实验一 ：风力发电机组的建模与仿真
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一、实验目标:
1.能够对风力发电机组的系统结构有深入的了解。
2.能熟练的利用MATLAB 软件进行模块的搭建以及仿真。
3.对仿真结果进行研究并出最优控制策略。
二、实验类容：
对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了仿真。 三、实验原理：
风力发电系统的模型主要包括风速模型、传动系统模型、发电机模型和变桨距模型，下文将从以上几方面进行研究。 1、风速的设计
自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。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 V                                          （1-1)
（1）. 基本风b V =8m/s
基本风仿真模块
（2）阵风风速
⎪
⎩⎪
⎨⎧=0
cos v g V    g g g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111                        (1-2)
式中：
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡--=
)(2cos 121max cos g g g T t T t G v π                  (1-3)      t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 为阵风的最大值，单位 m/s 。
本例中，阵风开始时间为 3 秒，阵风终止时间为 9 秒，阵风周期为 6 秒，阵风 最大值为 6m/s 。
（3）渐变风速 r V
渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下：
⎪⎩⎪
⎨⎧=0
0v ramp r V      r r r r t t t t t t t 2211><<<                                  (1-4)风能发电原理
式中：
⎪⎪⎭
⎫  ⎝
⎛---
=r
r r
ramp t t t t R v 212max 1                                  (1-5)            r t 1为渐变风开始时间，单位 s ；r t 2为渐变风终止时间，单位 s ；r V ，ramp v 为不同时刻渐变风风速，单位 m/s ；max R 为渐变风的最大值，单位 m/s 。
（4）噪声风速 n V
选择一个随机噪声模块就可以
（5）风速V =b V +g V +r V +n V
2、风力机模型的建立
风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。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型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数 p C <0.593。风力机实际得到的有用功率为：
()λβρπ,5.03
2P w s C v R P =                      (2-1)
而风轮获得的气动扭矩为：
()λβρπ,5.02
3T w r C v R T =                      (2-2)
其中：
s P 表示有用功率，单位为 w ；ρ表示空气密度，单位为 Kg/m ；R 表示风轮转动半径，
单位为 m ；m V 表示风速，单位为 m/s ；p C 表示风能利用系数；T C 表示气动转矩系数； 并且有：
()()λβλλβ,,T p C C =                          (2-3)                                    R V w
ω
λ=
(2-4)
λ称为叶尖速比；ω为风轮角速度，单位为 rad/s 。
（1）p C 的搭建
（2）风力机的搭建（包含风力机实际得到的有用功率Ps ，风轮获得的气动扭矩r T
）
3、传动系统模型的建立:
本实验在分析传动系统机理的基础上，建立系统的刚性轴模型。刚性轴模型认为传动系统是刚性的，即低速轴，增速齿轮箱传动轴，高速轴都是刚性的。忽略风轮和发电机部分的传动阻尼，最后可得传动系
统的简化运动方程为：
(
)g r
g
r nT T
dt d J n J -=+ω2
(3-1)
其中：
r J 为风轮转动惯量，单位2Kgm ；n 为传动比；g J 为发电机转动惯量，单位2
Kgm ；
g T 为发电机的反转矩，单位Nm 。
并且：
ωωn g =                            （3-2）
g ω为发电机转速，单位 rad/s 。
传动系统仿真模块
4、发电机模型的建立：
本实验只建立发电机的模型，而忽略变频装置。发电机的反扭矩方程为：    ()()
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎪⎪⎭⎫  ⎝⎛---=
2
'2
112
11'
2111'
2211x C x r C r r U gm T g g e ωωωωω                    （4-1）
g G g ωω=                                        （4-2） 其中：
g 为发电机极对数；1m 为相数；1U 为电压；1C 为修正系数;G ω为发电机的当量转速；
g ω为发电机转子转速；1ω为发电机的同步转速；1r ，1x 分别为定子绕组的电阻和漏抗；
'2r ，'
2x 分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，单位为Ω。