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
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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。
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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
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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：
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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：