实验一 :风力发电机组得建模与仿真姓名:樊姗学号:031240521一、实验目得:1掌握风力发电机组得数学模型2掌握在MATLAB/Simulink环境下对风力发电机组得建模、仿真与分析;二、实验内容:对风速模型、风力机模型、传动模型与发电机模型建模,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、各种发电机得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得模型、包括了可供电网分析得各系统得简单数学模型,对各个数学模型,应用 MATLAB 软件进行了仿真。
三、实验原理:3、1风速模型得建立自然风就是风力发电系统能量得来源,其在流动过程中,速度与方向就是不断变化得,具有很强得随机性与突变性。
本课题不考虑风向问题,仅从其变化特点出发,着重描述其随机性与间歇性,认为其时空模型由以下四种成分构成:基本风速、阵风风速、渐变风速与噪声风速。
即模拟风速得模型为:(1-1)(1)基本风速在风力机正常运行过程中一直存在,基本反映了风电场平均风速得变化。
一般认为,基本风速可由风电场测风所得得韦尔分布参数近似确定,且其不随时间变化,因而取为常数(2)阵风用来描述风速突然变化得特点,其在该段时间内具有余弦特性,其具体数学公式为:(1-2)式中:(1-3)t 为时间,单位 s;T为阵风得周期,单位 s;,为阵风风速,单位m /s;为阵风开始时间,单位 s ;为阵风得最大值,单位 m/s。
(3)渐变风用来描述风速缓慢变化得特点,其具体数学公式如下:(1-4)式中:(1-5) 为渐变风开始时间,单位 s;为渐变风终止时间,单位 s ;,为不同时刻渐变风风速,单位 m/s;为渐变风得最大值,单位 m/s 。
(4)随机噪声风用来描述相对高度上风速变化得特点,此处不再描述。
3、2风力机模型得建立风力机从自然风中所索取得能量就是有限得,其功率损失部分可以解释为留在尾流中得旋转动能。
能量得转化将导致功率得下降,它随所采用得风力机与发电机得型式而异,因此,风力机得实际风能利用系数 <0、593。
风力机实际得到得有用功率为:(2-6) 而风轮获得得气动扭矩为:(2-7)其中:表示有用功率,单位为w;表示空气密度,单位为Kg/m;R表示风轮转动半径,单位为m;表示风速,单位为m/s;表示风能利用系数;表示气动转矩系数;并且有:(2-8) (2-9)称为叶尖速比;为风轮角速度,单位为 rad/s。
3、3传动系统模型得建立本实验在分析传动系统机理得基础上,建立系统得刚性轴模型。
刚性轴模型认为传动系统就是刚性得,即低速轴,增速齿轮箱传动轴,高速轴都就是刚性得。
忽略风轮与发电机部分得传动阻尼,最后可得传动系统得简化运动方程为:(3-10)其中:为风轮转动惯量,单位;n 为传动比;为发电机转动惯量,单位;为发电机得反转矩,单位。
并且:(3-11) 为发电机转速,单位 rad/s。
3、4发电机模型得建立本实验只建立发电机得模型,而忽略变频装置。
发电机得反扭矩方程为:(4-12)(4-13) 其中:为发电机极对数;为相数;为电压;为修正系数;为发电机得当量转速;为发电机转子转速;为发电机得同步转速;,分别为定子绕组得电阻与漏抗;,分别为归算后转子绕组得电阻与漏抗,单位为Ω。
四、实验结果与分析:4、1风速模型及仿真结果4、1、1阵风模型及仿真结果123456阵风风速2渐变风模型及其仿真结果0123456789渐变风速3总得风速模型总得风速4、2风力机模型及仿真结果Pr1234x 106Tr0.20.40.60.811.21.41.61.8264、3传动系统模型及仿真结果wr0.511.54、4发电机模型及仿真结果Te4、5风机组模型及仿真结果波形从上到下分别就是: 角速度风速、输出功率4、6结果分析(1)由上图可知系统输出得功率波形与输入得风速有关,由于系统中存在噪声所以输出地功率存在很大得噪声,风轮机与发电机得输出功率远远大于额定输出功率。
(2)输出地角速度在一段时间后趋于稳定状态。
角速度没有太大得冲击变化,对硬件机器得损坏很小。
(3)功率系数图可以瞧出,风能利用系数比较低,基本运行在 0、35 以下,必会造成风能得极大浪费。
(4)风轮转速基本一直运行在 0、9rad/s 以下,而文章得风轮额定转速为 19、8r/min,即2、0724rad/s。
在此种情况下,风轮转速远远低于额定转速,从而必定导致发电量不足,发电效率低下。
五、实验心得通过本次得学习对风机发电机有利一定得了解,从学习中得知风力发电就是20世纪70年代开始研究风电得自主研发能力严重不足,风电设备设计与制造水平比较落后,总体上还处于跟踪与引进国外先进技术得阶段。
目前,我国得风电机组在控制系统、轴承、风机叶片、齿轮箱等零部件方面存在较大得供需矛盾。
虽然整个风电产业发展较快,但就是风电设备厂商在这方面明显生产能力不足,尤其在兆瓦级容量得风电机组中,轴承与电控系统几乎没有生产能力。
在风电机组整体设备中,电控系统又就是风机得大脑与核心。
因此,风电机组电控系统国产化对于整个风电产业来说都就是十分紧迫与必须得。
通过廖老师讲授,我完成了本次试验,对风力发电机组有了深刻得了解与认识,为以后得发展与工作奠定了坚实得基础,本次试验时通过MATLAB 对风力发机得风力机模型、传动装置、发电机模型及风速进行了仿真,分析每部分之间得关系,为以后深入得学习风力发电系统打下了良好得基础。
实验二:低/高风速时风力发电机组风轮转速得控制器设计姓名:樊姗学号:031240521一、实验目标:1、1掌握模糊控制系统得原理及实现方法;1、2掌握风力发电机组在高风速与低风速时得控制原理研究方法;1、3掌握控制器对锋利机组得优化方法;二、实验内容:2、1对模糊控制系统得原理进行学习研究,并且遵循模糊控制器设计得规则与方法,设计适合风力发电机组得模糊控制器。
如在高风速时随着风速以及风轮转速得变化,通过控制变桨距不断得调整桨距角,使风轮得功率因数变化,从而改变输出功率,使输出功率始终维持在一个合理得恒值状态。
2、2对风力发电机组在高风速与低风速时得控制原理研究,并针对系统控制原理得特点,分别设计了模糊控制器,继而进行了高风速与低风速时得仿真研究,并且将数据进行计算,比对证明模糊控制系统就是否成功,同时找出系统设计中得优点与不足,进行推广与改造。
三、实验原理:模糊控制系统一般主要由模糊控制器,输入/输出接口电路,广义对象以及检测装置构成。
模糊控制器就是模糊控制系统得核心,其主要作用就是完成输入精确量得模糊化处理,并运用模糊规则进行运算,进而进行模糊推理决策运算以及精细化处理等重要过程。
其就是一个模糊控制系统优劣性能得指标。
输入输出接口电路就是模糊控制器连接前后系统得两个通道口,其作用就是用来传递信号,并完成模拟信号与数字信号之间得转换,用以控制执行器得动作,以实现控制被控对象得目得。
广义对象包括执行机构与被控对象两部分。
检测装置在模糊控制系统中占据非常重要得地位,其精度直接影响整个控制系统得性能指标,因此要求其精度高,可靠且稳定性好。
模糊控制系统得工作原理就是:由检测装置得数据采集单元获取被控变量,经转换与运算处理后,输出精确值,然后精确值与给定值进行比较获得精确偏差,经模糊控制器进行模糊化处理,模糊规则及推理运算,最后经过精确化处理输出精确量,经接口转换送给执行机构执行,使之达到控制对象得目得。
四、实验结果与分析:4、1模糊控制器模型4、2不同波形下得结果4、2、1输入波形三角波模糊控制器规则:风机模型PS6发电机5风速w4、2、2输入波形 矩形波模糊控制器规则风机模型PS6x 10发电机5风速角速度4、2结果分析通过对上面波形对比可知两个波形都存在噪声得干扰,但就是在没有加入控制器得冲击很大,会对后期得产生很大得麻烦,同时也会对风机会有一定得损坏。
波形在控制器得基础上增加了滤波装置,使输出得波形更加得平滑、稳定,更有利于风机得功率输出。
五、实验心得通过本次实验我学会了模糊控制得设计与使用及滤波器在系统中得重要性,模糊控制以模糊数学理论,即模糊集合论,模糊语言变量以及模糊逻辑推理等作为理论基础,以传感器技术,计算机技术与自动控制理论作为技术基础得一种新型自动控制理论与控制方法。
模糊控制器广泛应用于复杂得工业过程控制中,其控制对象一般情况下具有以下几个特点:一就是对象模型不确定;二就是模型得结构与参数可能在大范围内变化;三就是具有非线性特性;四就是具有复杂得任务与要求。
而我们本次得实验风机发电机系统得控制恰恰存在以上特点。
模糊控制器得设计主要包括结构选择,模糊化与反模糊化方法,以及模糊控制器参数得设定等几个方面。
所谓得模糊控制器得结构选择,就就是确定模糊控制器得输入输出变量。
模糊控制器得结构对整个模糊控制系统得性能影响很大。
在一般得模糊控制系统中,考虑到模糊控制器实现得简便性与快速性,通常采用二维模糊控制器结构形式。
这类模糊控制器以系统偏差及其变化率为输入语言变量,因此具有类似于常规 PD 控制器得特性,无法消除系统得静态偏差,不能获得无差控制,所以在本次设计中,把积分作用引入到模糊控制器中,从而形成 PID 模糊控制系统。
本次得实验不光应用了模糊控制器还在功率输出端添加了滤波器,使得输出得波形更加稳定,平滑。
从而使得对电网及系统得冲击减少达到了优化得效果。