风力发电机组系统建模与仿真研究

发表时间：2020-12-22T07:14:33.760Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第19期 作者： 张志超[导读] 在技术和经济发展方面，风力发电已经具备了与原煤和核电厂竞争的市场竞争能力。甘肃龙源风力发电有限公司 甘肃兰州 730050

摘要：本文分析了风力发电机组系统建模与仿真研究的现状，对风力发电机组的系统建模与仿真设计分别进行了研究，希望对风力发电机组的系统建模与仿真的研究有所帮助。 关键词：风力发电机组；系统建模；仿真研究

新能源发电技术在全球范围内取得了长足的进步。我国的风能资源丰富，作为可再生资源的“清洁能源”，风力发电变得越来越重要。在技术和经济发展方面，风力发电已经具备了与原煤和核电厂竞争的市场竞争能力。

通过建立风速发电机组模型和关键技术研究方法，建立了风速发电机组的离散系统分析模型，利用建立的分析模型针对分离发电机在各种工况下的性能以及它的动力学的特性进行了分析。离散系统模型包括离散系统输出功率传输链模型，结构动力学分析模型和控制方法分析模型。非线性输出功率传输链模型的关键是研究风速发电机将风转换为电磁能的全过程。关键考虑因素是风电特性，叶轮流体力学，减速齿轮箱模型和发电机组模型。流体力学的研究也是离散系统输出动力传输链研究的基础。结构动力学分析模型是研究风能发电机整个运行过程中结构振动和变形条件的关键。控制方法分析模型的关键是研究控制方法以获得风速发电机组的最高输出功率。由于结构动力学分析模型和控制方法分析模型的建立必须考虑到风速发电机组内部组件的耦合效应，因此只有在建立输出功率传输链模型之后才能建立这两个模型[1]。

1风力发电机组系统建模与仿真研究现状

由于系统的模型是系统分析特性的必要条件，因此，建立精确的风机模型已成为许多研究者关注的焦点。风速发生器是一个复杂的非线性系统，很难建立准确的动力学模型。考虑的元素越多，系统软件的顺序就越高，并且详细考虑的各种元素的动态响应相距甚远，这将导致风力涡轮机构成病态的系统软件。如何创建最佳的风力涡轮机模型，如何简化先进的离散系统以及病态模型是构建风力涡轮机模型时要考虑的关键问题。

仿真设计方案的技术性是现阶段国际流行的优秀设计技术。它通常吸收了现代数学、结构力学和其他课程的理论基础，并且是随着电子信息技术而发展起来的一学科。。根据这种技术，可以对许多工程项目中的特定问题进行标准值模型仿真，从而加快设计方案的速度，这是当代液压技术产生和发展的关键驱动力之一。1983年，英国的AndersonPM等人将模拟方法用于MOD22类型的研究。从那时起，来自世界各地的许多专家学者就风力涡轮机仿真模拟方法进行了研究，并成功地应用于工程项目的实际活动中。上述研究的关键是研究模型的转速、或者是部分强度的有限元分析，或者是转动模态分析，尚未从整体性能分析着手[2]。 2研究方法

利用MATLAB仿真软件，在分析风机基本原理的基础上，建立了新的，健全的风机动态模型仿真模型。在物理模型中，叶素动量的基本理论和状态空间方法被应用到风力发电机的数学分析模型的创建中。另外，考虑了风力涡轮机的每个部件的相互耦合相互作用，并且更加精确地描述了风力涡轮机的工作。最后，使用明确提出的MATLAB模型仿真，对某台运转的605kW风力发电机进行了仿真和计算，实验结果验证了该物理模型的准确性。 3风力发电机组系统建模

风力发电机根据风轮捕获风力，捕获的风力驱动风轮旋转，电动机根据传动装置发电。风轮的速比不仅与风有关，而且与电动机有关。整个工作过程是一个相互耦合的离散系统。

风力涡轮机空气动力学特性的计算方法采用叶素动量法，该方法结合了角动量的基本理论和叶素的基本理论，并考虑了叶尖损失、叶栅效用，颤振调整，间隙调整和偏航角。它可以更精确地测量风力涡轮机转子的空气动力学特性，因此被广泛用于风力涡轮机的设计方案和空气动力学计算中。此外，还考虑了风切变，偏航，风轮结构的主要参数以及风力涡轮机安装的主要参数。

使用叶素动量理论来测量水平轴风力发电机的空气动力和扭矩通常分为两个过程：首先，确定叶片后部风力涡轮机尾涡系统的感应速度，然后确定叶素理论用于基于沿叶片轴的积分获得空气动力和风轮力矩在计算风力涡轮机的性能时，确定叶片处的感应速度是最困难的问题。如今，没有健全的理论可以完全消除这一问题。叶素动量理论结合了动量理论和叶素理论，得到了风轮的感应速度，这是纯粹的“叶素动量理论”。经典的叶素动量理论更直观，更简单，但是当风轮进入流场时无法使用。动量理论应考虑风力发电机的径向动量转换。它主要用于估算风力发电机的理想功率输出，高效率和水流但是没有将叶片上的受力与绕流细节的关键点联系起来[3]。

4风力发电机组仿真分析

下图为风力发电机组的MATLAB仿真模型。叶素动量理论集成在MATLAB子系统中，用于测量每个叶素部分的空气动力学性能。所有叶片分为19个叶素部分。每个部分均使用此控制模块进行测量，并使用所有风速柴油发电机器的气动性能分析控制模块集成为一个子系统

[4]。

对于复杂的结构特征，仿真是一个强大的专用工具。它可以用于风力机结构的动力分析，预测和分析结构的振动性能。然而，由于风力机结构动态分析是通过Adams和MATLAB的协同仿真进行的，因此两程序数据信息相互启用，存储处理速度相对较慢。当风轮速比发生变化时，需要对结构的振动性能进行重新分析，因此需要花费大量的时间。

根据神经网络的预测方法，可以通过使用清楚反映每个输入和输出的基本规律性的连接权限来预测Internet的输出。由于神经网络的优势，许多专家学者在预测水平上对神经网络的应用进行了研究。人类神经网络可以完成一种随机离散系统投影，非常适合用于解决外部工作条件向结构响应投影的转换。在整个工作过程中，风力涡轮机的性能受到风力和速比等因素的严重影响，结构变形被用作测量指标值。用于风力涡轮机动态性能的BP神经网络预测实体模型的结构为：5x6x2（分别为输入层，隐藏层和输出层模块的数量）。输入层的每个模块的输出是风速和风速比，输出层的每个模块的输出是平行表面变形和捏合的形状变化[5]。 5结论

利用MATLAB仿真软件，在分析了风机基本原理的基础上，建立了相对完整的风机动态模型仿真模型。在物理模型中，叶素动量的基本理论和状态空间方法被应用于风力发电机的数学分析模型的创建。另外，考虑了风力涡轮机的每个部件的相互耦合相互作用，并且更加精确地描述了风力涡轮机的工作。离心风机模型仿真可以很好地模拟实际风力涡轮机的运行状况。编辑器将605kW的风力涡轮机作为仿真目标。根据建模和仿真分析，并与实验结果进行比较，该方法是合理的。仿真分析方法可用于进一步的可靠性设计和改善风力发电机的运行[6]。 参考文献

[1]林立,何洋,周建华,等.直驱永磁同步风力发电机侧系统建模及仿真[J].电气传动,2020,50(2):73-76. [2]姚远.应用于风力发电机组的飞轮储能系统建模与仿真研究[D].华北电力大学;华北电力大学(保定),2017. [3]常虹,吴伟强,张宇昉,等.基于MWorks的定速风力发电系统建模与仿真研究[J].机械工程师,2018,(7):17-20. [4]刘先正,王兴成,温家良,等.风力发电机组动力学建模与分析[J].电力系统自动化,2015,39(5):15-19,141. [5]李涛,何俊昌.海上风力发电机组变桨系统建模与仿真[J].低碳世界,2017,(27):45-46.

[6]中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司.大规模风电场中多风力发电机组建模方法:CN201910829469.9[P].2020-02-11.