论文总字数：25173字

摘 要

由于风力发电机组往往建立在人烟稀少的地区，不易对机组的运行数据进行测量，所以很难对机组的运行进行分析和改进，因此需要建立风力发电机组模型来模拟研究风力发电机组的特性。

本文首先研究了风速的特性，通过仿真软件MATLAB获得了基本风与紊流风随时间变化的关系。 在建立风轮的空气动力学模型时，本文首先研究了风轮利用系数的影响因素，然后对不同桨距角下的风轮利用系数进行了研究，并通过MATLAB获得了他们之间的变化关系。为了进一步了解风轮叶片周围的流场，本文通过多物理场仿真软件COMSOL获得了气流的速度、压力随时间的变化情况。为了研究风轮的功率输出，本文根据传动链的基本原理，将相关的控制方程转化为MATLAB中的Simulink语言， 建立了刚性传动链模型，由此获得了在输入组合风速后风机的输出功率和发电机的转矩响应。本文通过坐标转化的方法建立了鼠笼型感应发电的动态特性模型，并分析了此种发电机结构的运行特性。最后，本文对各个模型进行了总结，指出了研究中的不足之处，并对未来的发展方向进行了探讨。通过以上四个方面的建模，本文对大型风力发电系统的整体结构进行了系统性的研究和探索，有助于加强对风电机组的进一步研究。

关键词：风速特性模型 ; 风轮空气动力学模型 ; 功率传动链模型 ; 发电机动态特性模型; MATLAB/ Simulink ; COMSOL

Name: ZhouYing

Student ID: 03011307

Instructor: Shen JianXian

MODELING OF LARGE SCALE WIND TURBINES

Abstract

Due to poor field conditions and limited experimental space, it is difficult to  get much  data of the  wind power generation unit .One effective methods is to establish reasonable model to simulate wind turbine system , which can help us understand the output characteristics of the whole system. 

This paper firstly establish the model of wind speed through MATLAB modeling, which describes the characteristics of the wind by taking combination of basic wind and turbulent wind  . In order to establish the wind wheel air dynamics model, this paper analyses the utilization coefficient of wind wheel on different pitch angle, and then use MATLAB to draw the curves of the relationship between them. In order to simulate  the surrounding condition of the blade, it uses COMSOL to simulate the velocity and pressure around the blade.  In order to research on wind turbine power output, this paper establishes the rigid transmission chain model, and input wind characteristics to compute the output power of the generator torque response. Then, through the method of the d-q coordinate transformation and the rules of the generator, the paper establish the dynamic model of squirrel cage induction generator. Finally, it gives a conclusion of the paper, and discusses the future direction of development.

KEY WORDS: Wind speed model ; Wind turbine aerodynamics model ; Power transmission chain model ; Dynamic model of generator ; MATLAB/ Simulink ; COMSOL

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 大型风力发电机组建模发展概况 1

1.2.1 风速特性模型研究现状 1

1.2.2 风轮空气动力学模型研究现状 2

1.2.3 功率传动链模型研究现状 2

1.2.4 发电机动态特性模型研究现状 3

1.3 本文主要研究内容和研究难点 3

第二章 风力发电机组建模研究 4

2.1 风速特性模型 4

2.2 风轮空气动力学模型 6

2.2.1 风能利用系数 6

2.2.2 风轮C_p仿真特性 8

2.2.3 风轮空气动力特性 10

2.3 功率传动链模型 15

2.4 发电机动态特性模型 20

第三章 结论与展望 24

3.1 结论 24

3.2 展望 25

参考文献（References） 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

人类对于风能的利用至少有三千年的历史，但利用风能发电在20世纪初才开始,从20世纪70年代开始，风力发电技术逐步提高，20世纪90年代之后，风电技术更是迅速发展。近十多年来，随着全球可持续观念的深入与可持续能源体系的发展，人们对于清洁能源的的利用和对低碳减排又有了更高的要求。随着能源与环境问题的日益突出，可再生能源技术在全球范围内得到重大的发展，而风力发电作为目前世界上技术较成熟、成本较低的清洁能源发电技术之一，逐渐得到了更广泛的发展与应用。中国是世界能源消费大国，也是能源生产大国，电力部门对于增加可再生能源的使用具有较大的空间和潜力。我国拥有较为丰富的风力资源，我国的风能资源有3×10⁸kW～6×10⁸kW的技术开发量， 这些风力资源主要分布在“三北地带”和“东南沿海地带”,由于这些地区风能资源分布较为密集，所以适合大型风力发电机组的选址建立。随着大型风力发电机组的制造、运行和维护成本的降低，以及石油、煤炭等化石燃料成本的增加，风力发电正在得到越来越多的普及。国际能源机构(IET)预测,至2020年底,世界风电的装机容量将达到12.3×10⁸kW ,风力发电量将占世界发电总量的12% ,到2040年,这个比例预计将达到23%。

进入21世纪后，我国的风力发电装机容量突飞猛进，已成为世界上的风能大国，但与风力发电发达国家相比，我国在风力发电核心技术领域中还有许多技术难关未攻破。今年来，我国的风力发电装机容量虽然巨大，但关键性的核心技术还依靠外国，所以我国风机的自主产业受到较大的制约，这不仅不利于我国风力发电企业的发展壮大，而且会使得我国风力发电技术对外形成依赖，使我国的风力发电技术不能跟上国际先进水平。风能作为一个间歇性、多变化的能源，其产生的能量必然具有较大的随机性和不稳定性，而这必然会影响到并网的电能质量，因此，有必要建立一个合理的风力发电机组模型,以适应我国风力发电机组的实际情况，并以此为基础对风力发电技术进行更深一步的研究，提高我国风力机的设计和自主研发水平。

1.2 大型风力发电机组建模发展概况

风力发电机组建模的研究主要包括风速特性模型、风轮空气动力学模型、功率传动链模型、发电机的动态特性这四个方面，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

由于风轮由风直接推动，风速的特性将直接决定着风轮输出特性，所以风速特性模型是其它模型建立的基础，这就要求所建立的风速特性模型能够与真实风速较好的吻合。国内外有许多文献对风电场的风速特性进行研究，也产生了多种侧重点不同的风速模型。最初，人们多采用风速的平均值来代替不断变化的风速，但由于实际风速是随时间和空间不断变化的，所以这种简单的风速模型对于输出功率的预测精度较低，只能大概描述风能的多少，而不能用于风机功率的控制与预测中。Poul Sørensen将风电机组的排列布置和地形变化等因素对风速的影响考虑进去后，建立了可行的风电场模型[1]。李东东在风速特性功率谱密度的基础上，用自回归滑动平均的方法建立了风速模型，并将该方法的仿真结果与PSCAD软件仿真结果进行了分析和比较[2]。上述模型考虑了风电场地形对风速的影响，包括地形粗糙度、等高线和障碍物等影响风速的很多因素，这些模型比较复杂，可以对风电场的发电质量进行研究。但是，这些复杂的风速模型对于风机运行参数的获得比较困难，而且在控制器的设计上也比其他风速模型要求更高，所以在控制器的制造成本上也相对更高，因此在一般性的研究中，大多使用国际公认的标准特性模型。这种风速模型为概率分布模型[3]，一般将复杂多变的风速分解为平均风、斜坡风、阵风、湍流风这四个分量之和，在本研究课题中，忽略了对风电场及电力系统动态特性影响不大的因素，以平均风和湍流风的组合为基础，从而得到了简化的风速特性模型。

1.2.2 风轮空气动力学模型研究现状

风能虽然是一种可再生的绿色能源，但因为其稳定性差、供能密度低，在我国仍不能大规模作为工业生产生活的供电。而且在移动过程中，风速的变化具有随机性，其动能和势能会随时间和空间的变化而变化，这就给风能的利用造成了较大的麻烦。但随着人们对风速特性的进一步了解，发现风速变化仍然存在一定的规律，因此可以利用风速的这些变化规律建立合理的风速模型。建立可靠的风速模型是建立风轮空气动力学模型的前提，所建的风速模型和实际风速是否吻合是风轮空气动力模拟是否准确的关键[4][5]。Himmelskamp 在1947年最先提出了风轮叶片的三维影响[6]， Eggers 和 Digamath也指出，风力机叶片产生三维影响大部分是由于叶片的旋转造成的[7]。Sorensen通过三维流体域对风机空气动力学模型进行了研究，该模型对于分析与研究简单的工程模型具有重要作用[8]。国外的研究人员已经在风轮空气动力学方面开展了大量的研究，但是这些研究主要是计算三维 CFD 空气动力学模型和分析三维效应对风轮叶片的影响。虽然这些研究比较精细，但由于这些模型考虑的大多是三维数据，与实际工程计算中得到的二位数据不易吻合，因此很难模拟出实际工程上的特性，而且由于CFD 算法耗时较长，计算较为复杂，不利于工程问题的分析。国内的学者也对风轮空气动力学的模型有许多研究，李银然对风轮空气动力学的数值计算方法进行了比较与研究，并用不同的方法对风轮的叶片进行了数值计算和模拟[9]。刘勇对风轮的三维动态旋转效应进行了数值计算，模拟出了风流过风轮的流场，并证明了三维效应会延迟气流的分离，从而改变风轮空气动力特性[10]。

1.2.3 功率传动链模型研究现状

现代大型风力发电机组功率传动链系统一般包括叶轮、主轴、变速齿轮箱、弹性联轴器、电机等，系统结构较为复杂。当风速特性发生变化时，传动功率也随之而变，在长时间的变负荷工况下，功率传动系统易发生共振，甚至导致系统的损坏，所以需要建立包含上述结构的传动链模型，以研究改善机组稳定性的策略。倪维斗针对某大型变桨距机组建立了标称状况下的机组仿真模型，并在不同的风速情况下进行开环仿真，验证了风电系统的稳定性[11]。信伟平利用 Bladed软件对风轮的翼型进行了建模分析，并通过有限元分析方法对叶片的动态特性进行了研究[12]。杨兴满对风力发电机组传动链模型建立了独立的数学模型，并通过Simulink 进行了仿真实验，为检验风力发电机传动链系统的性能提供了依据[13]。金鑫对600KW风电机组进行了系统仿真，通过 Matlab建立功率传动链的非线性动力学模型，并与Bladed仿真结果进行对比研究，证明了仿真实验的正确性[14]。王建宏建立传动链的柔性模型，考虑了传动轴和齿轮的柔性对系统的影响，并对所建立的模型进行了仿真实验，得到了风力发电机的功率响应，与实际情况符合较好[15]。

1.2.4 发电机动态特性模型研究现状

发电机的动态特性是风力发电机组的重要组成部分，鼠笼型感应发电机（SCIG）因为其机械简单、效率高、维护要求低的特点，在市场上仍有较大的运用。Saad-Saoud提出，鼠笼型感应风力发电系统含空载补偿感应发电机，它们从风电场内部电网和电容器组吸收无功功率进行励磁[16]。由于在高速风情况下，发电机需要吸收更多的无功功率，所以需要对发电机进行无功功率补偿，否则可能会导致电网电压的不稳定[17]。恒速恒频风机的功率控制又可分为失速控制、桨距控制和主动失速控制。其中，失速控制较为传统，以其低廉的价格、简单和坚固耐用的特点在20世纪80～90年代十分流行，但因其无法控制功率输出，故现在较少用到。而桨距控制可以通过改变风轮叶片的攻角来实现功率的控制与自保护，这种类型的风机控制系统较复杂， 在高速风范围内功率输出受风速的变化较大。主动失速控制具备让风机叶片主动进入失速状态的功能，它不仅具有失速控制的优点，也具备变桨距控制的特性，它可以实现过高风速下的紧急停车与低风速下的快速启动，但其缺点是结构较为复杂，成本较高。在发电机动态的研究中，钱少锋以 PSS/E软件为基础，推导了发电机的数学描写，并在不同风速的输入下研究了风力发电厂的运行特性[18]。Kundur在d-q坐标下，使用发电机规则，通过鼠笼型感应发电机的等效电路图，分析推导了恒速风机的有功功率、无功功率、端电压和发电机转速之间的固有关系[19]。杨威分析了包含风电场的三机五节点系统,通过Simulink模拟了恒速恒频风力发电系统，并对该系统进行了稳态和暂态两种情况下的比较研究[20]。Thakur D和 Mithulananthan N分析了恒速风力发电对电力系统振荡的耦合的影响，以及发电机之间的传输接口和无限总线长度的影响，并研究了负荷增长和恒速风力发电机组对电力系统振荡的影响渗透，还通过改变恒速风力发电机功率来研究对风轮、风电场和分散的风力发电机组的影响[21]。在前人的研究基础上，本课题将着重于发电机和执行器的特性研究，建立符合实际情况，切实高效的数学模型。

1.3 本文主要研究内容和研究难点

本文的研究是从风力发电机组的工作原理出发，针对风能捕获、功率传动、电能生产这几个主要方面，建立风力发电系统模型，以及进行相应的仿真实验。本课题主要研究风能的生产过程并建立相应的数学模型和物理模型，主要包括风力发电机组的风能特性模型、风轮空气动力学模型、功率传动链模型和发电机模型。本文中建立风速模型的主要工作是通过数学描写和MATLAB完成组合风速的建模，并对仿真的结果进行分析与研究。风轮空气动力学模型的建立是本文的重点，只有建立符合实际情况的风轮空气动力模型，才能获得真实的风轮功率输出，本文通过MATLA和COMSOL来描述风轮的运行特性。建立功率传动链模型是本论文的难点，难点之一是没有完整的风电机组数据，所以只能查找与整理相关文献来获得所需参数，要筛选出与本研究相关的资料需要做大量的工作；难点之二是将功率传动链模型的数学描写转化为SIMULINK语言，并进行模块搭建，最终获得风速输入下的风轮功率输出。发电机动态特性的研究主要是运用电工学中的知识推导发电机的数学描写，然后通过坐标转换导出发电机输出功率的表达式，对鼠笼型感应发电机的动态特性进行分析。本文的研究涉及多个模型的建立与仿真，因此工作量较大，而且需要将空气动力学、电工学、机械设计等多个学科的知识结合起来，才能较好地完成整个风力发电系统的建模研究。

第二章 风力发电机组建模研究

2.1 风速特性模型

我们在日常中通常所说的风速为平均风速，但实际上，风速是随时间和空间不断变化的，不断变化的风速特性就会使风轮产生复杂的、不断变化的功率，因此，风速特性的研究就摆在了研究的首位。在某些研究中，经常假设风速为平均风、斜坡风、阵风、湍流风这四个量之和，本文在此基础上进一步将风速简化为两个主要部分：第一部分是转子区域剖面上的平均风速，第二部分为加到平均风速上的紊流风速。在建立风速特性模型时，需要知道风机所处的地理环境，为了得到直观的结果，在此对一些参数做了一些合理的假设，例如平均风速、地面粗糙度、风轮中心高度等参数，整个风速模型的建立过程如下[22]：

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