matlab simulink风力发电机变桨距PI控制仿真

1、内容简介

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35-可以交流、咨询、答疑

2、内容说明

风力发电具有清洁、可再生、存储量大等优点而广受世界各国的青睐，本文针对2MW直驱式风电机组，研究在变风速条件下变浆距风力机的数学建模和仿真分析。应用simulink软件，建立了变浆距风力机的数学模型，进行相关的控制系统分析，并着重研究在了在超过额定风速情况下的控制系统调节能力。仿真结果表明，在风速低于额定风速的时候，系统能够追随风速的变化变化情况，不断调整，实现最佳的能量转换率，在风速超过额定风速的时候，控制系统能够控制作动起使桨叶节距角增加，从而保证输出功率稳定在额定功率范围内。

3、仿真分析

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通过 Matlab 仿真得到了风电机组不同的性能参数。下图分别为风电机功率、转矩、风能最大利用系数、叶尖速比和桨叶节距角。由图可以发现风电机功率、转矩随着风速的增加也逐渐增加，直到达到额定值，额定功率为2Mw。风速稳定在13m/s后，系统的风电机功率、转矩保持恒定。在1.6s过后，由于速度超过系统的额定速度，控制系统增大桨叶节距角，保证系统的额定功率稳定在额定功率附近，由于控制系统的调节，此时系统的输出功率和转矩一直存在轻微波动，

图4.7 系统的响应

图4.8 风电机组输出功率

风电机组输出功率随着风速增加而增加，直到达到额定功率2 Mw。随着速度的进一步增加，控制系统控制桨叶节距角，从而保证系统的有稳定的输出功率，有结果曲线看出，系统的输出功率在振荡，可以优化PI参数来减小输出功率的振荡幅值。

图4.9风电机组输出功率局部放大图

风速线性增加阶段，风电机转矩最大值为8.74KN.m，稳定值为8.7KN.m，系统的超调量0.46%<2%，系统响应性能好。在速度超过额定速度后，风电机转矩和输出功率一样，存在振荡情况。

图4.10 风电机转矩

在风速达到额定风速的时候，风能利用系数为0.36；风速保持恒定，由于控制系统的控制作用，风能利用系数进一步增大到0.41并保持；在风速超过额定风速的时候的时候，由于要求保证额定输出功率恒定，那么就要降低风能利用系数，由仿真结果发现，从1.6s开始，随着风速的逐渐上升，风能利用系数逐渐降低，直到1.64s保持稳定，然后由于控制系统的作用，导致风能利用系数一直振荡。

图4.11 风能最大利用系数

叶尖速比基本值为6左右，和风能最大利用系数一样，它的变化趋势和风能最大利用系数一直，同样是由于不同速度导致变化，它的最后稳定值为4.6。但不同点叶尖速比没有超调量。

图4.12 叶尖速比

图4.12 叶尖速比

放大图

对于信号β，加入了滤波函数，

，该滤波器能够有效过滤系统中的高频信号，保留低频信号，滤波信号的幅频图如下。

图4.13滤波函数幅频图

图4.14桨距角

桨距角β其中黄线为滤波前信号，紫色线为滤波后的信号，说明在系统中，高频信号占有一定的成分，导致系统出现大的峰值，通过滤波器可以有效降低系统响应的超调量。这也说明了在控制系统中，必须增加一个高频滤波器，增设滤波器后，桨距角能够消除超调，同时振荡的幅值更加小，能够加快实现稳定。在额定速度情况下，桨距角稳定值为0.23rad。

为了对比不同风速下的风电机的性能，我们设置不同的速度研究风电机性能参数变化

Vmax=20m/s

Vmax=17m/s

Vmax=14m/s

对比不同速度下的风电机性能，我们发现随着最大风速的降低，由于控制系统的作用，系统的风电机功率、转矩保持不变；但风能最大利用系数和叶尖速比逐渐降低，符合理论分析；桨距角逐渐增加。

    本章节重点分析了在变风速下的风机系统。通过上文理论推导和本章节的模型仿真，验证了控制系统的稳定性。在风速低于额定风速的时候，系统能够追随风速的变化变化情况，不断调整，实现最佳的能量转换率，在风速超过额定风速的时候，能够调节桨叶节距角，稳定输出功率在额定功率范围内。

4、参考论文

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