基于Matlab的组合风速建模与仿真基于Matlab的组合风速建模与仿真3杨之俊230009合肥工业大学电气与自动化工程路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理学院合肥摘要在风力发电的模拟系统中风速模拟是一个重要的环节正确的风速模型不仅能够很好的反应实际风速变化情况而且能够给风力发电系统研究提供正确的源参数本文用MatlabSimulink建立了风速组合数学模型该模型将风速分为基本风速阵风渐变风速和噪声风速4部分仿真结果表明该模型能够理想的反应实际风速关键词风力发电Weibull分布风速组合数学模型MatlabSimulink1672-9706200803-0074-04TM743A中图分类号文献标示码文章编号ModelingandSimulationofCombinedWindSpeedBasedonMatlabYANGZhi-junSchoolofElectricalEngineeringandAutomationHefeiUniversityofTechnologyHefei230009ChinaAbstractThemodelofwindspeedisanimportantaspectinthesimulationofwindpowergenerationsystemAccuratemodelofwindspeedcannotonlyreflectthefactualvarietyofwindspeedbutalsoprovidethestudyofwindgenerationwiththeaccuratesourceparamet随机风速模型
ersThispaperestablishedancombinedmathematicmodelofwindspeedbyMatlabSimulinkThemodeliscomposedoffourpartsthebasicwindspeedthegustwindspeedtherampwindspeedthenoisewindspeedTheresultofsimulationshowsthemodelcanreflectfactualwindspeedideallyKeywordswindpowergenerationWeibulldistributionthecombinedmathematicmodelofwindspeedMatlabSimulink0引言随着全球常规能源的日益紧张利用可再生能源发电就有着重要的意义可再生能源发电具有明显的环境效益和社会效益由于风能蕴藏量大分布广泛可以再生等特点风力发电是可再生能源发电的最常见的一种形式风力发电机组由风力机发电机等组成在风力发电模拟系统中风速能否较真实地反映实际风况直接影响到对整个发电系统的性能检测因而风速模拟成为风力发电模拟系统中首先需要解决的问题图1为风力发电机组的基本模块框图从中我们可以看出风速模型是进行风力发电研究的源参数国内外对风速分布曾有过不少的研究和探索可用一定的统计模型来进行拟合例如指数分布正态分布瑞利3收稿日期2008-06-01作者简介杨之俊1983-男安徽滁州人硕士研究生研究方向为新能源和分布式发电技术[12][3]Ray
leigh分布双参数Weibull分布三参数Weibull分布等等有选择地选用上述模型拟合不同地域的风况发现每种模型都有其自身的特点但也跟实际风况存在着差距Weibull分布是风速平均值的一种反应当需要从风能资源的角度进行研究时weibull分布较为理想但其表示的是一个较长时间段内的风速平均值不适宜于动态仿真研究文献[4-6]采用的是平均风速分量与湍流分量相叠加的风速模型风速的变化由湍流分量给出文献[7]在对风速特性进行研究的基础上建立了满足一定功率谱密度特性的自回归滑动平均ARMA风速模型本文采用了组合风速数学模型该模型较精确地描述了风速的随机性和间歇性的特点将自然风速分为基本风速阵风渐变风和噪声风4部分组成每一部分都能容易地计算出来并且把风速的特点集中在较短时间内显示而且能够全面地检验风力发电系统的性能尤其是在风速突变时整个系统的抗干扰性本文利用MatlabSimulink建立了组合风速数学模型实现对风速的模拟模拟结果较为理想1风速模拟模型11双参数Weibull分布的风速模型双参数Weibull分布其概率密度为k-1kvk-vC1efvCC式中k和C为Weibull分布的两个参数k称为形状参数是一个无因次量C称为尺度参数其量纲与速度相同风速的分布函数为kvcPvvfvdv1-exp2-c0C其中形状参数k和尺度参数C通常的拟合方法是最小二乘法Weibull分布的模拟需要大量的实际风场资料而且估计参数的方法比较麻烦不具有通用性通常需要根据不同的地理位置采用不同的方法这些都不利于实验室风速的模拟因而
本文采用组合风速数学模型[89]12组合风速数学模型为了较精确地描述风能的随机性和间歇性的特点风速变化的时空模型原则上通常用以下4种成分来模拟基本风速V阵风V渐变风V和噪声风Vwbwgwrwn121基本风速它在风力机正常运行过程中一直存在基本上反映了风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来决定可风电场测风所得的Weibull分布参数近似确定即13V1C×Гwbk其中Ck分别为Weibull分布的尺度参数和形状参数一般认为基本风速不随时间变化因而可以取常数本文取8ms4VKK为一常数wbbb122阵风为描述风速突然变化的特性可用阵风来模拟在该时间段内风速具有余弦特性在电力系统动态稳定分析中特别是在分析风力发电系统对电网电压波动的影响时通常用它来考核在较大风速变化情况下的动态特性电压波动特性0其它V5wgGt-Tmax1gπ1-cos2TtTT1g1gg2Tg其中G为阵风峰值T为阵风周期T为阵风开始时间t为时间maxg1g123渐变风对风速的渐变变化特性用渐变风来模拟0tT或tTT1r2rrt-T1r6VTtTRwr1r2rmaxT-T2r1rtTTTR2rr2rmax其中R为渐变风最大值T为风速渐变开始的时间T为风速渐变结束的时间T为渐变风保max1r2rr持时间124噪声风速为描述在指定相对高度上风速变化的随机特性可用随机噪声风速来模拟n12ωφcostV27ωωiiwnSVii12ω2KFNiωS84Vi23ω2Fiπ1μπωωi-059iωφπω其中是第i个分量的角频
随机风速模型
率为随机分量的离散间距为在02之间服从均匀概率iiμω密度分布的随机变量K为平面扩张系数F为紊乱尺度因子为在参考高度的平均风速S为NVi第i个随机分量的振幅综合上述四种风速描述由式6式7式8式9可建立组合风速数学模型为VVVVV10wwbwgwrwn2采用MatlabSimulink对组合风速进行建模与仿真用Simulink建立组合风速数学模型实现对风速的模拟图2为组合风速数学模型的Matlab代码图3为组合风速数学模型的仿真波形我们选定20s为一个风速周期并且显示2个周期风速的不同变化情况由图可知在04s是基本风速起主要作用48s是阵风起主要作用812s是渐变风起主要作用噪声风作用于风速变化的整个过程由此可以看出该方法反映了风速的四个基本特性而20s时风速又突然下降随后又经历了阵风渐变和稳定三个过程3结论本文介绍了风速模型在风力发电的研究建模中的重要意义并采用了组合风速数学模型即将自然风速分为基本风速阵风渐变风和噪声风通过MatlabSimulink对该模型进行建模仿真结果良好的描述了风速的规律性随机性等特点表明了组合风速不仅能反映自然风速的特性避免风速模型计算的复杂性而且可以有针对性地考验风力发电系统在阵风渐变风时的性能为实验室风力发电模拟系统的研究提供了良好的基础参考文献[1]SeguroJVLambertTWModernestimationoftheparametersoftheWeibullwindspeeddistributionforwindenergyanalysis[J]WindEn
gIndusAerodyn20008575-84[2]蒋仁言威布尔模型族--特性参数估计和应用[M]北京科学出版社199840-80[3]张秀芝Weibull分布参数估计方法及其应用[J]气象学报1996108-116[4]NichitaCLucaDDakyoBetalLargebandsimulationofthewindspeedforrealtimewindturbinesimulators[J]IEEETransEnergyConversion2002174523-529[5]ManwellJFMcGowanJGRogersALWindeneryexplained-theorydesignandapplication[M]LondonJohnWileySonsLtd2002[6]LeieheadWESalleSReardonDRoleandobjectivesofcontrolforwindturbines[J]IEEProcC-148[7]李东东陈陈风力发电系统动态仿真的风速模型[J]中国电机工程学报20052141-44[8]吴学光张学成印永华戴慧珠异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用[J]电网技术1998668-72[9]AndersonPMAnjanBStabilitysimulationofwindturbinesystems[J]IEEETransPowerApparatusandSystems91-3795[责任编辑吴义纯]
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