风电实验报告

实验一风力发电机组的建模与仿真姓名樊姗学号一实验目的掌握风力发电机组的数学模型掌握在环境下对风力发电机组的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和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的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的模型包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型对各个数学模型应用软件进行了仿真三实验原理风速模型的建立自然风是风力发电系统能量的来源其在流动过程中速度和方向是不断变化的具有很强的随机性和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和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和噪声风速即模拟风速的模型为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的变化一般认为基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定且其不随时间变化因而取为常数阵风用来描述风速突然变化的特点其在该段时间内具有余弦特性其具体数学公式为式中为时间单位为阵风的周期单位为阵风风速单位为阵风开始时间单位为阵风的最大值单位渐变风用来描述风速缓慢变化的特点其具体数学公式如下式中为渐变风开始时间单位为渐变风终止时间单位为不同时刻渐变风风速单位为渐变风的最大值单位随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点此处不再描述风力机模型的建立风力机从自然风中所索取的能量是有限的其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能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型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扭矩为其中表示有用功率单位为表示空气密度单位为表示风轮转动半径单位为表示风速单位为表示风能利用系数表示气动转矩系数并且有称为叶尖速比为风轮角速度单位为传动系统模型的建立本实验在分析传动系统机理的基础上建立系统的刚性轴模型刚性轴模型认为传动系统是刚性的即低速轴增速齿轮箱传动轴高速轴都是刚性的忽略风轮和发电机部分的传动阻尼最后可得传动系统的简化运动方程为其中为风轮转动惯量单位为传动比为发电机转动惯量单位为发电机的反转矩单位并且为发电机转速单位发电机模型的建立本实验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其中为发电机极对数为相数为电压为修正系数为发电机的当量转速为发电机转子转速为发电机的同步转速分别为定子绕组的电阻和漏抗分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗单位为四实验结果与分析风速模型及仿真结果阵风模型及仿真结果阵风风速渐变风模型及其仿真结果渐变风速总的风速模型总的风速风力机模型及仿真结果传动系统模型及仿真结果发电机模型及仿真结果风机组模型及仿真结果波形从上到下分别是角速度风速输出功率结果分析由上图可知系统输出的功率波形与输入的风速有关由于系统中存在噪声所以输出地功率存在很大的噪声风轮机和发电机的输出功率远远大于额定输出功率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的冲击变化对硬件机器的损坏很小功率系数图可以看出风能利用系数比较低基本运行在以下必会造成风能的极大浪费风轮转速基本一直运行在以下而文章的风轮额定转速为即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的学习对风机发电机有利一定的了解从学习中得知风力发电是世纪年代开始研究风电的自主研发能力严重不足风电设备设计和制造水平比较落后总体上还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段目前我国的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的供需矛盾虽然整个风电产业发展较快但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的风电机组中轴承和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是风机的大脑和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是十分紧迫和必须的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的了解和认识为以后的发展和工作奠定了坚实的基础本次试验时通过对风力发机的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的关系为以后深入的学习风力发电系统打下了良好的基础实验二低高风速时风力发电机组风轮转速的控制器设计姓名樊姗学号一实验目标掌握模糊控制系统的原理及实现方法掌握风力发电机组在高风速和低风速时的控制原理研究方法掌握控制器对锋利机组的优化方法二实验内容对模糊控制系统的原理进行学习研究并且遵循模糊控制器设计的规则和方法设计适合风力发电机组的模糊控制器如在高风速时随着风速以及风轮转速的变化通过控制变桨距不断的调整桨距角使风轮的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的恒值状态对风力发电机组在高风速和低风速时的控制原理研究并针对系统控制原理的特点分别设计了模糊控制器继而进行了高风速和低风速时的仿真研究并且将数据进行计算比对证明模糊控制系统是否成功同时找出系统设计中的优点和不足进行推广和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是模糊控制系统的核心其主要作用是完成输入精确量的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是一个模糊控制系统优劣性能的指标输入输出接口电路是模糊控制器连接前后系统的两个通道口其作用是用来传递信号并完成模拟信号和数字信号之间的转换用以控制执行器的动作以实现控制被控对象的目的广义对象包括执行机构和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的地位其精度直接影响整个控制系统的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的工作原理是由检测装置的数据采集单元获取被控变量经转换和运算处理后输出精确值然后精确值和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的目的四实验结果与分析模糊控制器模型42不同波形下的结果421输入波形三角波模糊控制器规则风机模型PS发电机风速w422输入波形矩形波模糊控制器规则风机模型PS发电机风速角速度结果分析通过对上面波形对比可知两个波形都存在噪声的干扰但是在没有加入控制器的冲击很大会对后期的产生很大的麻烦同时也会对风机会有一定的损坏波形在控制器的基础上增加了滤波装置使输出的波形更加的平滑稳定更有利于风机的功率输出五实验心得通过本次实验我学会了模糊控制的设计和使用及滤波器在系统中的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和自动控制理论作为技术基础的一种新型自动控制理论和控制方法模糊控制器广泛应用于复杂的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是对象模型不确定二是模型的结构和参数可能在大范围内变化三是具有非线性特性四是具有复杂的任务和要求而我们本次的实验风机发电机系统的控制恰恰存在以上特点模糊控制器的设计主要包括结构选择模糊化和反模糊化方法以及模糊控制器参数的设定等几个方面所谓的模糊控制器的结构选择就是确定模糊控制器的输入输出变量模糊控制器的结构对整个模糊控制系统的性能影响很大在一般的模糊控制系统中考虑到模糊控制器实现的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控制器的特性无法消除系统的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模糊控制系统本次的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的波形更加稳定平滑从而使得对电网及系统的冲击减少达到了优化的效果