工程应用综合设计报告学院：电气工程学院班级：学号：姓名：课题名称：自然风与风力机的仿真指导老师：摘要本篇论文主要报告了国内外目前的风力发电的现状，介绍了风力发电机组的基本结构和目前主要的风力机种类，还论述了控制风力机功率的基本要素。

本设计还着重对自然风进行了模拟仿真，这对研究风力机的仿真特性具有重要意义。

通过研究风力机各个参数的物理意义及之间的关系，推导出风力机输出功率与风速，叶尖速比，发电机转速及桨距角之间的关系，在定桨距风力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探究和研究。

通过MATLAB仿真软件，建立自然风的风速模型和风力机的的仿真模型。

验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，产生可直接用于研究报告的模拟结果图形，在定桨距风力发电机组控制系统仿真方面，作出了初步的研究和探索。

关键词：风力机；自然风；建模；仿真目录摘要 (I)第一章绪论 (3)1.1研究风力机发电系统的重要意义 (3)1.2国内外研究进展 (3)第二章风力发电原理 (5)2.1风力发电系统组成及原理 (5)2.2风力发电机简介 (5)2.3风力机分类及对比 (6)第三章风力机的功率控制原理 (8)3.1风能 (8)3.2风能利用系数Cp (8)3.3叶尖速比λ (9)3.4桨距角β (9)3.5贝兹理论 (9)4.1基本风的模拟 (10)4.2阵风的模拟 (10)4.3渐变风的模拟 (11)4.4随机噪声风的模拟 (12)4.5自然风的模拟 (12)第五章定桨距风力机的建模与仿真分析 (13)5.1定桨距风力机仿真模型的搭建 (13)5.2 matlab仿真结果分析 (17)第六章总结 (21)参考文献 (22)第一章绪论1.1研究风力机发电系统的重要意义随着能源危机和环境危机的不断加剧，可再生能源的利用受到越来越多的关注。

风能作为最具大规模开发利用的可再生能源，在世界发电总量中所占的比例每年呈上升趋势。

由于风能的随机性和不稳定性，风能的最大捕获一直是风能界面临的主要问题。

有效的调节风力机的各个参数，可以改变风力机的运行状态，直接影响风力机的工作效率。

在不同的风速下，风力机有不同的旋转角速度，风力机工作在不同的状态。

通过对风力机各个运行状态进行分析，可以掌握风力机各个参数的变化规律及其对风力机输出功率的影响。

其研究目的是为了掌握风力机的运行过程以便最大限度的提高风力机的输出功率，实现风能的有效利用。

1.2国内外研究进展1.2.1世界风力发电的发展状况风力发电于1890年起源于丹麦，1891年丹麦建成了世界上第一座风力发电站，从此之后风力发电便开始迅速发展壮大起来，之后经过几个重要的发展阶段。

第一阶段：二战前后，随着能源能源需求的增大，很多国家陆续开始将注意力集中在风力发电上。

1941年美国研制生产了一台1250KW的所谓的大型风力发电机组，当时还处于初级研制阶段而且技术复杂。

因此这种风力发电机组仍处于科研阶段，无法在现实中投产生产。

第二阶段：70年代初期，世界上相继爆发的几次能源危机很大地促进了风力发电的发展。

此时，丹麦己研制出“55一630KW”的系列化风力发电机组。

第三阶段：出现在80年代，西方各国如德国、美国等国家开展节能计划，加上各国的鼓励政策，如对风电经行减少税费，对风电经行投资支持等促进了风力发电的发展。

第四阶段：到了90年代，随着全球能源环境问题加剧，人们的画报意识增强，在这种呼声下，各国更加注重发展风力发电，在科学技术进步的强有力的推动下，风力发电的发展前景令人瞩目。

到2003年底风电累计装机容量居前五位的国家依次是：德国（14612MW）、西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。

未来国外风力发电的发展有几个明显的趋势：一是发展海上风力发电技术，我们都知道海上风能资源丰富，丹麦、德国等北海岸国家拥有丰富的海上风能资源，也在积极发展海上风力发电；二是风力发电机组向大型化发展，90年代，千瓦级的风力发电机组在欧洲广泛推广使用，在发达国家，兆瓦级的风力发电产品以初具规模，并呈稳步发展的势头；三是风力发电设备的生产制造技术不断成熟，可大大提高风力发电的发电效率，同时也能降低发电成本。

今后应该将研发工作的重点放在如何在风速变化的情况下确保电网的稳定性。

1.2.2中国风力发电的发展状况风力发电在新能源发电技术中发展较为成熟，规模较大而且具有很好的发展前景，目前其发电成本已与其他常规发电方式相接近。

中国的风能资源十分丰富。

目前，我国主要使用国外生产的并网型风机，装机投产的大型风机也多位国外生产。

在风机生产和研发方面，我国生产的风电机组最大功率为750千瓦，正在积极研发兆瓦级的放电设备。

相信在不久的将来，兆瓦级的风电机组的研发成功和推广应用，中国的风电发展将取得突飞猛进的进步。

我国有着丰富的风能资源，陆上的可开发风能有2.5亿千瓦左右，海上风能资源有10亿左右。

几年来我国风力发电发展迅速，装机容量屡创新高，2009年我国风电新增装机容量1380.3万千瓦，增速超100%，增长速度最快。

截止2010年底我国风电新增容量达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦。

第二章风力发电原理2.1风力发电系统组成及原理风力发电的原理是利用风带动风车叶片转动，将风能转化为机械能，然后机械能带动风力发电机发电。

图2.1风力发电原理图风力发电机主要包含如图2.1的三部分∶风轮、机舱和塔杆。

大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。

风轮叶片由复合材料制造。

不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。

比较简单的风力发电机是采用固定速度的。

通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。

这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。

所有风力发电机的功率输出是随着风力而变的。

强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。

使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。

当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。

使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。

当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。

2.2风力发电机简介风力发电机的类型主要有三种：同步风力发电机；鼠笼式感应风力发电机；双馈式异步风力发电机。

但由于风能的不稳定性，风力发电对于发电机和风力机的要求就变得更加严格。

在正常情况下很难保证发电机恒速运行，同步机很难满足作为风电机的要求。

而异步发电机结构简单，牢固，特别适合于高圆周速度电机，无集电环和碳刷，可靠性高。

特别是柔性可控的双馈式异步风力发电机使用非常广泛。

双馈异步发电机的结构如图2.2所示，是将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源，定子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流电源，即采用交～直～交或交～交变频器给转子绕组供电的结构。

其中，双馈电机对转子电源频率的要求很严格，在任何情况下必须与转子感应电动势的频率保持一致，当改变转子外加电压的幅值和相位时即可以改变电机的转速及定子的功率因数。

变流器图2.2 双馈异步风力发电机的典型结构2.3风力机分类及对比（1）水平轴风力机的基本类型及对比从转速控制角度来讲，现代并网运行的水平轴风力机可分为两种基本类型：定转速风力机和变转速风力机。

在定转速风力机中，风力机的发电机直接并入电网，风力机在联网运行时与电网之间存在着强耦合关系。

当风速低于某一值时，电网给风力机供电。

大于一定风速，风力机给电网供电。

电网对风力机具有强大的限制作用，使风力机转速运行在同步转速附近。

由于这个原因，这种风力机被认为是定转速风力机[3,4]。

相反地，变转速风力机的发电机不是直接并入电网的，而是通过整流器和逆变器接入电网的，发电机的转速能自由变化，不需要局限于同步转速。

与定转速风力机相比，变转速风力机具有下列优越性：①在低风速时，风力机能跟踪最优功率系数曲线，最大限度的捕捉风能，可使风力机效率提高20%左右。

②提高机械部分的寿命周期。

基于上述原因，变转速风力机自20世纪90年代以来越来越受到国际风能界的重视。

（2）变转速风力机分类变转速风力机又可分为两种：失速型和变桨距型。

风力机的失速时在当翼片运行较小迎角时，翼片处在正常升力状态，翼片上方和下方的气流都是平顺的附着翼型表面流过，见图中的A图，此时有较大的升力且阻力很小。

如果将翼片迎角变大，当超过某个临界角度时，翼片上表面气流会发生分离，不再附着翼型表面流过，翼型上方会产生涡流，导致阻力急剧上升而升力下降，这种情况成为失速。

在图中的B图中，在翼型受来流产生升力与阻力动画中后部分也有翼型失速时气流动画。

失速型风力机为固定桨距，采用失速调节。

当风速大于额定风速以上时，通过调节风轮转速，使气流在叶片表面的分离加速，加剧叶片失速，降低叶片效率，从而使得机组的输出功率大致保持不变，这也是本文的仿真对象。

变桨距型风力机是通过叶片桨距角，控制与叶片相匹配的叶片攻角，从而调节发电机的功率。

A图图2.3叶片的失速变桨距调节的方法是，任何一种翼型风力机的桨叶（叶片）在风力的作用下都同时受到升力与阻力两种作用。

升力推动叶片在风轮平面内旋转，而阻力则起阻止的作用。

改变风轮叶片桨距调速就是使叶片可以根据要求绕叶柄转过一个角度来改变叶片的冲角，从而改变叶片的升力与阻力，如升力增大则转速增加，如阻力增大则转速降低。

所以这种调速方式又称为桨叶（叶片）偏侧调速法。

第三章 风力机的功率控制原理风力机的输出功率随风力机的几个参数而变化，首先对影响风力机输出功率的几个参数进行介绍。

3.1风能流动的空气所具有的动能为： 2mv 21=W （J ） (3-1)公式(3-1)中，m 为空气质量（kg ）；v 为风速（m/s ）。

单位时间内穿过截面A 的风能如公式(3-2)所示。

()32air v 21v v 21t A A W P A ρρ=⋅==（w ） (3-2)3.2风能利用系数Cp风能利用系数Cp 的推导过程如下： air 3p P P v 21P P P =====A C A ρ输入风轮面内的功率风轮机的输出功率 (3-3)由此可得风力机功率为： p 3v 21P C A ρ= (3-4)从公式(3-4)可以看出，风轮功率和风轮叶片数无关，但与空气密度成正比。

系数 Cp 反映了风力机吸收风能的效率，它是一个与风速、叶轮转速和桨距角均有关系的量。

当这些因素发生变化时，Cp 发生变化，风力机的运行点及其运行效率将要发生变化。