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风力发电机组的控制系统设计与仿真一、引言风力发电作为可再生能源的一种重要形式，受到越来越多国家和地区的广泛关注和重视。
风力发电机组的控制系统对于提高发电效率和确保机组安全稳定运行具有至关重要的作用。
本文旨在介绍风力发电机组的控制系统设计和仿真，并探讨其在风力发电行业中的重要性和应用前景。
二、控制系统设计1. 控制系统架构风力发电机组的控制系统通常包括主控制器、传感器、执行器和通信模块等组成部分。
其中，主控制器负责整个系统的运行控制和监测；传感器用于采集风速、转矩、温度等参数；执行器控制叶片角度、转速等；通信模块用于与外部网络进行数据交互。
2. 控制策略风力发电机组的控制策略包括风轮转速控制、叶片角度控制和电网连接控制等。
其中，风轮转速控制可以通过调整叶片角度和变桨控制实现，以优化风轮在不同风速下的转速；叶片角度控制可以根据风速和转速等参数进行自适应调整，以达到最佳发电性能；电网连接控制包括对电力系统的稳定性和功率因数等进行监测和调整。
3. 仿真模型设计为了对风力发电机组的控制系统进行仿真验证，需要建立相应的仿真模型。
仿真模型应包括风速、转速、叶片角度和发电功率等参数，并结合风场条件和机组特性进行模拟。
在仿真过程中，可以通过改变参数和策略，评估不同控制系统设计对机组性能的影响，并找出最优解。
三、仿真应用与优化1. 性能评估通过仿真模型，可以对不同控制系统设计的风力发电机组进行性能评估。
包括发电效率、稳定性和可靠性等方面的指标。
根据评估结果，可以对控制系统进行优化设计，提高发电机组的整体性能。
2. 变桨控制优化变桨控制是风力发电机组中的重要环节，直接影响着叶片的角度和风轮的转速。
通过仿真模型，可以对不同变桨控制策略进行比较和优化。
例如，调整叶片角度的时机和角度范围，以提高风力发电机组的发电效率和稳定性。
3. 智能优化算法应用利用智能优化算法，可以对风力发电机组的控制系统进行优化设计。
例如，遗传算法、模糊控制和人工神经网络等算法可以结合仿真模型，寻求最佳的控制策略和参数配置，以提高机组的发电效率和适应性。
![基于MatlabSimulink的风力机性能仿真研究[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/095dee80d0d233d4b14e69d4.png)
能源研究与信息第22卷 第2期 Energy Research and Information V ol. 22 No. 2 2006收稿日期：2005-10-14作者简介：高 平(1980-)，男(汉)，硕士研究生，gaopingping1980@ 。
文章编号: 1008-8857(2006)02-079-06基于Matlab/Simulink 的风力机性能仿真研究高 平,王辉,佘岳,李龙文(湖南大学 电气与信息工程学院, 长沙 410082)摘 要: 随着风力发电技术的发展，变速风力发电技术成为了风力发电发展的趋势。
风力机作为变速风力发电机组的重要部分，其性能影响到风力发电机组的整体性能。
根据变速风力机的静态性能特点，采用Matlab/Simulink 软件对其进行建模，并给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究，给出了风力机的静态性能数据和仿真波形。
结果表明：通过调节影响风力机性能的各因素，保持发电机的转速与主导风速之间特定的最优比例系数，使得风力机保持在最佳叶尖速比下运行，跟随变速风速可实现最大风能捕获；对变速风力机的静态性能研究建模方法是正确可行的。
关键词: 变速风力发电; 转矩系数; 功率系数; 仿真 中图分类号: TK83文献标识码: A世界各国日趋关注环境与发展的问题，许多发达国家把可再生能源作为能源政策的基础，风能的利用是发展很快的一个领域，如今大型风力发电机在提供经济的清洁能源与公用电网展开了竞争。
从1890年美国农村第一个风力发电机投运并开始生产电能，现在在欧洲风能利用以每年36%的量增长，风电技术也发展的很快，如今风力涡轮机平均容量是300 kW~600 kW 。
已开发出1 MW~3 MW 的风力机并在世界范围内安装，更高容量的原型机正在开发中[1~2]。
变速恒频风力发电技术因其具有低噪音、低损耗，且变速恒频风力发电机能在低风速时能跟踪C pmax (λ，β )最佳曲线以获得最大限度捕获风能的能力，是风力发电技术发展的方向[3]。
实验一 ：风力发电机组的建模与仿真姓名：文福西 学号：171440138 班级：0314405一、实验目标:1. 掌握风速模型建立实现方法；2. 掌握风力机模型建立实现方法；3. 掌握发电机模型建立实现方法； 二、实验内容:在MATLAB 下的simulink 中，建立风力发电机组的仿真模型，并进行仿真研究，对仿真的结果进行分析。
三、实验原理：本实验分四个模块分别是风速的设计，风力机模型的建立，传动系统模型的建立，发电机模型的建立。
1.风速的设计本文不考虑风向问题，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：基本风速b V 、阵风风速 g V 、渐变风速 r V 和噪声风速 n V 。
即模拟风速的模型为：V=b V +g V +r V +n V2.风力机模型的建立风力机是将风能转化为机械能的重要器件。
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形式而异，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：而风轮获得的气动转矩为：为方便定量计算，通过有关研究资料的查找，风能利用系数的值可以近似的表示：3.传动模型的建立传动系统的简化运动方程为：Jr 为风轮转动惯量，单位 kgm 2；n 为传动比；Jg 为发电机转动惯量，单位 kgm 2；Tg为发电机的反转矩，单位Nm 。
4.发电机模型的建立发电机的反扭矩方程为：四．实验结果和分析：1.基本风速模型如下:仿真的时候假设初始风速为10m/s，那么它的仿真图为：分析：基本风速是作用于叶轮上的一个平均风速，是不随时间的变化而变化，可以看见输出的风速也是10m/s。
2.阵风风速模型如下:仿真图为：分析：通过仿真图可以看出阵风最大风速在6m/s，并且在3s左右的时候开始起风，大约在9s左右停止。
3．渐变风风速 模型为：仿真图为：分析：可以通过仿真图清晰的可以看出风速最大值为10m/s ，在4s 时起风，在11s 时停止，并在4~7s 之间是均匀变化的。
基于Simulink的风机控制系统仿真平台的设计王思铱;赵蒙莉;陈昆明【摘要】为了能够更深入地了解风力发电机组控制系统,设计了一套基于Simulink 的风机控制系统仿真平台.根据风力发电机组的工作原理和现场的实际运行数据,形成了控制系统的数学模型,并在此基础上通过MATLAB Simulink实现了仿真平台的搭建.将仿真平台的计算结果和市面上使用最广泛的风力发电机组设计软件Bladed进行对比.结果显示两者非常接近,表明能够很好的反映出风机控制系统的特性.【期刊名称】《电气自动化》【年(卷),期】2014(036)001【总页数】3页(P54-56)【关键词】风力发电机;控制系统;控制模型;仿真平台;MATLAB Simulink【作者】王思铱;赵蒙莉;陈昆明【作者单位】上海电气风电设备有限公司,上海200241;上海电气风电设备有限公司,上海200241;上海电气风电设备有限公司,上海200241【正文语种】中文【中图分类】TP2710 引言随着气候问题日益受到关注，风力发电技术作为可操作性最强的可再生能源技术，引起了越来越多的重视。
然而和很多其他产业类似，井喷式发展更加关注生产制造而相对忽略了技术发展，这也导致了目前绝大多数的核心技术还是掌握在国外厂家的手中，风机控制系统就是其中之一。
控制系统作为整个风力发电机组运行的大脑，优秀的控制策略和控制参数能够在很大程度上降低机组的载荷，提高机组的效率和寿命。
因此国外风电厂家对于控制技术都是采取封闭的措施。
国内厂家也慢慢地开始开展控制系统方面的研究工作，但是和国外厂家的差距依然非常明显。
因此早日掌握风机控制技术也显得越来越迫切。
而对于这点，一套能够确切反映控制系统实际运行情况的仿真平台就显得尤为重要了。
通过这个平台，技术人员能够设计和优化风机的控制系统，并通过该平台了解这些设计和改动对于实际机组所产生的影响，对于掌握控制的核心技术有着非常重要的意义。
作者简介：赵立邺(1985-)，男，硕士，研究方向：风电建模、风电并网。
收稿日期：2011-01-06基于Matlab/Simulink 直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真赵立邺，孟镇（沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110161）摘要：直驱式风力发电系统不需要电励磁、噪声小、维护费用低、控制简单，在风力发电系统中越来越受到欢迎。
在Matlab/Simulink 环境下，建立了直驱式永磁同步发电机的风力发电系统仿真模型，模型通过对风速、风力机、永磁同步发电机、全功率变流器进行理论分析实现模型搭建，最终建成整个风力发电系统模型。
仿真结果表明，系统能够在不同风速下稳定运行，最终输出的电压波形近似正弦，谐波含量小。
关键词：直驱；永磁同步发电机；Matlab/Simulink ；仿真中图分类号：TM315文献标识码：A文章编码：1672－6251（2011）02－0030－03Modeling and Simulation of Direct-driver Permanent Wind PowerSystem Based on Matlab/SimulinkZHAO Liye,MENG Zhen(Information and Electric Engineering College of Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161)Abstract:Direct -drive wind power generation systems become popular with the advantages of without the need for electricity excitation,low noise,low maintenance costs,simple control,etc.Based on Matlab/Simulink,the wind power system simulation model with Direct -drive permanent magnet synchronous generator was established in this paper.In the model of wind power generation system,by the analysis of the wind speed,wind turbines and permanent magnet synchronous generator,the whole power converters,the wind power generation system model was developed.Simulation results showed that the system can run in the stable way under different wind speeds,and the final output voltage waveform was approximate to sine with small harmonic content.Key words:direct-drive;permanent magnet synchronous generator;Matlab/Simulink;simulation农业网络信息AGRICULTURE NETWORK INFORMATION·研究与开发·2011年第2期风能作为一种无污染、可持续发展的能源越来越受到人类的重视。
基于Matlab_Simulink的永磁直驱风⼒发电机组建模和仿真研究-2发电机参数：极对数42；d 轴电抗1.704mL ；q轴电抗1.216mL ；转⼦磁通4.7442Wb ；转动惯量11258J 。
PI 参数：⽹侧电流内环d 轴（1.5、1），q 轴（0.5、37）；⽹侧功率外环（0.0002、0.05）；直流侧电压（2、120）；机侧电流内环d 轴（-3、-24），q 轴（-3、-80）；机侧功率外环（-3、-60）。
本仿真中风速由6m/s 变化到9m/s ，最后变化到12m/s 。
在最⼤风能捕获控制情况下，随着风速的变化，转⼦转速不断调整，以保持最佳叶尖速⽐，从⽽达到最⼤风能利⽤，图8为风速、转⼦转速、机械和电磁转矩变化曲线。
机侧电压电流变化如图9所⽰，在最⼤风能捕获模式下，电压和电流频率随着风速的增⼤⽽增⼤，电压幅值从260V 变化到400V 、540V ，电流幅值变化为380A 、850A 、1500A 。
电⽹侧及直流侧电压电流变化如图10所⽰，电⽹电压保持恒定，电流幅值随着风速的增⼤⽽增⼤变化范围为：168A 、580A 、1290A 。
直流侧电压在风速突变时有⼀个充电过程，电压升⾼，最⾼达到1320V ，经过⼤约0.1s的暂态过程后恢复到额定值1200V 。
永磁直驱发电机输⼊电⽹有功及⽆功功率如图11所⽰，有功功率随着风速的升⾼⽽不断变化，最后维持在1.1MW ，⽆功功率基本保持为零，波动幅值为5kW 。
实际输出有功功率与参考功率的⽐较如图12所⽰，在风速突变后参考功率⼤于实际输出功率，经过⼤约0.1s 的暂态过程后基本吻合。
永磁直驱发电系统机侧及⽹侧电压电流的d 、q 轴分量的变化如图13、14所⽰。
机侧电压d 、q 轴分量随着风速变化⽽变化，机侧电流采⽤零d 轴控制策略，所以d 轴分量维持为零，q 轴分量反映功率的变化。
⽹侧电压保持恒定，因为⽆功参考值为零，所以图11输⼊电⽹有功及⽆功功率Fig.11Active and reactive power input togrid图12输⼊电⽹有功功率与参考功率图Fig.12Active power input to grid and it ’sreference第27卷第9期电⽹与清洁能源图10电⽹侧及直流侧电压电流变化Fig.10Variation of voltage and current of grid and DC side 图9机侧电压电流变化Fig.9Variation of generator-side voltage andcurrent图8风速、转⼦转速、转矩变化Fig.8Variation of wind speed,rotor speed andtorqueClean Energy97电流q 轴分量为零。
毕业设计(论文)题目基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真院系机械工程系专业班级学生姓名指导教师二〇一六年六月基于Simulink的风力发电组控制系统的设计与仿真摘要现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重[1]。
而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格日益上涨，并且化石能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害人体健康、导致全球变暖[2]。
风能是一种可再生能源，风力发电技术是可再生能源开发中技术成熟程度、规模化开发程度、商业化程度最高的发电方式。
风能是清洁无污染的可再生能源，而且风能资源分布广泛，总量十分可观。
全球可利用的风能约为MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，风能将成为21世纪的主要能源之一[3]。
本文主要介绍了风力发电的主要原理，简单介绍了风力发电机的气动和机械系统模型，最后着重介绍双馈风力发电机组的原理以及建模。
由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文还介绍了Simulink的建模方式，以及简要介绍在Simulink环境下对双馈异步风力发电机控制系统的建模过程，对建模过程中需要对控制系统参数的设定进行介绍。
最后将双馈风力发电机的仿真系统进行仿真设计，得到对应电网与风力机的相关输出特性，还有风力机转矩与风速的关系图。
观察风力机在不同工作状态下的风速与转矩特征。
仿真的结果证明，对双馈风力发电机组控制系统仿真是比较符合实际的，仿真结果具有实际指导意义。
关键词：风力机、双馈发电机、控制系统、Simulink、仿真SIMULATION OF THE WIND TURBINE CONTROL SYSTEM BASEDON SIMULINKAbstractAs the global population growth and economic development on the increase of energy demand, the use of traditional energy is facing increasingly severe energy shortage and environmental issues. For fossil energy is scarcity and irrefragable，these reason make its price rising, and fossil fuel combustion produces harmful gas, pollute the environment, endanger human body health, and lead to global warming. Wind energy is a kind of renewable energy, and wind power is renewable energy with technology maturity, scale development degree, in most ways of power generation. Wind energy is a clean pollution-free renewable energy and wind energy resources are widely distributed, the amount is very considerable. Global use of wind power is about MW , larger than the amount of water on earth can develop 10 times, wind power will become one of the main energy in the 21st century.Wind power is mainly introduced in this paper, the main principle of simple introduced the pneumatic and mechanical system model of wind turbine, in the back with emphasis on the principle of the double-fed induction wind generator and modeling. Due to the use of MATLAB/Simulink modeling method, this paper also introduced the Simulink modeling, as well as a brief introduction to in Simulink environment of doubly-fed asynchronous wind turbine control system modeling process, to be used in the process of modeling elements are briefly introduced。
Finally make doubly-fed asynchronous wind turbine simulation system running，get the corresponding grid data and the characteristics of the wind turbine, and wind speed and wind turbine torque diagram. Observer the characteristics under different working conditions of wind speed and wind turbine torque，the simulation results show that the simulation of double-fed induction wind generator is has practical guiding significance.Keywords：wind turbine、double-fed generator、control system、Simulink、simulation目录摘要 (I)Abstract............................................................ I I 1 绪论.. (1)1.1引言 (1)1.2风力发电发展史以及国内发展现状 (1)1.3风力发电机组的简单分类 (3)1.4风力机的仿真技术的作用 (3)1.5双馈发电机的应用与发展 (3)1.6本文的主要研究内容 (4)2 风力机的气动与机械系统 (6)2.1概述 (6)2.2 风速模型 (6)2.3风轮模型 (8)§2.4本章小结 (9)3双馈发电机组的原理以及控制策略 (10)3.1概述 (10)3.2双馈风力发电机组的运行原理 (10)3.3 双馈风力发电机的运行状态以及功率的关系 (12)3.4 PWM换流器的数学模型 (13)3.4.1PWM换流器在三相静止坐标系下的数学模型 (14)3.5双馈风力发电机组的控制策略 (14)3.5.1 概述 (14)3.5.2 换流器的控制策略 (15)3.6本章小结 (17)4 基于Simulink的风电机组控制系统的设计与仿真 (18)4.1概述 (18)4.2 Simulink对风电系统仿真的介绍 (18)4.3双馈风力发电机组的仿真过程 (19)4.4 仿真结果 (27)4.5本章小结 (29)第五章总结与展望 (30)参考文献 (32)致谢 (34)附录一 (35)1 绪论1.1引言现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重。
煤、石油、天然气等化石能源的不断减少使其价格不断增加，按照已探明的能源储量和未来能源的消费速度来看，化石能源可能在40-200年内逐渐耗尽[4]。
因此，寻求清洁能源代替传统能源是现在世界面临的重要问题。
替代性能源包括水能、核能以及可再生能源。
水能和核能虽然是现阶段低碳能源的首选，但是水电开发总量有限而且影响自然环境，核电有核泄漏以及处理核废料的问题[5]。
从长远角度来看，开发取之不尽用之不竭的可再生能源才是解决未来能源与环境的根本途径。
可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。
而风能是目前可再生能源中运用技术最成熟，商业化程度最高的的一种可再生能源。
风能是清洁无污染额可再生能源，而且风能的资源分布广泛，总量十分巨大。
今年来风电一直保持着世界增长最快能源的地位.丹麦到2020年和2050年风力发电比例将提高到42%和100%；欧盟的总体目标则是在2020年和2050年由风力发电提供总发电量的17.5%和50%；美国的目标则是到2030年风力发电占总电力供应的30%[6]。
而我国的风力发电总装机量为世界第一，到2020年和2050年，中国风电装机总量将在2020年达到200GW在2050年达到1000GW，而发电量则能达到总发电的5%和17%，风电将成为中国的五大电源之一[7]。
1.2风力发电发展史以及国内发展现状风能在十九世纪末到二十世纪六十年代末时期，其开发程度只是在小规模开发的状态。
美国的Brush风力发电机和丹麦的Cour风力发电机被视为风力发电的先驱[8]。
风力发电在1973年的石油危机后由小型化开发逐渐向大中型规模化发展。
这一段时间由于发生了两次能源危机，许多政府开始支持风力发电的大规模发展。
丹麦的Tvind 2MW风力发电机，是风力发电机革命的佼佼者[9]。
丹麦是世界上第一个利用风力发电的国家。
相继荷兰、美国等也进行了风力发电机组的运行[10]。
从 2001 年到 2009 年全球装机容量年增长率为 26.2％，截止至2009年12月31日累计装机容量为160084MW。
2009 年新增装机容量38103MW，相比 2008 年全球范围装机容量增长 31％，这一增长率创下了历年之最。
预计 2020 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的15%[11]。
目前世界风力发电发展的速度超过其他新能源的发展，未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。
为了使风力发电更广泛的让人们知晓和发展，全球各国政府相继推出了许多优惠的政策，覆盖面极广，主要包括：提供低利率贷款，投资补贴，优先原则，硬性规定新能源须占有一定的比例等措施。
