第1页 / 共9页
第2页 / 共9页
第3页 / 共9页
第4页 / 共9页
第5页 / 共9页
第6页 / 共9页
第7页 / 共9页
第8页 / 共9页
风力发电机组在MATLAB下的建模与仿真.pdf
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
风力发电机组在 MATLAB 下的建模与仿真
张磊，任洪林，邬桐**
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）
5 摘要：由于现有仿真软件风力发电机组模型的封装性太强，不便于深入研究风力发电机机组
对电网的影响以及参数的变化对发电机本身的影响。本文在分析鼠笼风力发电机组数学模型
的基础上，利用 Matlab 中的 S 函数以及 SIMULINK 中的模型搭建了鼠笼风电机组的模型，
利用该模型可以方便建立风电场的模型来研究风电场对电力系统的影响。仿真结果证明了模
型的正确性和有效性，该方法可以用于风力发电机组的仿真分析。
关键词：风电场；鼠笼异步风力发电机；Matlab/SIMULINK
中图分类号：TP391.9
10
Modeling and Simulation of wind turbine in MATLAB
(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin
ZHANG Lei, REN Honglin, WU Tong
15
20
150001)
Abstract: Because of the model of wind turbine in the existing simulation software is packaged
too strong, it is not easy to research the effect of wind power generation on power grid and the
parameters of the generator itself. Based on the mathematical model of squirrel cage wind turbine,
a cage wind turbine model is built using the S function and SIMULINK model. A wind farm can
be easily established using this model. The simulation results show the correctness and validity of
the model, this method can be used for modeling and Simulation of wind turbine.
Key words: Wind Farm; Squirrel Cage Wind Turbine; Matlab/SIMULINK
25
0 引言
30
35
40
我国蕴藏着丰富的风能资源，随着风电场规模的不断扩大和技术的日益成熟，风电也作
为一种清洁的发电模式在电网中的重要性逐年提高。风电的接入改变了电网的结果和潮流分
布。特别是风速的随机性、不稳定性等特点造成风力发电机的输出功率具有一定的波动，因
此风电场的接入会影响电力系统的稳定性[1]。风力发电机组的动态数学模型是一个高阶、非
线性、强耦合的多变量系统，如何建立一个准确有效的仿真模型是研究其动、静态特性以及
其控制技术的关键。20 世纪 80 年代初，国外已经有很多的学者将仿真技术用到风电发电技
术的研究当中，到现在，仿真技术已经应用到风电关键设备和控制系统的设计、制造、性能
测试与研究以及风电机组或风电场运行分析，仿真技术的运用很大程度上替代了传统的利用
实际设备开展设计研究的手段[2]。
目前关于风电场的仿真软件有 PSCAD/EMTDC、PSASP、Digsilent 以及基于 Matlab 的
工具箱 PSAT 等[3-7]。这些仿真软件或者平台都有其局限性：它们提供的风力发电机组模块
封装性太强，不便于较为深入的研究，有时候不能输出想要观察的变量。并且风力发电机组
由于控制技术的不同，导致其动态数学模型也不尽相同。因此，如何搭建一个易用的风力发
电机组模块显得尤为重要。
本文以鼠笼异步风力发电机组为例，利用 Matlab/SIMULINK 中的 S 函数搭建鼠笼异步
发电机组的模型，并将其封装成输入为机端电压、输出为机端电流的模块。利用该模块可以
作者简介：张磊（1991-），男，硕士研究生，研究方向为大系统动态等值方法研究
通信联系人：任洪林（1961-），男，副教授，主要研究方向：电力系统分析与控制. E-mail: honglin@hit.edu.cn
- 1 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
方便的进行风电机组的仿真分析，也便于日后更深入的研究。
1 鼠笼风电机组及机网接口模型
1.1 鼠笼风电机组的详细模型
45
鼠笼风电机组由风力机、齿轮箱传动机构、鼠笼异步发电机和无功补偿电容组成，如图
1 所示。
50
根据空气动力学原理，风力机从风能中获得的机械功率 wP [8]为：
图 1 鼠笼异步风力发电机组
Fig. 1 The squirrel cage induction generator
55
60
P
w
c
2
( ) A
v
3
r w
p
(1)
T
w
P
w
t
(2)
式中：是空气密度； Ar 为风轮扫风面积； wV 为风速； pc 为风能利用系数，它是关
于叶尖速比的非线性函数。 wT 为风力机输入转矩。叶尖速比为叶片叶尖圆周速度与风
速比：
v
bt
v
w
GB
R
2
t
pv
w
(3)
式中： GB 是齿轮箱转动比， p 是感应电动机极数，R 风轮半径， t是风轮机转速。
风能利用系数：
0.44(125 /
i
6.94) e
16.5/
i
(4)
p
c
0.002)
1/ (1/
i
其中，
。由于风力机不能把所有的风能转化为机械能，所以风能
利用系数有一个最大值。根据贝茨理论， pc 的最大值为 0.593，以上各个量均为有名值。
传动系统的模型为[8]
H
(T K ) / (2
t
w
t
s
H
T ) / (2
(K
s
m
e
f
(
2
m
)
t
)
m
)
(5)
式中， m 为异步电机转子转速； tH ， mH 分别风力机和发电机的惯性常数，单位为 s； eT
- 2 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
65
为发电机电磁转矩；为轴系扭转角，单位为 rad； sK 为风轮机的轴系数， f 为系统频率
基值。
鼠笼异步发电机采用文献[8]中的模型。在同步旋转坐标系下，各参量被分解成虚轴
(imaginary)与实轴(real)对应下的参量。则异步电机的简化两阶模型为：
e
r
e
m
70
(1
f
(e
2
)e
m
m
r
(e
)e
2
m
r
m
x
x
s
m
x x
x
R m
s
x
x
(
m
(1
f
x
0
x
T
0
R
x
m
x
/ (
R
fr
) / 2
R
x
(
0
(
x
0
x i
T
)
) /
m
0
x i
T
) ) /
r
0
(6)
)
(7)
式中：er 、em 为暂态电势； ri 、 mi 为定子电流。 sx 、 mx 分别是定子电抗和励磁电抗；
Rr 、 Rx 分别是转子电阻和电抗； 0T 为暂态开路时间。
定子电压方程为：
75
异步发电机的电磁转矩方程为：
e
r
e
m
v
r
v
m
r i
s r
r i
s m
x i
m
x i
r
(8)
T
e
e i
r r
e i
m m
(9)
(1
x
(
0
(
x i
T
)
) /
m
0
x i
T
) ) /
r
0
将式(5)和(6)描述的鼠笼异步发电机组的状态方程写成：
x
0
e
f
2
(e
)e
(1
r
m
r
m
e
f
(e
)e
2
m
r
m
m
H
(T K ) / (2
)
s
t
t
w
H
T ) / (2
(K
m
e
s
f
(
2
m
t
将式(1)、(2)和(9)带入式(10)中可得：
f
e
x i T
T
x
)e
2
(1
)
e /
(
r
m
m
r
m
0
0
0
e
f
x
T
x i T
)e
(1
2
)
e /
/
(
m
m
r
m
0
0
0
v
c
H
( ) A
K ) / (2
(0.5
/
)
3
r w
t
p
e i
e i
H
) / (2
(K
)
r r
m m
s
m
f
)
2
(
m
)
)
/
m
r
t
s
m
t
t
(10)
(11)
80
由于鼠笼异步风力发电机组省略了励磁环节，不能自由调节无功，需要在机端加电纳进
行无功补偿[8]，则风力发电机组机端发出的总的有功和无功如式(12)所示。
其中，机端无功包含补偿电容发出的无功
P v i
r r
Q v i
m r
v i
m m
v i
r m
b v
(
2
c
r
(12)
v
2
m
b v
(
2
c
r
v ， cb 是机端补偿电容电纳，由潮
)
2
m
)
85
流计算的初始值确定。
由于机端包含补偿电容，则实际流向电网中的电流并不是定子电流，而是定子电流减去
补偿电纳中的电流。由于电纳端的电压和机端电压相同，则电纳中的电流为：
- 3 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
jV
r
)
b V
c
r
jb V
c m
(13)
c
rc
-
I
mc
jI
jb V
(
m
其中：下标 c 表示与电纳相关的量。
则流向电网中的电流为：
I
m
m
I
m
式中： reI 、 meI 表示流向电网中的电流
re
I
(
jI
me
I
jI
(
I
r
mc
jI
(
b V
r
c
r
j I
)
(
b V
c
r
r
)
jI
rc
jb V
c m
b V
c m
)
)
(14)
90
95
100
1.2 机网接口
在机电暂态计算中，电网络代数方程可表示为：
YV I (15)
由式(15)可知，当发电机的以节点电流的形式注入到电网中的时候，可以很方便的进行
.
.
计网计算。
第 i 个网络节点对应的两个实数线性代数方程为：
I
mi
I
ri
j
j
G V
(
ij mj
B V
ij
rj
)
(16)
G V
(
ij
rj
B V
ij mj
)
(17)
ri
mi
I 为 m-r 坐标系下节点i 注入网络的电流相量；
I
其中： (
V V 为 m-r 坐标系下节点i 节点电压相量；
(
为网络导纳阵 Y 中i 行 j 列元素；
G
,
,
mi
)
)
ri
jB
ij
Y
ij
ij
2 Matlab 仿真模型的搭建
105
2.1 鼠笼异步风力发电机组的模型
r
w
m
I
I
T
根据式(11)，选择
V 作为外部输入量，
E 输出量来搭建鼠笼异步
m
风力发电机组的 S 函数模块，如图 2 中鼠笼异步风力发电机组模块所示。由式(8)可知，对
于图 2 中的定子电流计算模块，应选择
I 为输
m
出 量 。 至 于 图 2 中 的 机 端 补 偿 电 容 电 流 计 算 模 块 ， 从 式 (14) 可 以 看 出 应 该 选 择
b V V
I 作为输入量，通过该模块计算出流向电网的实际电流 reI 、 meI 。
c
m
m
V V 作为输入量，
E
m
E
r
E
r
T
T
T
T
I
I
m
r
r
r
r
110
- 4 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
图 2 封装前的各模块 SIMULINK 模型
Fig. 2 Each module of SIMULINK model before encapsulation
115
将鼠笼风力发电机组模块、定子电流计算模块以及机端补偿电容电流计算模块封装在一
起，就可以形成如图 3 所示的，外部输入量为电压，输出量为电流的鼠笼异步风力发电机组
的模块。网络计算模块由式(16)、(17)计算得到，其中输入量为电流，输出量为电压。
rV
mV
reI
meI
reI
rV
meI
mV
120
图 3 风电机组与外网络进行计算模型
Fig. 3 The wind turbine and the external network computing model
2.2 风电场模型
目前工程上常用的风电场都是由同一种类型的风电机组[9]，通过变压器并联于出口母线
125
上，如图 4 所示：
图 4 风电场示意图
Fig. 4 Schematic Diagram of Wind Farm
130
由于风电场内的每台风力发电机都是并联的，所以机端电压都相等（忽略线路阻抗以及
变压器），风电场出口处的电流为风力发电机电流之和。用 S 函数搭建的风电场模型如图 5
所示。
- 5 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
图 5 风电场 SIMULINK 模型
Fig. 5 SIMULINK model of the Wind Farm
135
3 仿真分析
仿真系统如图 6 所示。鼠笼异步风力发电机组参数如表 1 所示。
140
图 6 单机无限大系统结构图
Fig. 6 Structure diagram of SMIB
表 1 鼠笼发电机组参数
Tab. 1 The parameters of squirrel cage generator
0.98 p.u.
参数 参数值 参数
rr
0T
'
sr
rx
tH
sx
mx
mH
0.01 p.u.
0.1 p.u.
3.0 p.u.
参数值
0.01 p.u.
0.08 p.u.
2.5 kWs/kVA
0.5 kWs/kVA
参数
sK
p
GB
R
参数值
0.3 p.u.
4
1:89
75 m
，电流
。机端补偿电纳
145
tI
cb
在初始时刻，发电机处于稳态。其机端电压
1.09 43.5219
0.5886
仿真条件一：在 0.5
。线路电导
0.2349
G
。
s
t
tV
1 15.4355
B
3.5649
，电纳
时刻，风力发电机组发生机端三相短路，持续时间为 0.1s，之
- 6 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
后故障切除。机端电压变化如图 7 所示，其中实线为 S 函数搭建模型的结果，虚线为 PSAT
软件的结果。
150
V / p.u.
S函数
PSAT
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
压
电
端
机
0
2
4
6
8
10
时间 t/s
图 7 大扰动情况下机端电压
Fig. 7 The voltage of the machine under large disturbance
在图 7 中，用 S 函数搭建的风力发电机组模型得到的机端电压与用 PSAT 软件的结果一
155
致。说明利用 S 函数搭建的模型是正确的。
仿真条件二：在时间 0.5
t
s
时刻，风速 wV 由 9.07 m/s 下降至 8.08 m/s。机端电压，有
功功率，无功功率的变化如图 8 到 10 的实线所示。
1.08 V / p.u.
不改bc
改bc
压
电
端
机
1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0
2
4
时间 t/s
6
8
10
160
图 8 风速扰动下机端电压
Fig. 8 The voltage of the machine under wind speed disturbance
- 7 -
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
率
功
功
有
端
机
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Pe / p.u.
不改bc
改bc
0
2
4
6
8
10
时间 t/s
图 9 风速扰动下机端有功功率
Fig. 9 The active power of the machine under wind speed disturbance
165
Q / p.u.
不改bc
改bc
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
率
功
功
无
的
总
端
机
0
2
4
时间 t/s
6
8
10
图 10 风速扰动下机端无功功率
Fig. 10 The reactive power of the machine under wind speed disturbance
170
由图 8 到 10 可见，风速 wV 突然下降后，有功功率变小，无功变大，机端电压升高。电
压的稳定值在 1.074，机端电压过高会对电力系统以及风力发电机本身产生危害。电压过高
的原因是因为当有功减少后，机端补偿电容发出的无功增大，在被风力发电机组吸收掉一部
分后，仍有大量的无功流向了电网，从而导致机端过高。
仿真条件三：当风速由 9.07 m/s 下降至 8.08 m/s 时，无功补偿电容电纳值 cb 由 0.5886
175
变为 0.3512 时，机端电压，有功功率，无功功率的变化如图 8 到 10 的虚线所示。
从图 8 到 10 的结果对比可知，当风速发生变化后，应改变机端补偿电容的大小，才能
使系统恢复到新的合理的平衡状态。
- 8 -
相关推荐
2023年江西萍乡中考道德与法治真题及答案.doc
2012年重庆南川中考生物真题及答案.doc
2013年江西师范大学地理学综合及文艺理论基础考研真题.doc
2020年四川甘孜小升初语文真题及答案I卷.doc
2020年注册岩土工程师专业基础考试真题及答案.doc
2023-2024学年福建省厦门市九年级上学期数学月考试题及答案.doc
2021-2022学年辽宁省沈阳市大东区九年级上学期语文期末试题及答案.doc
2022-2023学年北京东城区初三第一学期物理期末试卷及答案.doc
2018上半年江西教师资格初中地理学科知识与教学能力真题及答案.doc
2012年河北国家公务员申论考试真题及答案-省级.doc
2020-2021学年江苏省扬州市江都区邵樊片九年级上学期数学第一次质量检测试题及答案.doc
2022下半年黑龙江教师资格证中学综合素质真题及答案.doc
