实验一 ：风力发电机组的建模与仿真
姓名：文福西 学号：171440138 班级：0314405
一、实验目标:
1. 掌握风速模型建立实现方法；
2. 掌握风力机模型建立实现方法；
3. 掌握发电机模型建立实现方法；
二、实验内容:
在MATLAB下的simulink中，建立风力发电机组的仿真模型，并进行仿真研究，对仿真
的结果进行分析。
三、实验原理：
本实验分四个模块分别是风速的设计，风力机模型的建立，传动系统模型的建立，发电
机模型的建立。
1.风速的设计
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bV、阵风风速 gV、渐变风速 rV和噪声风速 nV。 即模
拟风速的模型为：
V=
bV+gV+rV+n
V
2.风力机模型的建立
风力机是将风能转化为机械能的重要器件。能量的转化将导致功率的下降，它随所采用的风
力机和发电机的形式而异，因此，风力机的实际风能利用系数。
风力机实际得到的有用功率为：
而风轮获得的气动转矩为：
为方便定量计算，通过有关研究资料的查找，风能利用系数的值可以近似的表示：
3.传动模型的建立
传动系统的简化运动方程为：
Jr为风轮转动惯量，单位 kgm
2；n 为传动比；Jg为发电机转动惯量，单位 kgm2
；
Tg为发电机的反转矩，单位 Nm 。
4.发电机模型的建立
发电机的反扭矩方程为：
四．实验结果和分析：
1.基本风速
模型如下:
仿真的时候假设初始风速为10m/s，那么它的仿真图为：
分析：基本风速是作用于叶轮上的一个平均风速，是不随时间的变化而变化，可以看见输出
的风速也是10m/s。
2.阵风风速
模型如下:
仿真图为：
分析：通过仿真图可以看出阵风最大风速在6m/s，并且在3s左右的时候开始起风，大约在
9s左右停止。
Step
Scope
0
Step1
Step
ScopeProductf(u)
Fcn
3
Constant
Clock
Add
0
0
3．渐变风风速
模型为：
仿真图为：
分析：可以通过仿真图清晰的可以看出风速最大值为10m/s，在4s时起风，在11s时停止，
并在4~7s之间是均匀变化的。
4.模拟风速
模拟风速模型：
仿真图：
分析：将基本风，阵风，渐变风，以及噪声进行叠加就可形成自然风的模型，由图可以看出
在第7秒时速度达到最大值。
Out1
1
Product3
MinMax1
min
AND
2*(u-4)
0.6
10
Clock2
02468101214161820
0
5
10
15
1
feng1
Out1
zhenfeng
jibenfeng
Out1
jianbianfeng
simout2
To Workspace
Scope1
Random
Number1
Add1
051015
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
5.风力机模型
由公式：
可以搭建出的模型是：
Cp模型：
输出模型如下：
LA
Tr
2
Ps1rou1.2236LACpABCpR38.50.5*piu^3u^21/u1/uB
3w
2
Vw
1
Cp
1
sin
Scope
Product4
0.00184
3
0.3
15
pi3
0.0167
0.44
|u|
B
2
A
1
Out3
3
Out2
2
Out1
1
Product4
Product3
Product2
Integrator1sGain40.1Gain30.1Gain20.8Gain11Gain
0.5
Fuzzy Logic
Controller
Derivative1
du/dt
Derivative
du/dt
In1
1
分析：由仿真图可以看出利用系数在短时间内在+0.5~-0.5波动，后来逐渐向0的方向靠拢，
说明其风能的利用率不是很大。
风力机实际得到的有用功率为：
而风轮获得的气动转矩为：
搭建有功功率及气动转矩的仿真模型如下：
012345678910
-0.5
0
0.5
Tr
2
Ps
1To WorkspaceCpABCpScope1ProductGain0.5*piu^3Fcn5u^21/uFcn11/uDivide6Divide5Divide1Constant338.5Constant21.2236B
3
w
2
Vw
1
仿真图如下：
Cp
分析：风能利用系数会有一定的波动，但是基本在0.3附近，利用率较低。
有功功率
滤波后有功功率波形
分析：风力机实际得到的有用功率基本上都是加上滤波器后才投入使用加上滤波之后的波形
由图分析可得，再加上滤波器后滤出大多数的杂波，风力机实际得到的有用功率的波形变得
平滑整齐。在对比实验中发现系统在没有控制策略的情况下，在风速高于额定风速时，风轮
机和发电机的输出功率远远大于额定输出功率。大约是额定输出功率的 3.49 倍，在此种情
况下，有烧坏发电机的可能。同时，在长时间高风速的情况下运行，可能使风力叶片和加速
箱行星齿轮的寿命时限变短，不能达到设备的运行要求。
6.传动模型
传动模型的公式为：
050100150200250300350400450500
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0100200300400500600
-1
0
1
2
3
4
5
6
x 10
012345678910
-2
0
2
4
6
8
x 10
5
传动模型的仿真模型如下：
转速波形
分析：仿真出来的波形为风轮的转速w,发电机的转速，发电机发出恒定频率
的电，以便于风机实现并网。
7.发电机模型
通常电机模型来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：
发电机的反扭矩仿真模型如下：
wr
1
n^2*Jg
n1
-K-
n75.65ScopeMath
u
2
Jr
3275300
Jg
97.5
Integrator
1
s
Divide
Add1
Add
Te
2
Tr
1
012345678910
-0.5
0
0.5
1
1.5
发电机的仿真波形
分析：由仿真图可以看出它的功率因数是逐渐增大的。
8.整体模型
仿真
仿真图形：
分析：从图中可看出经过12s后转速逐渐达到1.8*103转，经过一段时间后达到额定转速。
五．实验体会：
通过本次实验让我学会了搭建风力发电机组的系统模型，这个系统模型是由四个部分组成
的，分别是风速模型，风力机模型，发电及模型和传动模型。在实验过程中会碰到参数设置
的问题，但是经过不断的查阅资料，最终是克服了困难，完成了本次实验，也对风力发电有
了大体的了解。
012345678910
-0.86
-0.84
-0.82
-0.8
-0.78
-0.76
-0.74
Ps
1
fengjimodel
Vw
w
B
Ps
Tr
fadianjiflju1
U1
WGTechuandongxitongTrTewrWG=n*g*ww
WG
fengsumodel
MinMax
max
[A]
[A]
690
0
0.15
024681012
0
0.5
1
1.5
2