿真、电力系统、石油化工仿真系统等。

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。

第一章风力发电厂仿真风力发电厂仿真对风力发电厂一、二次设备全范围进行了建模仿真，具体包括发电机模型、控制系统、量测系统、交直流系统、保护与自动化监控系统的详细模型，而且考虑风力风向对发电机详细模型的影响以及发电机对电网仿真抽象模型的影响。

风力发电厂仿真系统的主要功能有：正常操作、设备巡视、事故和异常的模拟、培训指导和辅助培训等功能。

采用的关键技术有：虚拟仪器技术、虚拟现实技术、组件建模技术和动态人机界面技术等。

风力发电厂仿真系统采用虚拟仪器技术和虚拟现实技术进行仿真。

虚拟仪器技术的实质是利用计算机技术来实现传统仪器仪表的功能。

该系统采用虚拟仪器技术将发电厂的各种二次设备按照各自的物理特性分别生成各自的虚拟设备，在全三维虚拟场景中进行漫游，巡视，操作。

风力发电厂一次设备仿真采用虚拟现实技术进行仿真。

该系统在设备外观仿真和设备巡视中，采用基于OpenGL 的虚拟现实技术开发了发电厂一次设备三维交互式虚拟场景系统，实现了发电机设备的三维重现，形象地反映了发电机的运行、停止、偏航、异常、事故状态及其动作过程，可以对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游。

风力发电厂自动化监控系统采用基于人机界面服务器的动态人机界面技术、动态图符技术、动态菜单技术、中间件技术和程序自动化技术，实现了对多个风力发电机统一管理和监视。

1.1.仿真对象及范围风力发电厂仿真对象主要包括风力发电机数学模型、一次设备、二次设备、自动化监控系统。

其主要仿真对象及仿真程度如下：1.1.1.风力发电机数学模型1.1.2风力发电厂一次设备风力发电厂的一次设备包含发电机、就地升压变、配电台架等。

所有可操作的设备和可观测的动态量都属巡视训练内容，所有的检查都可以进行自动记录，便于考核评分。

1.1.3风力发电厂二次设备风力发电厂的二次设备主要包括前置机、变频控制器、功率速度等传感器、微机保护和控制系统等。

对于运行人员需要操作的开关、把手、压板等进行详细仿真，学员可以用鼠标、键盘等模拟与现场一致的操作。

定速风电机组的仿真组员：32111222王浩32111208 乐姗姗32111207 瞿振林32111212 刘洁波一、简单介绍基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴LS 高速轴HS 和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图1所示。

发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。

这种类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与风速无关。

在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。

风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为1%~2%因此正常运行时风轮转速仅在很小范围内变化。

、工作原理:风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为:* = 0）注释：式中，Q表示空吒帶戸是通过凤力机叶片附轨速'A,心a分别均叶光速出、叶片険转半径、叶片捻转角速度；A衷小叶片扫风面积；口为功率系敦。

Q与叶尖猱出入以及叶片根据不同的取值，可得到的曲线如图2所示，从图中可以看出，对应某一确定的浆距角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所有的风速下都能够产生最大的功率输出。

的理论最大值为 0.593，这就是著名的Betz极限。

Q.5i ------------------------------------------------------------------6 S 10 12 M 16图2:关系曲线定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电 机,感应发电机再把机械能转换成电能， 输送到电网中。

感应发电机向电网提供 有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。

因为这种类型的感应发电机无法 控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数， 降低机组从电 网中吸收的总的无功功率。

现代定速风电机组的风轮转速为 15~20r/min ，发电 机转子的同步转速与电网频率对应。

某300MW海上风电场电气系统仿真研究1.风机的建模风力发电系统是将风能通过风机转换为机械能，然后再带动发电机将其转化为电能的一种发电系统。

按照风机的转速是否能够变化，可以将其分为定速恒频和变速恒频两大类。

1.1.定速恒频风力发电系统定速恒频风力发电系统如下图所示，通常由风机，齿轮箱，鼠笼式异步发电机构成。

在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。

这种系统的优点是结构和控制都非常简单，造价较低，但是主要缺点在于：无功不可控，需要电容器组或SVC 进行无功补偿；叶片与轮毂刚性连接，风速波动较大时产生较大的机械负载，容易导致齿轮箱故障，对叶片要求也较高；输出功率波动较大；发生失速时，难以保证恒定的功率输出，输出功率有所降低。

因此，定速恒频风力发电系统已经逐渐被变速恒频发电系统所取代。

图恒速恒频风力发电系统1.2.变速恒频风力发电系统变速恒频发电系统具有以下优点：一是风机的转速可以随风速的变化而变化，可以使风机始终保持在最大风能捕获的工况下运行，提高对风能的利用率；二是由于含有电力电子变流器，变速恒频发电系统可以实现与电网的柔性连接，增加运行和控制的灵活性。

根据所使用的发电机及变流器的不同，现有的变速恒频发电系统可以分为以下几类：1.2.1.电励磁同步风力发电系统电励磁同步发电系统原理图如下图所示，同步发电机的定子侧通过背靠背变流器与电网连接，与电网实现电气隔离，因此可以在不同的频率下运行而不影响电网的频率。

其优势体现在：通过控制变频器的调制比可以分别控制有功和无功，在系统故障时提供无功支持，提高电网动态特性；不需要并联电容器作无功补偿装置。

这种风力机系统在国外已有一系列工程实例，但是在我国尚未得到应用，其主要原因是全功率变频器的造价很高，相应的损耗也较大。

图电励磁同步风力发电系统1.2.2.直驱式永磁同步风力发电系统直驱式磁同步风力发电系统原理图如下图所示，它采用永磁同步发电机，并且省去了齿轮箱，直接将风力机与同步发电机的转子相连，虽然风力机的转速较低，但是通过交直交变流器的控制，可以使整个发电系统输出工频的电压和电流。

风力发电系统设计与并网仿真1. 简介风力发电是一种利用风能转化为电能的可再生能源发电方式。

风力发电系统由风机、传动装置、发电机、控制系统和功率转换系统等组成。

设计和仿真是风力发电系统开发过程中至关重要的环节，本文将介绍风力发电系统的设计和并网仿真。

2. 风力发电系统设计风力发电系统设计需要考虑以下几个关键方面：2.1 风机选择风机是风力发电系统的核心组件，选择适合的风机能够提高系统的发电效率。

在选择风机时需要考虑风机的额定功率、转速范围、桨叶材料等因素，并结合实际环境条件进行综合评估。

2.2 传动装置设计传动装置用于将风机的转动能量传递给发电机，设计传动装置需要考虑传动效率、可靠性和成本等因素。

常用的传动装置包括齿轮传动、链条传动和皮带传动等。

2.3 发电机选择选择合适的发电机对风力发电系统的性能至关重要。

常见的发电机类型包括交流发电机和直流发电机，根据系统需求和实际情况选择合适的发电机类型和功率。

2.4 控制系统设计控制系统对风力发电系统的运行和稳定性起着重要作用。

控制系统需要实现风机启停、转速控制、并网控制等功能，保证系统的安全可靠运行。

2.5 功率转换系统设计功率转换系统将发电机产生的电能转化为交流电或直流电，并进行逆变、稳压和滤波等处理。

根据系统需求选择合适的功率转换器和滤波器，确保发电系统输出电能的质量和稳定性。

3. 风力发电系统并网仿真风力发电系统并网仿真是评估系统性能和优化系统设计的重要手段。

通过仿真可以预测风力发电系统的电能输出、稳定性和响应能力等关键指标。

3.1 建立仿真模型在进行风力发电系统仿真前，需要建立系统的数学模型。

模型包括风速模型、风机模型、传动装置模型、发电机模型、控制系统模型和功率转换系统模型等。

3.2 仿真参数设置根据实际场景和系统要求，设置仿真参数。

包括风速、风向、风机转速、发电机负载、并网电压等参数。

3.3 仿真结果分析根据仿真结果分析风力发电系统的性能指标，如电能产出、功率曲线、系统响应速度等，并结合实际需求进行系统设计的优化。

定速风电机组的仿真组员：江天天赵正严亚俊一、简介基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴LS、高速轴HS和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图1所示。

发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。

这种类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与风速无关。

在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。

风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为1%~2%，因此正常运行时风轮转速仅在很小范围内变化。

图 1：基于普通感应发电机的定速风电机组二、工作原理：风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为：注释：：空气密度；：通过风力机叶片的风速；：叶尖速比；：叶片浆距角；：叶片旋转半径；：叶片旋转角速度；：叶片扫风面积；：功率系数（与叶尖速比以及叶片浆距角有关）。

根据不同的、取值，可得到的曲线如图2所示，从图中可以看出，对应某一确定的浆距角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所有的风速下都能够产生最大的功率输出。

的理论最大值为0.593，这就是著名的Betz极限。

图2：关系曲线图 3：风电机组功率特性定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电机，感应发电机再把机械能转换成电能，输送到电网中。

感应发电机向电网提供有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。

因为这种类型的感应发电机无法控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数，降低机组从电网中吸收的总的无功功率。

现代定速风电机组的风轮转速为15~20r/min，发电机转子的同步转速与电网频率对应。

定速风电机组可以采用定浆距控制，也可以采用叶片角控制。

其中，定浆距控制风电机组为被动失速控制，它将叶片以固定浆距角用螺栓固定在轮毂上，在给定风速下，风电机组风轮开始失速，失速条件始于叶片根部，并随着风速加大逐渐发展到全部叶片长度。