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
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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