论文总字数：21346字

摘 要

当今能源短缺与环境污染问题日趋严重，这就促使我们要大力发展清洁的新能源，而风能就是其中一种。风电技术效率不高，首要任务是使发电机组拥有更优更佳的发电效率。所以作为当代大学生，我们有责任也有义务对风力发电技术的发展献计献策自己的一份力量。

本文首先对风力发电机组建立的基本理论进行研究，对风力发电基本原理风力发电机组各部分有了一定了解，包括:风轮机的基本原理，风力发电机的基本结构等等。

当对风力发电有了一定的认识和基础时，便可以开始建模研究了，首先建立风速的基本数学模型，然后根据叶尖速比与风能利用效率系数对叶片建立合适的数学模型，然后根据前面建立好的内容对风电机组传动装置中的核心齿轮部分进行建模，最后再对三相同步发电机进行建模，每个数学模型建立完成后都在老师的指导下利用MATLAB建立仿真模型进行仿真分析。最后再把所有建立的模型合并起来用Simulink建立大型风力发电机组的仿真模型。

关键词：风力发电机组，仿真，建模。

Abstract

Today's energy shortages and environmental pollution problems become increasingly serious, which prompted us to vigorously develop clean new energy, and wind energy is one of them. But our technology is not mature enough, many key points or from abroad, so as a contemporary college students, we have the responsibility and obligation to contribute to the development of wind power technology offer their own contribution.

In this paper, we have learned the basic theory of wind turbine.And the basic principles of wind power generation are preliminarily understood, and the basic principles of wind turbine are studied, including the basic principle of wind turbine, the basic structure of wind turbine, etc.

When the wind power generation has a certain understanding and foundation, we can begin modeling research, first establish the basic mathematical model of wind speed, and then according to the tip speed ratio and wind energy efficiency coefficient of the blade to establish a mathematical model, and then based on the establishment of The wind speed model of the wind turbine and the aerodynamic model of the wind turbine are modeled. Finally, the three-phase synchronous generator is modeled. After the establishment of each mathematical model, all the mathematical models are established under the guidance of the teacher. Simulation model for simulation analysis. Finally, all the models were merged together to use Simulink to build large-scale wind turbine simulation model.

Keywords：Wind Turbine；Simulation；Modeling.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1．引言 1

1.1.1应用背景 1

1.1.2研究意义 2

1.1.3技术要求 3

1.2研究现状 4

1.2.1风速特性模型研究现状 4

1.2.2风轮空气动力学模型研究现状 4

1.2.3功率传动链模型研究现状 5

1.2.4发电机的动态特性模型研究现状 5

1.3论文主要工作 6

1.3.1课题的研究内容和基本要求 6

1.3.2 研究方法步骤 7

第二章 风力发电系统的基本原理 8

2.1 风力发电的基本原理 8

2.2 风轮机理论 9

2.3 水平轴风力发电机结构 9

2.4 定桨距风力发电机组 10

2.5 永磁同步发电机基本原理 10

2.5.1 同步电机基础 10

2.5.2 同步电机的基本结构 11

2.5.3 同步电机的工作原理 12

第三章 风力发电系统的建模 14

3.1 风速模型 14

3.2 风力发电机组气动性能模型 17

3.3 传动齿轮模型 19

3.4 三相同步发电机模型 20

3.5 风力发电系统整体建模 22

第四章 风力发电系统的仿真分析 23

第五章 总结展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

1.1．引言

进入二十一世纪以来人类文明飞速进步、科技水平日益提高还有目前严峻的资源短缺和环境污染严重的问题，各种能源使用所占的比例开始重新洗牌出现了翻天覆地的变化。不再像以前一样只能使用石油等化石燃料，而开始走起了可持续发展的路线推广使用起了可再生的清洁能源。其中，有一种叫做风能的能源近期开始被广泛应用的清洁能源，他的优点好处被人们慢慢地清晰了解到，所以开始了借助风能产生电力的风力发电技术。风力发电的优势与好处可以被分为四个方面:第一，风能作为一种洁净能源，而风力发电技术也是一种安全无污染的转化能源技术。在这一系列的能量装换过程后，也只是减小了风的流动速度，并不像其他化石燃料发电一样会产生对环境造成影响的物质。所以他也就没有像以往那些能源发电那样对周围以及全球环境造成污染，更不会像核电那样产生一些难以解决的物质比如一些放射性废料。第二，风力发电技术在我国的发电技术中还属于蓬勃发展有巨大发展潜力的新技术，随着科技水平的进步发电的质量越来越高，装机的容量也是日趋增大，可用率甚至达到98%以上，可知这种能源目前安全性与可靠性都非常的高。第三目前随着技术手段和大家对于风电需求逐步上升，风力发电经济性也随之日益提高，风力发电所需要的成本也越来越低。导致目前风力发电所需要的成本已经和煤电差不多甚至比核电还要低很多。而且相较于火力发电的对煤的燃烧导致对环境的影响来说，风力发电的经济性与潜力要比火力发电优秀得多。第四，相比于火力发电与核能发电建厂需要漫长的时间，一台风力发电机组的建设安装只需要短短几十天的时间，而且只要人力够用还可以堕胎同步安装单独工作互不影响，将整个风力发电厂建设完毕到投入运行也只需要六个月至不到。据了解核能发电厂建设需要整整三到十年。第四，风力发电场的转化发电建筑只占整个发电厂的百分之一到百分之五，其余的地方还可以发展成农田果园牧场等用途，即可净化环境还可以带来一定的经济效益，所以说风力发电场所占用的土地面积其实非常少。正是因为大家都发现风力发电技术与煤电技术和火电技术相比它的发电效率更高而且对环境的负面影响小，所以目前这项技术发展和使用也受到了全世界各国人民的高度关注与期待。

1.1.1应用背景

在我们所生活的蔚蓝星球上待开发的风力资源其实取之不尽的，只要我们能够开发利用好这些风力资源的10%的话，就可以基本满足全球的电力需求。我国国土面积巨大也决定了其中蕴藏着的风力资源是非常丰富的，10米高度层中能被我们人类利用和发展的风能就有2.5亿kW，而这仅仅只占到了总储量的1/14。我国主要是有两个风能地带的风力资源最为丰富基本上储存了我国八成的风能，内蒙古地区以及周边的我国西北部地区和东南沿海城市包括南海附近的岛屿地区。可开发风力资源的地区在近地层分布情况如下:有将近380万平方公里的土地适合建造1kW级的小型风力发电机组，可能发展为l0kW级风力发电机组的地区占全国面积10% ，而只有百分之一的国土面积适合发展100kW记得大型风力发电机组。而且经过研究煤炭与水资源缺乏的地区都拥有比较丰富的风能资源，所以两种资源的分布相互平衡。

1.1.2研究意义

如今全球的能源体系的发展正向着可持续发展的能源体系转变，导致现在发电系统也到了一个转型的阶段，当然其中也有如今石油燃料等价格过高和政府部门对能源安全和二氧化碳的控制的原因在其中。我国也是世界能源消费和生产都非常庞大的国家世界，所以电力部门有很大的空间和潜力在增加可再生能源的的使用上。为了增加这种像风力发电一样的可再生能源发电，我国在二十一世纪初始出台了《可再生能源法》及一些对应的管理方案，从《全球风能展望 2010》报告可以看出，到了 2020 年，风力资源发电可以满足全球电力资源需求的 12%，到了 2030 年将会增长10%至22%。目前由于风电水平不断提高机组制造的价格也随之下降，石油煤炭等不可再生资源的逐步消失以及开采这些化石资源成本的增加，在竞争能力上，风能与化石燃料的利用有着差不多的技术能力与经济水平。最近风力发电规模与水平都在飞速增长，预计到了2020年，世界上总的风力发电装机容量将超过130000万千瓦，发电量也将达到30000亿千瓦占到世界发电总量约为13%；到2040年,风力发电占世界发电总量的比值将上升11%到达24%。但遗憾的是，我国作为风力资源蕴藏丰富的国家，独立开发风力发电机组甚至大型机组的能力并没有能够掌握，一直以来我国都是把国外的进口风力发电机投入运行很少有我国自己的东西，这种方法弊端很明显不仅让成本，运输费用和售前售后等方面受到制约，还需花费巨大的财力，最关键这种全部从国外引进的策略让我国的风力发电机组研制的水平与技术止步不前现在与国际最先进的技术差距越来越大，对我国风力发电来说是一种治标不治本的做法。比如现在我国就在风电机组系统设计及技术的研究上十分欠缺，一些需要投入大量时间精力的的现金风力发电技术并没有人过问更谈不上解决比如风电机组的大型化。生活中风就是这样来去自如大小未知变化多端将它变化为电能肯定也是不可预知的，所以当大型的风电的接入生活中时那么电网的电能质量、稳定性和可靠性将会迎来一波巨大的考验。因此，根据我国风电场主要分布人烟稀少的北部的地区，相对弱小的电网结构，以及目前风电发出的电力无法正常并网等问题，就迫切的需要建立一个最优最好的模型，来研究并解决在研究路上所面对的问题，并切能够带来较高的经济效益，提高本国对于风力发电机研发的技术与水平。

1.1.3技术要求

风力发电技术设计的学科非常广泛它包括多综合性高技术学科比如：自动控制、工程力学等等。现在风电机组大型化、风力发电机组的优化设计分析技术是风力发电方面的研究重点，而且研究起来极其复杂。我们对待这些难点的方法分为两步:先建立风电机组模型在对他进行分析。这主要由下列的四大原因造成:首先，作用在风力机桨叶上的风能不是稳定的，他是随着自然风速的方向和大小时刻在改变的，而自然风速的变化又与大气压，温度，湿度甚至太阳和月亮的活动有关而这些自然因素都是随机变化人类所无法控制的，所以风力机桨叶上的风能也是随机不可控的，当对风力机设计完成后为了确定能否在实际情况中得到应用，需要对它的性能进行验证分析。其次，为了防止较大的振动伤害到风力发电机组需要对其建立模型，对它的性能进行预测和知道设计。其主要原因是因为如今为了使更多的风吹入风机叶轮中，风机叶轮中的叶片直径都被设计得非常巨大以适应风能的能量密度相对较低的特点。第三，在通过分析大型风力发电机组的并入电网和脱离电网、还有优化和限制输入功率都符合国家标准后才能开始设计制造这些机器。最后，全球都是这样风力资源的分布往往与环境的好坏成反比，在偏远地区甚至海岛中的风力资源比在适合人们生存的优良环境中要丰富得多，所以我们必须对风力发电机组系统在可靠性方面建立更严格的评判标准，而对于可靠性的评判必须基于对正确的仿真模型分析上。正因为如此，想要对风力发电技术进行进一步创新与开发来实现风机的本土制造化就应该更加深刻的对机组仿真模型进行研究和分析。

建立机组的非线性分析模型可以对风力发电机组建模和分析技术主进行研究，在模型建立完成之后，通过分析他在不同情况下工作时的特征与性能来对它的设计进行检验与检查，如果不符合标准还要重新设计。模型包括与功率传动相关的非线性功率传动链模型、与风机结构有关的非线性机构力学分析模型还有和控制系统有关的非线性控制策略分析模型。第一种非线性模型主要对风能特性风轮空气动力学传动链与发电机模型的探讨来研究风电机组将风能转化为电能的过程，而对空气动力学的研究是整个功率传动模型的基础。风力发电机在运行过程中的结构振动变形情况主要通过机构力学分析模型分析。控制策略分析模型的目的是研究取得最大风力发电机组功率的方法。由于在风力发电机内部各部分的耦合作用是建立结构动力学模型和控制策略分析模型的基础，所以想要建立这两个分析模型必须先把第一个非线性模型功率传动链模型给建立好。

1.2研究现状

目前国内外对风力发电的研究通常都是通过建模的方式解决，这种方式的优点就是能够非常直观的看清楚机组的各个特征表达方式也很清晰而且便于修改。风力发电机组模型的基本结构分为四个方面包括研究时间最长的风速模型、风机气动性能模型、传动齿轮模型、三相同步发电机模型。由于本文也是通过建立这四个模型来对大型风力发电机组进行分析研究的，俗话说的好“温故而知新”所以我们要先对前人在这四个模型的研究上进行总结和思考，列出四种模型的研究现状和成果才能对本文的研究有着显著的提高作用，下面将分别从这四个方面来阐述研究的现状：

1.2.1风速特性模型研究现状

想要对风力发电机组进行建模研究，首先要对风速特性进行建模研究。由于对风速的研究时间较长国际上也有了许多针对不同分析内容而建立的不同风速模型，但是国内一直对这一块研究甚少而且风速都基本设定为平均风速，精度非常不准确而且其中的功率转换只用了简单的数学公式并没有考虑到风机的因素造成了结果很不准确。Poul Sorensen在对风扰动和各种地形因素的调查研究之后，建立了一种利用复杂交叉功率谱密度法来分析风能质量的风速特性模型^[1]。来自上海交通大学的李东东，陈陈也建立了一种风速特性模型可以满足一定功率谱密度特性，并在仿真之后得出了结论^[2]。这些复杂的模型不仅考虑了地形因素的影响还对障碍物等等对风速的影响都考虑在内，适合于研究风电场电能质量。但当风速变化时，或者只是考虑风力发电厂平均功率的影响时这些模型不仅显得复杂数据的获取也比较困难而且本文也不需要这么复杂的模型，所以可以忽略这些影响，从而得到了较为简化的风速特性模型，但它还是可以反映出一般风的特征，还是具有一定的实际意义的。

1.2.2风轮空气动力学模型研究现状

可能很多人都会有这种疑问：为什么风能储量这么丰富还是一种清洁的绿色能源为什么感觉在我们的生活中广泛的使用呢？那是因为风能有着两个作为能源来说比较致命的缺点：在自然界存在的稳定性很差而且能量的密度也很低。想要把风能好好利用还要克服一下的困难:风在自然界的存在很不稳定随着时间和地点的变化不断变化。通过长期的检测风能还是有规律可循的。所以当我们建立的风速模型与实际情况相符合时，空气动力学模型才能比较精确地建立出来^[3][4]。Himmelskamp 在二十世纪四十年代把叶片的影响提升到了三维立体的高度^[5]，后来Eggers 和 Digamath也指出，这种三维影响的原因最重要的就是风机内叶片的旋转^[6]。外国的技术工作者已经针对三维的空气动力学模型进行了比较彻底的研究。虽然这些研究比较精细，但是过多的三维数据对工程分析来说也不一定是件好事这样不仅仅会耽误大量的时间而且还会因为复杂性的提升导致更多的错误。在工作过程中风能直接使风轮转动所以想要得到风速的变化过程我们可以通过对风轮的的输出特性来反映。所以风速模型也可以呈现出风轮的动态特点。例如Schlveter R A对风速数学模型的解释只是在平均风速的条件下完成^[7]，没有考虑到时间空间的变化对风轮工作状况的影响，所以不适合对风轮进行动态特性模拟。生活中天气预报也会播报风速，但播报时都显示的是时速所以想要得到具体的风速必须通过大量的测量数据或者用许多个数学模型来模拟。在本文中我们采取普遍使用的将风速分成基本风阵风渐变风和随机风四种模型先分别用simulink分别建模，最后再将四个模型结合起来总体建模就可以得到一个与实际情况比较相近的风速模型，算法虽然较为简洁，但得到了与实际情况相似的风速特性。

1.2.3功率传动链模型研究现状

风力发电系统的功率传动链模型结构比较复杂，主要有五个部分包括：叶轮、主轴、弹性联轴器、电机、变速齿轮箱。传动功率会随着风速的变化而变化，变化过多不仅难以分析，系统设备也会受到不同程度的损伤，因此想要让风电机组长久且正常的工作运行需要建立正确合适的风力发电机组功率传动链模型。姜桐设计建立了一种非线性的数学模型，来对变桨距的风力发电机组进行研究并对不同的风速下进行开环仿真^[8]。信伟平建立了风力发电机组旋转叶片的动力学模型用来研究叶片的动态特性^[9]。常明飞建立了水平轴发电机桨叶的动力学方程对发电机叶轮上的叶片进行了研究也对桨叶的稳定能力进行了分析^[10]。2007 年，金鑫利用MATLAB软件对自己建立的传动链的非线性动力学模型进行了仿真^[11]。2009 年，王建宏所建立的风力发电机整机的柔性多体动力学模型，以此来模拟风机的动态响应^[12]。

1.2.4发电机的动态特性模型研究现状

作为风力发电机组最主要最关键的当然是他的发电机。当今的风电机组大多为交流励磁变速恒频风电机组，变速恒频发电机组比恒速恒频发电机组拥有更高的风能转换效率，而且变速恒频发电机组还能有效提高电力系统调节的灵活性和也是系统的稳定性得到提升^[13]。变速恒频风力发电机组主要通过发电机转矩的控制，使机组变速运行来实现对转换效率的提高。对于发电机模型，国内、外学者都有大量的研究，Cadirci I采用dq/abc 混合坐标下的电机模型^[14]；Feijoo F建立了双馈电机动态数学模型^[15]。金增利用MATLAB /Simulink工具箱对传动系统进行了动态仿真，分析了双馈电机数学模型的有效性^[16]。通过研究Ekanayake建立了双馈感应发电机的动态模型，并把这个模型应用到了单鼠笼式转子和双鼠笼式转子的风力发电机仿真当中^[17]。陈鹏运用MATLAB建立了无刷双馈风力发电机组控制系统的仿真模型^[18]。Dominguez Rubira描述了不对称传输线与电网相连时双馈发电机的各种不同的控制方法^[19]。靳雷把有功功率和无功功率通过无刷双馈电机独立分开控制^[20]。本文将对发电机的特性进行重点的研究并且建立合理的三相同步发电机模型。

1.3论文主要工作

想要建立一个大型风力发电机组的模型首先要对他各部分构造和原理有着初步的认识。最开始我们要研究风力发电的基本原理，风轮机的理论，水平轴发电机的结构。然后学习定桨距的风力发电机组以及永磁同步发电机组的基本原理，最后再开始对风力发电机组的四个部分建模。

1. 建立风速模型：正如前文所说风速可分为四种基本风，我们先通过对这四种基本风建立数学模型，然后利用Simulink 进行仿真，并与实际工程状况相比较，检验模型的拟合性。
2. 建立风力发电机组气动性能模型：基于风速模型对叶片的动力学特性进行研究，在通过叶尖速比与风力机效率系数的关系，运用matlab可以建立合理的风力发电机组气动性能的模型。
3. 建立传动齿轮模型：通过对前面两个模型的参考与发电机结构的研究，忽略一些复杂的因素影响建立相对简单的齿轮模型，然后再通过matlab建立仿真模型。
4. 建立三相同步发电机模型：由前面对同步发电机原理的学习还有以上对风速、气动性能以及齿轮建立的数学模型可以建立三相同步发电机模型，再通过matlab进行仿真实验

综上，在各个模型的建立已经完成后，还要通过仿真对风力发电机组的模型进行综合验证，以确定模型的正确性与精确性。

1.3.1课题的研究内容和基本要求

通过对matlab的熟练使用可对以上所建立的几个模型进行仿真验证估计出各个模型的可行性，再与实际情况进行对比保证这个风力发电机组模型能够安全可靠的运行，还能使目前我国所使用的风力发电机组模型得到优化和提高。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21346字