基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 - 图文

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 I

摘 要

风力发电作为新兴能源,近几年受到了世界各国研究人员的广泛关注。欧、美、日等发达国家地区已有不少成功经验,并在着手兴建大型化的风电场。在设计、建造和运营风电场的过程中,需要应用大量的新技术,而其中一个重要的技术工具就是相配套的设计和运行软件。其中Matlab/Simulink和GH bladed软件就是常见的风力发电机仿真软件，本文采用Matlab/Simulink软件对其进行建模。本文建立了风力发电系统数学模型,并用Matlab/Simulink软件对这些模型进行了仿真，根据变速风力发电力机的静态性能特点，采用Matlab/Simulink软件对其进行建模，并给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究，给出了风力发电机的静态性能数据和仿真波形。证明了这些模型的正确性,说明了风力发电系统的仿真在对风力发电系统分析中的重要作用。

关键字：风力发电，Matlab/Simulink软件，模型仿真，GH bladed软件

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 II

ABSTRACT

Recently, wind power, as one kind of new energy, is gotten widely attention by researcher of all over world. There are lots of successful experience in some developed countries such as Europe, the US and Japan. Those regions are going to set up big wind farm. During the process of design, construction and operation, a lot of new technology is needed in wind power field. One of important technical tool is responding design and operation software. Matlab/simulink and GH bladed are popular software for wind turbine simulation. In this paper, Matlab/simulink is applied to simulate wind turbine. The mathematic model of wind turbine is set up here. Matlab/simulink software is applied to simulate the model. With the static performance of wind turbine, Matlab/simulink is applied to simulate wind turbine. Wind model is set up by Matlab/simulink and it is sent to wind turbine model as input. Wind turbine model can give static output and wave. It proves the correctness of wind turbine model. It also shows the importance of simulation of wind turbine in analysis wind turbine system.

Key words: wind power，MATLAB software，model simulation，GH bladed software

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 III

目 录

1 绪论 ............................................................................ 1

1.1 风力发电技术的发展历史 ................................................... 1

1.2 风力发电实用软件产品介绍 ................................................ 5 1.3 毕业设计的工作 ........................................................... 11

2 风力发电机原理 .............................................................. 13

2.1 对风力发电机及风力发电系统的一般要求 .................................. 13 2.2 风力发电机原理 ........................................................... 13 2.3 风力发电机结构 ........................................................... 13 2.4 变速风力发电机特性 ...................................................... 14 2.5 风力发电机的类型 ........................................................ 15

3 基于Matlab/Simulink的风力发电机仿真实现 ..................... 16

3.1 基于Matlab/Simulink的风力发电机性能仿真研究 .......................... 16 3.2 基于Matlab/Simulink的风力发电机的仿真方法 ............................ 18 3.3 基于Matlab/Simulink建立风力发电机的仿真模型 .......................... 18 3.4 基于Matlab/Simulink建立风力发电机外部控制器的仿真模型 ............... 27

4 GH软件参数设置与功能分析 ............................................... 30

4.1 应用介绍 ................................................................. 30 4.2 控制模块参数设置与分析 .................................................. 32 4.3 外部控制器 ............................................................... 35

5 结论 ........................................................................... 37 参考文献 ........................................................................ 38 致谢 .............................................................................. 39

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 1

1 绪论

风力发电机组作为大型机电设备，其稳定运行的关键在于控制系统的合理控制。 本课题通过软件对风力发电机控制系统进行建模，根据风机实际运行中需要满足的工况条件，采用合适的控制算法指挥风力发电机在发电、并网、偏航、功率控制等各方面的稳定转换。通过软件中对算法的仿真模拟测试，调整算法的性能，降低现场算法调试的难度。

节约能源，提高能源利用率，大力开发使用新能源和可再生能源，逐步以洁净能源替代矿物燃料，是我国能源建设与发展应遵循的原则，也是实施可持续发展战略的一个重要组成部分，对于环境保护和增加能源供应有着积极作用。风力发电作为无污染的可再生能源随着世界范围内石油、煤炭储量的不断减少和燃用石油、煤炭对环境污染的严重影响，使它越来越受到人们的关注，风力发电机制造技术的不断进步和单机容量不断增大，使风电成本逐年下降，目前已达到接近火电成本并可与水电和核电相竞争的水平，具有十分显著的效益和发展前景。但我国的风力发电机大多引进国外整套设备，从中国大范围、持久开发风能的需要来看，单纯依赖国外进口风力发电机绝不是根本出路。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的风力发电机制造业，才是百年大计。因此研制具有自主知识产权的风力发电机具有十分重大的意义。

随着环保意识的加强,削减传统能源对环境的影响,开发可再生能源,已经成为必然的选择,可再生能源的优势在于它没有污染排放,能量取之不尽。用风力发电机把储藏在流动空气中的能量转化为电能是一种不错的风能利用方式。所以研究风力发电机的控制系统的功能，控制理论与控制工程的常用算法十分重要。

1.1 风力发电技术的发展历史

风能利用有多种形式，目前有发电、提水灌溉、致热供暖、助航等 （如图1-1所示）。将风能转换成电能是风能开发利用的主要方式[1]。

图1-1 将风能转换成电能是风能开发利用的主要方式

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 2

1.1.1世界风力发电发展概况

人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，用风车提水、碾米、磨面\借风帆为船助航。中国、伊拉克、埃及、荷兰、丹麦等都是最早利用风能的国家。经过一段漫长的历史过程后，到19世纪末，随着科学技术的进步，丹麦的研究人员才开始着手利用风能发电。以后，各国都从小型风力发电机研制开始，逐渐向中大型风力发电机发展。

第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机的螺旋桨制造了二叶、三叶高速风力发电机并网发电，虽然装机容量都在5kW以下，但是开拓了将风能转换成电能的先河。美国从1930年开始研制风力发电机，当时以杰卡斯风力发电机最为出名，而且被销售到其他一些国家。1941年，美国设计生产了1台1250kW二叶片“伯能”风力发电机，安装在佛蒙特州拉特兰的格兰德帕610m高的圆顶山上，叶轮直径53.3m塔架高45m。从 1941年10月到1945年3月，该风力发电机运行了3.5年，后因叶片金属疲劳被大风吹断而停止运行。前苏联于1931年在巴塔拉瓦（靠近黑海的雅尔塔）建造了风轮直径为30.48m塔架高度为30.48m额定功率为100kW的风力发电机组，与32kW以外的位于塞瓦斯托波尔的20MW容量的火力发电站相联。

第二次世界大战后，不少国家先后开始了容量100kW以上的风力发电装置的研制。 法国在1958-1966年间先后设计、生产和试验了贝斯·罗曼尼(Best-Romani)风力发电机（额定功率800kW试验时达到1024kW）和尼尔必克（Neyrpic）风力发电机（额定功率132kW及1000kW）。前者因技术问题停止运行60h后恢复正常运行，后者因刹车系统的问题而停止运行，但为法国后来的研究、设计和生产风力发电机准备了条件。

前西德1957-1968年间研究、设计和制造了10-100kW的风力发电机，成功地使用了复合材料叶片，为复合材料用于制作大型风力发电机叶片奠定了基础。

丹麦的盖瑟风力发电机的风轮直径为27m额定功率为200kW每年发电量约40万kWh左右。

在20世纪60年代前后，由于内燃机的广泛使用，其燃料来自廉价的石油，风力发电成本较高，与内燃机发电相比不具有竞争力，使风力发电机的发展近于停止。

1973年发生了世界性的石油危机，石油的短缺以及用矿物燃料发电所带来的环境污染问题，使风力发电又重新受到了重视。美国、丹麦、荷兰、英国、德国、瑞典、加拿大等国家在风力发电的研究与应用方面投入了大量的人力与资金，制定了开发规划。

丹麦在1975年设计制造了功率2000kW三叶片（风轮直径 54m的德文特（Tvind）大型风力发电机。1976年，前西德设计制造了格鲁威恩（Growian）3000kW大型风力发电机，风轮直径100m并成功地用复合材料制作了叶片。美国1975年9月成功地制造了1台风轮直径38m、功率1000kW的MOD-0型大型风力发电机。继而又研究、设计和制造了叶片直径61m、功率2000kW的MOD-1型大型风力发电机和风轮直径91.5m、功率2500kW的MOD-2型大型风力发电机；1985年制造的MOD-5型大型风

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 3

力发电机，风轮直径122m、功率达7500kW。同时，美国也注意垂直轴达里厄风力发电机的研究、设计、制造和试验。美国制铝公司生产过500kW垂直轴达里厄风力发电机。前西德在1981年之后相继研究、设计和制造了3000-5000kW大型风力发电机。加拿大在1983年也研究制造了3800kW大型风力发电机。加拿大对垂直轴达里厄风力发电机的研究倍感兴趣，先后研制成功50-230kW的垂直轴达里厄风力发电机。英国在1981年也研究制造了额定功率,3700kW的大型风力发电机。

经过10多年的发展，中、大型风力发电与自动控制技术逐渐成熟，在风能资源优越的地域，出现了成排有序的风力发电机群在运转，这就是所谓的“风电场” 。在美国和西北欧等工业发达的国家和地区建设的风电场较多。到1987年底，美国在加利福尼亚州安装了约16400台不同容量的风力发电机，总装机容量约达140万kW，年发电量达17亿kWh。美国加州风力发电的发电成本已低于核电，接近燃油发电的水平，说明风电已具有与传统常规能源电力竞争的潜力。自1990年以后并网型风力发电在全世界，特别是美国、欧洲及印度得到了快速发展。另外，为适应连续供电的需要，克服独立运行的风力发电机发出的电能不便储存的问题，出现了“风力发电/柴油机发电/蓄电池储电互补发电系统” 、“风能/太阳能混合发电系统” ，这些系统在一些远离电网的地方得到了推广应用。

到2003年，全世界各国风电装机总容量为139151.3MW其中2008年新增容量7980.7MW增长率为25.6%。

表1-1列出了风电装机容量前10位国家的总装机数量和百分比。

表1-1 2008风电装机容量前10位国家的装机数量和百分比

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 4

目前，世界风力发电机装机容量每年几乎以20%的速度增加，风电已成为世界上发展最快的能源。即使如此，目前世界各国开发利用的风能资源，尚不到可开发利用风能资源的20%,可见其开发潜力之大。世界各国之所以把风能资源作为主要开发能源之一，有2个主要原因：一是地球上不可再生能源——石油、天然气、煤的蕴藏有限，不可无限止地开采；二是开发利用风能资源，基本上对环境不造成污染。

风力发电尚存在一些有待解决的问题，如风力发电机制造成本和运行维护费用较高；运行的可靠性和耐久性有待加强，风力发电机的寿命还难以达到20-30年；储能措施不够完善等。现在科学家正着手研究大容量、小体积、高效率、免维护、寿命长、价格低的蓄电池，以满足无风不发电时的供电要求。

1.1.2 我国风力发电发展概况

远在20世纪50年代后期，我国曾进行过小型风力发电机的研究，受当时的技术经济条件限制，试验受挫而停顿。到20世纪70年代后期，小型风力发电机的研制与推广应用发展速度较快，其中以户用微型机组技术最为成熟，有50,100,150,200,300,500W 微型机组系列定型产品，并进行批量生产，质量很好，不但满足了国内需求，还远销国外。

应用微、小型风力发电机，是解决无电地区农牧民用电的有效途径，我国内蒙古、青海等地应用的最多。有的地方从当地实际情况出发，还应用了“柴油/风力联合发电”、“风力/水力互补供电”、“风能/太阳能互补发电系统”等。用电范围从生活领域扩大到生产领域。把小型风力发电机的推广应用提高到了一个新的水平。

1977年我国首次尝试研制的中型风力发电机是FD13-18型风力发电机，风轮直径15.6m，额定功率18kW，采用了水平轴、三叶片的退役直升机桨叶和半导体励磁场恒压三相同步发电机，安装在浙江嵊泗岛茶园子镇的山上。我国对中、大型风力发电机发展起步较晚，直到20世纪80年代才开始自行研制。由国内8 家单位联合研制的中国首台200kW大型风力发电机在浙江苍南县鹤顶山完成 2000h运行试验，1977年通过鉴定。从此表明中国已经能够自行研制、开发大型风力发电机。1996年国家计委实施“乘风计划”，先后在新疆达坂城，内蒙古的商都、朱日和、锡林浩特、辉腾锡勒，广东南澳，山东荣城、长岛，辽宁东岗、横山，福建平潭，浙江泗礁、鹤顶山，河北张北等风能资源丰富地区建了19个风电场。1998年底我国（除台湾省）风电总装机容量为223.6MW，1996年底为 262.35MW，到2003年达到了567.03MW。虽然这些风电场的风力发电机大部分由国外购入，但是促进了中国风力发电机事业的发展，加快了大型风力发电机国产化的进程。

最近，国家为了促进风能的开发利用，制定了一些相关的优惠政策。现在，全国已有12个省（自治区、直辖市）的电力公司设置了相关机构和人员，组建了15家具备独立法人地位的公司，在这些公司及一些高等院校、科研单位里，拥有一批从事风力发电技术研究、制造和建设管理的专业人员，这支队伍已成为我国新世纪风电建设的生力军。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 5

表 1-2 我国一些较大风电场的装机情况

我国一些较大风电场的装机情况见表1-2。

1.2 风力发电实用软件产品介绍

在风电场设计、建造和运营过程中,需要应用大量新技术,其中一个重要的技术工具就是相配套的设计和运行软件。国外目前在风电领域中的风资源预测、风电场设计优化、仿真模拟以及风电机组设计、风电场运行监控与数据采集等方面,已开发了多种常用软件。文章介绍了针对不同解决方案的软件产品的功能和应用范围。风力发电作为新兴能源,近几年受到了世界各国研究人员的广泛关注。欧、美、日等发达国家地区已有不少成功经验,并在着手兴建大型化的风电场。在设计、建造和运营风电场的过程中,需要应用大量的新技术,而其中一个重要的技术工具就是相配套的设计和运行软件。

Garrad Hassan 软件包不少风电软件开发公司推出了一系列软件产品,为风电场设计、风机设计、风电场管理运行等提供一整套解决方案。英国Garrad Hassan 公司是专业的风电领域各类软件的开发商,它推出了风机叶片设计软件、风电场设计软件、风电场运行监控和数据采集系统以及风机数据采集系统等系列软件产品。客户包括Bonus A/S、BTM Con2sult、ECN、Enercon、FPL Energy、Gamesa Eoli2ca、GE WindEnergy、NEG Micon、Repower、Su2zlon Energy、Tokyo Mit subishi、Vestas DWT、World Bank等200多家全球主要风电机组制造商、开发人员、银行和业主[2]。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 6

1.2.1 风力发电机组设计软件

风力发电机组设计内容比较繁多,包括对整机、转子、叶片、驱动系统和控制系统等多方面的设计,因此所涉及到的软件也非常多样化,如欧洲Aerodyn和CTC等专业风机叶片设计公司都使用十余种软件进行综合设计,以实现叶片的低成本、高效率、优良的结构特性和工艺性。除了Garrad Hassan软件解决方案外,Bladed For Windows、CFX、Fluent、Star2cd等软件也是风机设计常用软件。国内外有不少研发机构采用ANSYS有限元软件平台,对机舱进行静力分析和模态分析[3]。国内上海工程技术大学也自行开发了风机设计软件WTD,研究叶片气动性能分析,对叶轮功率计算、叶片的安装角分布、风轮的转速、叶片翼型弦长分布、叶片扭转角分布设计等方面的功能进行了计算分析[4]。 1.2.2 GH Bladed——风力发电机设计软件

GH Bladed为用户提供的是一个陆上及离岸式风机性能、负载的设计解决方案。软件具有基于Windows的绘图用户界面和在线帮助功能,操作方便,同时风机设计计算采用工业标准。GHBladed 软件同时支持风载荷和波浪载荷组合计算,采用全空气弹性和水弹性模型并考虑地震励磁的影响。GH Bladed具有多个功能模块,包括外壳稳定性分析、动态负载模拟、负载与电能获取分析、批处理和报告自动生成、电网交互以及控制设计的线性化模型,如图1-2 所示。

通过GH Bladed 图形界面的工具栏,便于进行风机各个部分(包括转子、叶片、驱动传动系统、发电系统、控制系统、塔架和机舱)的设计参数设定。

图1-2 GH Bladed 风力发电机设计软件界面

通过GH Bladed 图形界面的工具栏,便于进行风机各个部分(包括转子、叶片、驱动传动系统、发电系统、控制系统、塔架和机舱) 的设计参数设定。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 7

1.2.3 GH WindFarmer—风电场设计软件

GH WindFarmer是有效的风电场设计优化软件工具。它综合了各方面的数据处理、风电场评估,并集成在一个程序中快速精确地计算处理。用户可以通过GH WindFarmer自动有效地进行风电场布局优化,使其产能最大化并符合环境、技术和建造的要求。GH WindFarmer可生成高质量风电场环境影响评估文档,包括噪音、阴影闪烁、视觉影响、雷达、累积影响。风电场的视觉影响可以通过采用动态或静态视觉图像、虚拟漫游或集锦照片的方式演示图1-3。GHWindFarmer有中文、英文、德文、法文等多种语言版本,全球24h技术支持。

图1-3 GH WindFarmer风电场设计软件界面

1.2.4 GH SCADA—风电场监控管理和数据采集系统

Garrad Hassan 公司已经采用监控系统对大量风机进行了监控测量,并从许多风电场项目中获得了风机设计和数据分析的经验。GH SCADA 软件是与风机制造商、风电场运行商、开发商和金融企业等共同协作设计开发的,用于满足风电场运行、分析和风电报告中相关企业的需求。可以用于任何类型的风机,并对所有设备采用统一的分析和报告处理。用户可以通过在线数据查看功能监控风电场当前的状态,包括采用绘图用户界面查看风电场地图或采用一系列图表显示风机、气象站和电网状态,如图1-4 所示。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 8

图1-4 GH SCADA风电场监控管理和数据采集系统软件界面

GH SCADA的“报告、分析和数据库”主要是实现生成报告、计算电能产量、趋势、数据库、电力曲线、气象数据和实用性计算等功能。GH SCADA的功能特色在于软件的操作具有完全独立性、可跟踪性和透明性,使用者可以指定需要查看、控制、记录和报告的内容;具有单个风机、电网和气象站的远程界面单元,保证数据的完整性;远程接口采用Web浏览器,无需复杂的软件设置;采用气象站界面单元进行独立风速测量和气象参数监控和分析。

1.2.5 GH T2MON—风机数据采集系统

GH T2MON 应用于风机的实际使用过程,是一个综合信号处理和数据采集系统。每个系统具有一个独立的多数据采集单元计算机基站(DAU′s),基站执行控制、数据处理和记录功能,并提供信号处理、模拟量过滤和A/D数模转换,以及进行传感器频率测量。它的主要功能特征主要表现在从安装到数据采集简单快速;模块化分布式数据采集单元;同步数据记录;操作简便;采用调制解调器进行所有功能的远程接入以及低成本的解决方案等。

1.2.6 AREVA T&D E2terrawind软件

由于在电力系统中应用了不连续的发电技术,对相关发电单位提出了新的挑战,包括精确风量预测、确保电力质量(电压和频率波动)、辅助服务和风电入网的成本和运行效果。AREVA T&D E2terrawind软件的目标用户是风电场开发和运行商、输配电单位、区域输电机构等单位,主要提供风电场设计规划,实时监控电场的电力并网和市场运行状况。软件集成了基于气象因素的发电预测、发电配额日程安排、发电监控、贸易市场

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 9

界面,帮助风电场运行商获得最大的盈利。

E2terra wind软件可以与AREVA T&D公司开发的风能预测和其他功能软件兼容,以此评估风能对电力系统运行的影响。E2terracont rol是一个集成的、且较成熟的标准软件应用程序,为电力行业提供最新的实时数据采集和管理监控系统。E2terracont rol 采用开放式的结构和分层软件设计,并可运行多种面向。

风力技术的软件模型,同时它可作为一个软件平台,支持其它应用程序的运行。例如E2terracon2t rol是数据处理网关(DPG) 的基础平台,用于在风电场和公用事业并网控制中心能源管理系统(EMS)间进行数据传输。E2terrasimulator软件提供电力系统实时模拟运行和能源管理系统的功能。支持风电场的运行影响和运行成本的研究,以及满足独立发电商、输配电公司等机构的培训和测试分析需求。提供多样化的系统实时运行仿真,例如自动发电控制、负载预测、效益分配、监控管理、电压控制等[5]。

1.2.7 风电场设计优化和风资源预测评估软件

Riso WAsP软件

丹麦Riso国家实验室研制的WAsP软件是目前国际认可的进行风电场发电量计算与风机最优化布置的通用软件。WAsP是风力气象预报、风力发电机和风电场产能预报的PC平台应用工具,是行业标准的风力评估软件[6]。它服务于风力气象和风力相关产业超过15 年,成为基于PC的风力资源评估软件的标准,可以在Windows 98、Me、NT4、2000and XP系统下工作,目前在100余个国家有超过1500的用户。目前WAsP最新版本为8.3。它的主要功能包括风资源数据分析,地图数字化与分析,风图谱生成,风气候评估,风机产量计算,风机微观选址,风电场产量计算,风电场效率计算和风资源地图绘制等。

ReSoft WindFarm软件

英国ReSoft公司推出的WindFarm软件主要用于分析、设计和优化风电场,可同时考虑地形和尾流效应来计算风电场电能产量;对风机进行产能最大化和成本最小化的设计,并使其符合自然条件、规划设计和工程建设的要求;具有先进的制图工具,还能进行风力流动计算、噪音计算和风速数据的测量相关联预测分析(MCP)。采用可视化工具创建集锦照片,包括图像动画、风电场电缆视图显示、阴影闪烁分析和创建视觉影响区域地图,如图1-5所示。WindFarm软件分为3个模块组:

(1) 设备模块

包括图形界面、数据转换、地图转化、网格和轮廓阅读器、风机工作室等。 (2) 优化和电量产出模块

包括优化设计、电量产出、风力流动、风力分析、噪音计算等。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 10

图1-5 ReSoft WindFarm设计软件界面

(3) 视觉化模块

包括集锦照片、视觉影响区域、阴影闪烁、动画图像、框线视图等。 Wind Farm软件的主要功能特色体现在以下几方面:

(1) 采用了先进的算法优化风电场,增加电量产出减少电量成本,满足了环境和自然条件要求。

(2) 将噪音模型作为优化条件。

(3) 结合风力流动模块和先进的尾流模型计算风电场电量产出。 (4) 采用测量相关联预测模块计算长期风速预测。 (5) 具有高性能制图能力,包括位图处理和数字化显示。

(6) 创建细致的视觉影响区域(ZVI) 图像,包括采用ZVI模块得出多个风电场的累积影响评估。

(7) 创建规划集锦照片,包括风机制图和动画图像。 (8) 显示风电场和地形的三维框线视图。

(9) 分析风电场可能对周边房屋产生的阴影闪烁影响。 (10) 采用“风机工作室”设定和创建风机数据和几何绘图。

(11) 采用数据转化模块简化数据输入等。ReSoft WindFarm软件已经应用于英国E. ONUK plc、西班牙Ecotecnia SCCL、加拿大Zephyr North等全球各大风电企业[7]。其它的风电场设计和风资源评估软件还有德国Hines Marine Services公司推出的

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 11

Wind2Plot、加拿大Mistaya公司的Windographer风资源评估软件等。

1.2.8 仿真建模研究软件

仿真建模研究软件在当今各种工程项目评估中的应用非常广泛,尤其在建设和运行风电场的过程中起到极为重要的作用。不同的模拟仿真软件工具可对电力系统、电力转换、发电机、机械部件和风机空气动力学特性等各方面进行仿真模拟,而且在不同的时间和阶段采用不同的软件进行仿真建模[10],如图1-6所示。

[8][9]

图1-6 风电仿真建模软件功能分类

注:1) HAWC是丹麦Riso国家实验室研发的空气弹性仿真工具,计算风机结构的动态负载,主要应用于风力发电机空气动力学和机械部件研究。

2) DigSilent Power Factory是德国DIgSIL ENT Gm2bH公司推出的电力仿真软件,被广泛应用于风电行业的电力系统的发电、传输和风电场的模拟仿真,以及风机并网发电质量的分析。

3) Saber是电路和系统电力设计的仿真软件,包括电力、热能、磁力和机械组件部分的仿真。

4) Matlab/Simulink是一个广泛应用的建模开发工具,在建立模型后可与其他仿真工具结合使用。

1.3 毕业设计的工作

第一章：首先介绍了风力发电的历史以及现状包括国际上还有我国的发展情况，接着介绍现在世界上研究风力发电机的一些主要软件，其中包括我用到的Matlab/Simulink软件。

第二章：介绍了风力发电机的原理，结构、特性、以及风力发电机的种类。 第三章： 通过Matlab/Simulink对风力发电机进行研究和设计，通过Matlab/Simulink里的函数模块和风力发电机原理的计算公式推算出子模块，再进一步把子模块连接，得出风力发电机的仿真模型，并通过模块中的示波器得到的波形，与通过计算公式的计算结果验证设计的风力发电机仿真模型是正确的。根据风力发电机原理分析，了解到风力

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 12

发电机输入的风速的大小是不断变化的，但输出的功率要保持在一个额定功率，因此可以通过设计一个外部控制器控制其他两个输入量的大小使风力发电机的输出保持在一个额定的功率，我搭建了一个外部控制器，并尝试对风力发电机的输出进行调试。

在做毕业设计的过程中经过查阅了相关风力发电的资料。了解了模拟风力发电的模拟仿真。学习了Matlab软件，包括：符号计算、数值数组及向量化运算、数值计算、Matlab/Simulink交互式仿真集成环境、Matlab/Simulink模型建立和仿真。通过风机仿真系统建模，包括建立风力发电机需要的模型，完善整个风力发电机的软件模型。

根据风力机的控制策略，只要保持风速和风力机的转速一一对应，此时，风力机的转换效率最高。在仿真过程中根据P*(风力机的最优输出功率)调节发电机的转速，使对于一特定的风速，风力机稳定运行在一恒定的转速，获得最大的风能转换效率。高于额定风速时，调节发电机的输出功率保持在额定功率值不变。高于风力发电机的额定转速时，通过桨距角的调节使发电机的输出功率保持恒定。

通过这个风机仿真系统，可以验证在不同工况控制软件流程的正确性、对控制软件算法进行定性分析。Matlab/Simulink和GH-Bladed是有接口的，通过Matlab/Simulink仿真系统做出的优化算法我可以放到更专业的风机仿真软件GH-Bladed中去仿真去调试。最后达到合理的风机控制策略和算法。根据风机仿真的研究来撰写毕业论文。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 18

图3-6 风力机输出转矩曲线 图3-7 风力机输出功率曲线

3.2 基于Matlab/Simulink的风力发电机的仿真方法

为了对风力发电机组的软件进行功能性测试，需要建立一个仿真系统，通过软件/硬件模拟出风力发电机环境。通过设置相应的参数便可以模拟实际情况进行控制，也可以直接接入硬件设备进行控制。

通过仿真系统，可以验证在不同工况控制软件流程的正确性、对控制软件算法进行

定性分析以及对控制器各单元模块的输入输出进行故障检测。 3.2.1 分阶段建模方案

目前，计划分三步对仿真系统建模：

第一步，建立风力发电机需要的模型，包括风速、风向、角速度、风力发电机内部模块。

第二步，完善整个风力发电机的仿真模型。 第三步，通过外部硬件模拟所有输入输出变量。

3.3 基于Matlab/Simulink建立风力发电机的仿真模型

在Matlab/Simulink中自带风力发电机的仿真模型，其外部封装结构图、内部子系统结构图如下。

图3-8 风力机外部封装图

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 19

图3-9 风力机内部子系统结构图

Pm?CP(λ,β)ρA3vwind 2（3-1）

Pm 风力发电机的功率（瓦） Cp 风力发电机的功率系数 ρ 空气密度（公斤/立方米） A 叶片席卷面积（平方米） vwind 风速（米/秒） λ 叶尖速比

β 桨叶角（度）

CP(?,?)?C1(1?C2?i?C3??C4)e?i?C6?

?C5（3-2） （3-3）

?i10.035?3

??0.08???1图3-9的风力发电机模块有2个缺点：第一个缺点是用标幺值做的，还有一个缺点是风力发电机模块输出的是转矩不是仿真需要的功率。通过上面的公式以及代数的含义通过推导出了不用标幺值做出风力发电机模块，并且风力发电机输出的是功率。

通过公式（3-2）和（3-3）可以知道通过叶尖数比λ和桨叶角β（度）计算，可以求出Cp的值，下面来推导一下这个模块。

根据公式（3-3）知道模块有2个输入叶尖数比λ和桨叶角β，桨叶角β的大小我是可以调节的，通过我给桨叶角β一个输入我就可以确定桨叶角β的角度，叶尖数λ比是一个系数，叶尖数比λ的大小是取决于输入的的风速和输入的角速度（也就是叶尖

R?r的速度）由公式??可知，当给定了桨叶角β的值和输入的风速vwind还有角速度?rv的时候我们就可以根据公式（3-3）求出?i的值了。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 20

图3-10 求?i的模块

图3-11 公式3-3的模块

求出?i的值，我就可以根据公式3-2去求Cp(?,?)的值了，由于公式中的叶尖数比λ和桨叶角β还有?i都是已知的了所以我求出了Cp(?,?)的值。

图3-12 已知?i求Cp(?,?)的模块

图3-13 公式3-2的模块

通过上面这些推到计算我得到了Cp模块的内部结构

图3-14 Cp模块

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 21

图3-15 Cp模块的内部结构

通过Cp模块和公式(3-1)和以上的参数我得到了一个风力发电的模型

图3-16 无标幺值功率输出的风机仿真模型

根据风力发电机的性质，在最大风能捕获区，桨距角β一定时，总有一个最佳功率系数Cpmax和最佳叶尖速比λopt相对应。根据风力发电机的控制策略，只要保持风速和风力发电机的转速一一对应，使λ=λopt时，风力机的转换效率最高。

由于风速的难测性和不稳定性，在最大风能捕获区，一般用风力发电机的转速来代替风速，风力发电机的最优输出功率 公式:

P*?1WrR3?ACpmax() 2?opt（3-4）

参考Matlab/Simulink中自带的风力发电机仿真模型，搭建仿真模型图，其内部子系统结构图、外部封装图如下：

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 22

图3-17 风力机内部子系统图

图3-18 风力机外部封装图

用我做的图3-17的图进行仿真调试以及一些算法的验证，给定基本风。基本风定义:

在风力发电机正常运行过程中一直存在，基本上反映了风电场平均风速的变化。风力发电机向系统输送的额定功率的大小也主要由基本风速决定，一般认为基本风速不随时间变化，可以取常值。

Vwb?Kb （Kb为一常数）

R?r=6，通过改变风速vwind的值，分v别看桨叶角β为0°，5°，10°，15°，20°，25°输出功率P的变化。

根据要求的算法我设λ叶尖数比为6，即??（1）当桨叶角β为0°，风速vwind为2m/s时，功率输出值如下图所示：

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 23

图3-19 功率图

（2）当桨叶角β为0°, 风速vwind为4m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-20 功率图

（3）当桨叶角β为0°，风速vwind为6m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-21 功率图

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 24

（4）当桨叶角β为0°，风速vwind为8m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-22 功率图

（5）当桨叶角β为5°，风速vwind为2m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-23 功率图

（6）当桨叶角β为5°，风速vwind为4m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-24 功率图

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 25

（7）当桨叶角β为5°，风速vwind为6m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-25 功率图

（8）当桨叶角β为5°，风速vwind为8m/s时，功率输出值如下图所示：

图3-26 功率图

当桨叶角β为其他值10°,15°,20°,25°.风速vwind为2m/s,4m/s,6m/s,8m/s时同样的得到了功率输出的值。通过这个仿真波形我得到了风速vwind和输出功率P的函数图。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 26

图3-27 风速vwind和输出功率P的函数图

通过上图3-27看出当桨叶角β一定时，当输入风速vwind变大风力发电机所输出的功率P将变大，但当输入的风速vwind一定时，桨叶角β越大输出的功率P越小。

通过对图3-17这个仿真模型在Cp模块输出的Cp的值的计算和示波器的表示，我画出了Cp值和λ叶尖数比值在不同的桨叶角β下的关系表：

表3-1 Cp值和λ叶尖数比值在不同的桨叶角β下的关系表

βCp λβ=0 β=5 β=10 β=15 β=20 0 0 0 0 0 0 3 0.15 0.07 0.08 0.09 0.10 6 0.33 0.24 0.22 0.18 0.11 9 0.45 0.36 0.22 0.09 -0.09 12 0.24 0.33 0.10 -0.11 -0.21 15 -0.2 0.17 -0.15 -0.25 -0.39

图3-28 Cp值和叶尖数比λ值关系图

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 27

通过上面对我建立的Matlab/Simulink风力发电机仿真模型进行了研究，其中包括对输入值和输出值之间的关系是和仿真的模块有很大联系的，通过波形和仿真控制算法和公式计算验证我设计的风力发电机模型是可行的，通过把输入和输出值根据它们在控制算法下的波形，我画了图，可以很清楚的从图中看出风力发电机的工作情况和通过控制一些量，通过调节可以使风力发电机输出的功率P最大即风力发电机的额定功率。

3.4 基于Matlab/Simulink建立风力发电机外部控制器的仿真模型

通过公式（3-1）和我建立的Matlab/Simulink风力发电机仿真模型图3-17可知我还可以通过调节输入的角速度和桨叶角β来控制风力发电机的输出的功率P保持在额定功率不变.下面是我设计的外部控制器图。

图3-29 风力发电机的整个仿真图包括外部控制器

为了验证风力发电机仿真模型对风速变化的动态相应，取渐变风作为风力发电机仿真模型风速的输入值。渐变风分别取10~12米/秒渐变和13~15米/秒渐变。仿真图形分别为：

（1） 额定风速以下

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 28

图3-30 额定风速以下风力发电机功率P*和风速vwind仿真波形

图3-31 额定风速以下风力发电机功Wf仿真波形

图3-32 额定风速以下风力发电机功率Pf和功率P*仿真波形

（2） 额定风速以上

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 29

图3-33 额定风速以上风力发电机风速vwind仿真波形

图3-34 额定风速以下风力发电机桨叶角β仿真波形

图3-35 额定风速以下风力发电机功率Pout仿真波形

从图中可以看出，该风力机仿真模型可以实现最大风能捕获和恒功率的控制。即图3-29建立的风机外部控制器可以通过调试使最大风能捕获得以实现，同时可以使风力发电机在风速变化的情况下使输出的额定功率保持恒定不变，达到外部控制器的目的。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 30

4 GH软件参数设置与功能分析

4.1 应用介绍

GH Bladed软件为多种控制策略型式的陆上\\海上风机提供了考虑周全的气动弹性模型，提供外部控制器接口可以使用户自定义的dll文件，从而仿真过程中反映控制特性。同时有电网连接模型。在计算的过程中可以仿真多种风环境和海浪环境。软件可以进行模态分析、稳态性能和载荷计算、各种工况下的时域动态载荷和响应等等的分析。基础模块同时还提供了批处理任务、对计算结果的统计后处理、图表输出、报告生成等等的功能；同时硬件测试模块使用Bladed建立的虚拟风机模型，通过物理接口，对控制器硬件和其它执行机构的硬件进行测试和试运行。

图4-1 GH Bladed软件界面

? 叶片Blades：定义叶片的特性

? 翼型截面Aerofoil sections：进入翼型截面的数据库 ? 叶轮Rotor：定义叶轮的特性及风机整体的配置 ? 塔架Tower：定义塔架的特性

? 传动链Power Train：定义驱动链、能量损失及电气系统 ? 机舱Nacelle：定义机舱的几何尺寸及重量 ? 控制Control: 设置发电工况以及监控系统

? 模态分析Modal analysis: 叶片和塔架振动的模态分析

? 风文件输出The wind input: 定义风速和风向，包括时间和空间的变化 ? 海面状况Sea state: 定义海上风力机的波浪、水流、潮汐高度等、 ? 计算Calculations: 选择、指定和执行某一计算 ? 数据查看Data View：查看图表或生成结果数据表 ? 分析Analyse：结果的后处理

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 31

图4-2 计算Calculations界面

图4-3 Graph Parameters界面

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 32

图4-4 Data View函数关系图

4.2 控制模块参数设置与分析

图4-5 Control Systems界面

4.2.1 Power Production Control

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 33

额定功率以下： 最优尖速比

状态 参数 Optimal mode gain 参数 优化模型增益 注释 kopt???R5C?/2?3G3 Qd?kopt?2 电机扭矩需求 额定功率以下（扭距-功率曲线） Minimum Generator Speed 最小电机速度 Optimal Mode Maximum 优化最大电机速度 Speed 额定功率以上（变桨策略） Minimum Pitch Angle Maximum Pitch Angle Demand Generator Torque Demand Generator Speed Maximum Generator Speed 传感器参数 Power transducer constant 最小桨距角 最大桨距角 期望电机扭距 期望电机速度 最大电机速度 并网速度 额定转速 叶片设计时指定 叶片设计时指定 额定扭距 额定速度 电机允许的最大速度 电气功率信号用于固有的动态定桨距调节控制器 发电机速度信号用于固有的动态变速控制器，通常设置为0可忽略变换品质动态特性 -8 8 减少稳态误差，过大会使系统的暂态响应有较大的超调和强烈的振荡 改善稳态误差，允许暂态响应有小的甚至没有超调，但响应时间可能很长 防止微分项出现过高频率的增益（0） 减少稳态误差，过大会使系统的暂态响应有较大的超调和强烈的振荡 改善稳态误差，允许暂态响应有小的甚至没有超调，但响应时间可能很长 防止微分项出现过高频率的增益（0） time 功率传感器时间常数 速度传感器时间常数 Speed sensor time constant 桨距角控制（软件控制率限制） Minimum pitch rate Maximum pitch rate 最小变桨率 最大变桨率 比例增益 扭矩控制参Proportional gain 数（PI控制） Integral gain 积分增益 Desaturation time constant 桨距角控制参数（PI控制） Proportional gain 过滤时间常数 比例增益 Integral gain 积分增益 Desaturation time constant 过滤时间常数 基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 34

4.2.2 Supervisory Control 开机 Initial rotor speed Initial pitch angle 初始叶轮转速 初始桨距角 0 90 7.5 0 7.5 90 0.5叶轮转速下降到该值，轴制动使叶轮停止 过速触发空气制动-过速 突然失载—电网掉电 触发空气制动的过速（27） 用于电网掉电或过速的恒定桨距变化率（12） 90 过速触发了轴刹车—过速 失载—电网掉电 触发轴刹车的过速（22） 当叶轮降速到该值时，如果还不知道是电网失电或过速的原因，则由轴刹车使叶轮停止（0.5） 全刹车力矩 从0达到全刹车力矩的时间 90 0 90 Initial pitch rate during 启动阶段初始桨距角start-up 变化率 Generator speed at which 电机入网转速 generator is put on line Final pitch angle in start-up 启动阶段最终桨距角 mode 正常停机 Pitch rate Final Pitch 桨距角变化率 最终桨距角 Rotor speed for cut in of 停机叶轮转速 shaft brake 紧急停机 Emergency pitch trip mode 紧急变桨触发模式（电网掉电/过速） Rotor over speed trip to start 桨距控制开始的叶轮pitching 转速 Emergency pitch rate Final pitch 紧急停机桨距速率 最终桨距角 Emergency shaft brake trip 紧急轴刹车释放模型 mode （电网掉电/过速） Rotor over speed trip for 刹车投入的叶轮速度 brake application （速度控制） Rotor speed for brake 刹车投入的叶轮速度 application for parking （停止） 高速轴刹车特性（线性过度模型） 偏航控制参数 Maximum shaft brake torque 最大轴刹车力矩 Shaft brake ramp time Yaw friction Additional stiction Yaw damping Yaw stiffness 刹车达到最大扭距时间 偏航摩擦力 附加摩擦力 偏航阻尼 偏航刚度 停机后桨距角 停机后叶轮倾角 空转时桨距角 停机 空转 Pitch angle when parked Rotor azimuth when parked Pitch angle for idling

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 35

图4-6 Supervisory Control界面

4.3 外部控制器

Bladed提供完整的内置控制器，既包括正常发电也包括监控系统，但是在实际应用中不同的风机制造商使用的控制算法有很大不同。控制器细节可能显著影响机组的载荷和性能，因此允许用户使用任何期望的控制算法。 Bladed 允许用户自定义控制器进行以下任务：

? 叶片变桨和电机扭距在整个运行范围内的控制，包括正常发电，正常停机和紧急停

机，启动，空转，和停机状态等。 ? 轴刹车和电机接触器控制 ? 机舱偏航控制

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 36

图4-7 Supervisory Control界面

指定控制器，需要设置以下参数： ? Controller code 控制器代码：

? Communication interval 通讯间隔：控制器的时间步长

? External Controller Data 外部控制器数据（可选）：用户在此提供的信息将存放在一

个文件名为DISCON.IN中的文本文件，该文件在当前控制器程序启动后，可以自由的打开和读取。用户可以用此方式传递附加参数到控制器，例如增益、对照表等数据。

外部控制器与Bladed通讯：

? 编译成可执行文件（.EXE）的外部控制器与Bladed模拟数据之间通过共享的二进

制文件来进行信息交换，二进制文件由多个4字节记录组成。 ? 以DLL动态链接库型式编译的外部控制器通过数组进行数据交换。

基于Matlab的GH bladed软件风机外部控制器设计 37

5 结论

本文首先介绍了风力发电的历史以及现状包括国际上还有我国的发展情况，接着介绍现在世界上研究风力发电机的一些主要软件，其中包括我用到的Matlab/Simulin软件。接下来就介绍了风力发电机的原理，结构以及特性。通过以上软件知识的学习接下来就通过Matlab/Simulink对风力发电机进行研究和设计，通过Matlab/Simulink里的函数模块和风力发电机原理的计算公式的推算得出子模块，再进一步把子模块连接得到风力发电机的仿真模型，通过模块中的示波器得出的波形和算数式算法的计算结果比较，验证设计的风力发电机仿真模型是正确的。

通过风力发电机原理分析，了解到输入的风的大小是变化的，但输出的功率要保持在一个额定功率，因此通过设计一个外部控制器控制其他两个输入量的大小使风力发电机的输出保持在一个额定的功率，搭建了一个外部控制器，并尝试着进行调试。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gw43.html