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1、實驗一 ：風力發(fā)電機組的建模與仿真姓名：樊姍 學號：031240521一、實驗目的:1掌握風力發(fā)電機組的數學模型2掌握在MATLAB/Simulink環(huán)境下對風力發(fā)電機組的建模、仿真與分析；二、實驗內容:對風速模型、風力機模型、傳動模型和發(fā)電機模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如對風力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風速、風輪、傳動系統(tǒng)、各種發(fā)電機的數學模型進行全面分析，探索風力發(fā)電系統(tǒng)各個部風最通用的模型、包括了可供電網分析的各系統(tǒng)的簡單數學模型，對各個數學模型，應用 MATLAB 軟件進行了仿真。三、實驗原理：3.1風速模型的建立自然風是風力發(fā)電系統(tǒng)能量的來源，其在流動過程中，速度和方向是不斷變化
2、的，具有很強的隨機性和突變性。本課題不考慮風向問題，僅從其變化特點出發(fā)，著重描述其隨機性和間歇性，認為其時空模型由以下四種成分構成:基本風速、陣風風速、漸變風速 和噪聲風速。即模擬風速的模型為： （1-1）（1）基本風速在風力機正常運行過程中一直存在，基本反映了風電場平均風速的變化。一般認為，基本風速可由風電場測風所得的韋爾分布參數近似確定，且其不隨時間變化，因而取為常數（2）陣風用來描述風速突然變化的特點，其在該段時間內具有余弦特性，其具體數學公式為： （1-2）式中： （1-3）t 為時間，單位 s；T為陣風的周期，單位 s；，為陣風風速，單位m /s；為陣風開始時間，單位 s ；為陣風的
3、最大值，單位 m/s。 （3）漸變風用來描述風速緩慢變化的特點，其具體數學公式如下： （1-4）式中： （1-5） 為漸變風開始時間，單位 s；為漸變風終止時間，單位 s ；，為不同時刻漸變風風速，單位 m/s；為漸變風的最大值，單位 m/s 。 （4）隨機噪聲風用來描述相對高度上風速變化的特點，此處不再描述。3.2風力機模型的建立風力機從自然風中所索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉動能。能量的轉化將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風力機的實際風能利用系數 0.593。風力機實際得到的有用功率為： (2-6)而風輪獲得的氣動扭矩為： (2-
4、7)其中：表示有用功率，單位為 w；表示空氣密度，單位為 Kg/m；R表示風輪轉動半徑，單位為 m；表示風速，單位為 m/s；表示風能利用系數；表示氣動轉矩系數；并且有： (2-8) (2-9)稱為葉尖速比；為風輪角速度，單位為 rad/s。 3.3傳動系統(tǒng)模型的建立本實驗在分析傳動系統(tǒng)機理的基礎上，建立系統(tǒng)的剛性軸模型。剛性軸模型認為傳動系統(tǒng)是剛性的，即低速軸，增速齒輪箱傳動軸，高速軸都是剛性的。忽略風輪和發(fā)電機部分的傳動阻尼，最后可得傳動系統(tǒng)的簡化運動方程為： (3-10) 其中： 為風輪轉動慣量，單位；n 為傳動比；為發(fā)電機轉動慣量，單位；為發(fā)電機的反轉矩，單位。 并且： （3-11）為
5、發(fā)電機轉速，單位 rad/s。3.4發(fā)電機模型的建立本實驗只建立發(fā)電機的模型，而忽略變頻裝置。發(fā)電機的反扭矩方程為： （4-12） （4-13）其中：為發(fā)電機極對數；為相數；為電壓；為修正系數;為發(fā)電機的當量轉速；為發(fā)電機轉子轉速；為發(fā)電機的同步轉速；，分別為定子繞組的電阻和漏抗；，分別為歸算后轉子繞組的電阻和漏抗，單位為。四、實驗結果與分析：4.1風速模型及仿真結果4.1.1陣風模型及仿真結果陣風風速2漸變風模型及其仿真結果漸變風速 3總的風速模型總的風速4.2風力機模型及仿真結果PrTr4.3傳動系統(tǒng)模型及仿真結果wr4.4發(fā)電機模型及仿真結果Te4.5風機組模型及仿真結果波形從上到下分別
6、是: 角速度 風速、輸出功率4.6結果分析（1）由上圖可知系統(tǒng)輸出的功率波形與輸入的風速有關，由于系統(tǒng)中存在噪聲所以輸出地功率存在很大的噪聲，風輪機和發(fā)電機的輸出功率遠遠大于額定輸出功率。（2）輸出地角速度在一段時間后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。角速度沒有太大的沖擊變化，對硬件機器的損壞很小。（3）功率系數圖可以看出，風能利用系數比較低，基本運行在 0.35 以下，必會造成風能的極大浪費。（4）風輪轉速基本一直運行在 0.9rad/s 以下，而文章的風輪額定轉速為 19.8r/min，即 2.0724rad/s。在此種情況下，風輪轉速遠遠低于額定轉速，從而必定導致發(fā)電量不足，發(fā)電效率低下。五、實驗心得通過本
7、次的學習對風機發(fā)電機有利一定的了解，從學習中得知風力發(fā)電是20世紀70年代開始研究風電的自主研發(fā)能力嚴重不足，風電設備設計和制造水平比較落后，總體上還處于跟蹤和引進國外先進技術的階段。目前，我國的風電機組在控制系統(tǒng)、軸承、風機葉片、齒輪箱等零部件方面存在較大的供需矛盾。雖然整個風電產業(yè)發(fā)展較快，但是風電設備廠商在這方面明顯生產能力不足，尤其在兆瓦級容量的風電機組中，軸承和電控系統(tǒng)幾乎沒有生產能力。在風電機組整體設備中，電控系統(tǒng)又是風機的大腦和核心。因此，風電機組電控系統(tǒng)國產化對于整個風電產業(yè)來說都是十分緊迫和必須的。通過廖老師講授，我完成了本次試驗，對風力發(fā)電機組有了深刻的了解和認識，為以后的
8、發(fā)展和工作奠定了堅實的基礎，本次試驗時通過MATLAB 對風力發(fā)機的風力機模型、傳動裝置、發(fā)電機模型及風速進行了仿真，分析每部分之間的關系，為以后深入的學習風力發(fā)電系統(tǒng)打下了良好的基礎。實驗二：低/高風速時風力發(fā)電機組風輪轉速的控制器設計姓名：樊姍 學號：031240521一、 實驗目標:1.1掌握模糊控制系統(tǒng)的原理及實現方法；1.2掌握風力發(fā)電機組在高風速和低風速時的控制原理研究方法；1.3掌握控制器對鋒利機組的優(yōu)化方法；二、實驗內容:2.1對模糊控制系統(tǒng)的原理進行學習研究，并且遵循模糊控制器設計的規(guī)則和方法，設計適合風力發(fā)電機組的模糊控制器。如在高風速時隨著風速以及風輪轉速的變化，通過控制
9、變槳距不斷的調整槳距角，使風輪的功率因數變化，從而改變輸出功率，使輸出功率始終維持在一個合理的恒值狀態(tài)。2.2對風力發(fā)電機組在高風速和低風速時的控制原理研究，并針對系統(tǒng)控制原理的特點，分別設計了模糊控制器，繼而進行了高風速和低風速時的仿真研究，并且將數據進行計算，比對證明模糊控制系統(tǒng)是否成功，同時找出系統(tǒng)設計中的優(yōu)點和不足，進行推廣和改造。三、實驗原理：模糊控制系統(tǒng)一般主要由模糊控制器，輸入/輸出接口電路，廣義對象以及檢測裝置構成。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其主要作用是完成輸入精確量的模糊化處理，并運用模糊規(guī)則進行運算，進而進行模糊推理決策運算以及精細化處理等重要過程。其是一個模糊控制系
10、統(tǒng)優(yōu)劣性能的指標。輸入輸出接口電路是模糊控制器連接前后系統(tǒng)的兩個通道口，其作用是用來傳遞信號，并完成模擬信號和數字信號之間的轉換，用以控制執(zhí)行器的動作，以實現控制被控對象的目的。廣義對象包括執(zhí)行機構和被控對象兩部分。檢測裝置在模糊控制系統(tǒng)中占據非常重要的地位，其精度直接影響整個控制系統(tǒng)的性能指標，因此要求其精度高，可靠且穩(wěn)定性好。模糊控制系統(tǒng)的工作原理是：由檢測裝置的數據采集單元獲取被控變量，經轉換和運算處理后，輸出精確值，然后精確值和給定值進行比較獲得精確偏差，經模糊控制器進行模糊化處理，模糊規(guī)則及推理運算，最后經過精確化處理輸出精確量，經接口轉換送給執(zhí)行機構執(zhí)行，使之達到控制對象的目的。四
11、、實驗結果與分析：4.1模糊控制器模型4.2不同波形下的結果4.2.1輸入波形 三角波模糊控制器規(guī)則：風機模型 PS發(fā)電機風速w4.2.2輸入波形 矩形波模糊控制器規(guī)則風機模型 PS發(fā)電機風速角速度4.2結果分析通過對上面波形對比可知兩個波形都存在噪聲的干擾，但是在沒有加入控制器的沖擊很大，會對后期的產生很大的麻煩，同時也會對風機會有一定的損壞。波形在控制器的基礎上增加了濾波裝置，使輸出的波形更加的平滑、穩(wěn)定，更有利于風機的功率輸出。五、實驗心得通過本次實驗我學會了模糊控制的設計和使用及濾波器在系統(tǒng)中的重要性，模糊控制以模糊數學理論，即模糊集合論，模糊語言變量以及模糊邏輯推理等作為理論基礎，以
12、傳感器技術，計算機技術和自動控制理論作為技術基礎的一種新型自動控制理論和控制方法。模糊控制器廣泛應用于復雜的工業(yè)過程控制中，其控制對象一般情況下具有以下幾個特點：一是對象模型不確定；二是模型的結構和參數可能在大范圍內變化；三是具有非線性特性；四是具有復雜的任務和要求。而我們本次的實驗風機發(fā)電機系統(tǒng)的控制恰恰存在以上特點。模糊控制器的設計主要包括結構選擇，模糊化和反模糊化方法，以及模糊控制器參數的設定等幾個方面。所謂的模糊控制器的結構選擇，就是確定模糊控制器的輸入輸出變量。模糊控制器的結構對整個模糊控制系統(tǒng)的性能影響很大。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現的簡便性與快速性，通常采用二維模糊控制器結構形式。這類模糊控制器以系統(tǒng)偏差及其變化率為輸入語言變量，因此具有類似于常規(guī) PD 控制器的特性，無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，不能獲得無差控制，所以在本次設計中，把積分作用引入到模糊控制器中，從而形成 PID 模糊控制系統(tǒng)。本次的實驗不光應用了模糊控制器還在功率輸出端添加了濾波器，使得輸出的波形更加穩(wěn)定，平滑。從而使得對電網及系統(tǒng)的沖擊減少達到了優(yōu)化的效果。
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