风力发电机组建模与动态仿真系统

资 源 简 介

本演示项目提供了一个完整的风力发电机组仿真环境，旨在模拟从自然风能捕获到电能输出的全过程动态特性。

详 情 说 明

基于MATLAB的风力发电机组建模与动态仿真演示系统

项目介绍

本演示项目是一个基于MATLAB环境开发的风力发电仿真系统。系统通过数学建模手段，完整模拟了风力发电机组从捕获自然风能、经过机械传动、转化为电能、再到实施闭环控制的动态全过程。该系统特别设计了多种工况切换场景，用于展示机组在不同风速跨度（额定风速以下与以上）下的响应特性，包括最大功率点跟踪（MPPT）和变桨距控制。

功能特性

1. 全链路动态仿真：涵盖了空气动力学捕获、二质量块柔性传动链、永磁同步发电机（PMSG）电气模型以及双闭环控制系统。
2. 多工况风速模拟：预设了阶跃风速输入，覆盖了低风速稳态、中风速突变及超额定风速运行工况，能够观测机组在启动、加速及限速运行时的行为。
3. 先进控制算法实现：集成了基于最优叶尖速比的MPPT策略、自动变桨距控制逻辑（PI调节）以及定子电流矢量控制（id=0控制）。
4. 高精度物理建模：考虑了传动系统的轴系刚度和阻尼特性，以及发电机的解耦电压前馈补偿。
5. 多维度数据可视化：提供风速曲线、转速对比、机械与电磁转矩、输出功率、桨距角动态曲线及捕获效率（Cp）等全方位的图表展示。

实现逻辑与系统架构

仿真系统的核心逻辑遵循时间步长循环迭代，每一时刻的仿真计算主要分为以下几个模块：

1. 物理环境与参数配置

系统首先定义了标准空气密度、叶片半径等环境参数，并详细设定了2MW级的机组物理常数。包括叶轮和发电机的转动惯量、传动轴的扭转刚度、变速箱传动比，以及永磁同步发电机的定子电阻、d/q轴电感和磁链等参数。

2. 空气动力学物理模型

根据叶尖速比（$lambda$）和当前的桨距角（$beta$），利用标准回归指数公式计算风能利用系数 $C_p$。该模型准确地反映了叶片在该转速和风速下的能量捕获能力。通过该系数进一步计算捕获的机械转矩 $T_m$。

3. 双模态控制策略

• MPPT控制段：当风速低于额定风速时，系统通过控制发电机转矩使叶轮保持在最佳叶尖速比（约为9.0），此时桨距角固定为0，追求能量捕获最大化。
• 变桨距控制段：当风速超过额定风速（12m/s）时，触发桨距角PI调节器。通过增加桨距角来减小风能捕获，从而将叶轮转速限制在额定值范围内。模型中还加入了桨距角执行器的响应延迟和角度限幅（0-90°）模拟。

4. 电机矢量控制系统

发电机侧采用矢量控制技术：

• 外环（转速环）：通过PI调节器根据转速偏差产生q轴参考电流，直接控制电磁转矩。
• 内环（电流环）：采用 $i_d=0$ 的策略简化控制。电流环配置了PI调节器，并加入了针对dq轴耦合项的电压前馈补偿，输出最终的控制电压 $u_d, u_q$。

5. 传动链与电气动力学求解

系统对物理方程进行了数值积分：

• 发电机方程：基于定子电压方程计算 $d$ 轴和 $q$ 轴电流的变化率，模拟电机电气动态。
• 二质量块模型：将传动链视为由柔性轴连接的叶轮惯量和发电机惯量，计算扭转角 $theta$ 和各部分的加速度。
• 功率输出：根据实时电流和电压计算三相输出视在功率。

关键算法与细节分析

• Cp回归公式：采用了经典的非线性指数模型 $C_p(lambda, beta)$，能够体现桨距角增大导致效率陡降的物理特性，这是仿真变桨控制的基础。
• 二质量块动态方程：系统不仅考虑了转速，还引入了轴系刚度 $K_{shaft}$ 和阻尼 $D_{shaft}$，这使得仿真结果能体现出叶轮与发电机之间的速度波动和扭转震荡，比单质量块模型更接近现实。
• 解耦控制器：在电流内环中，显式地实现了 $omega cdot L cdot i$ 形式的解耦补偿，确保了 $d$ 轴和 $q$ 轴电流的独立控制性能。
• 三相电流重构：在仿真结束后的可视化阶段，系统利用恒功率反变换逻辑，将同步旋转坐标系下的稳态电流 $i_d, i_q$ 合成为三相正弦波形（ia, ib, ic），提供了微观电气特性的直观观测。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含程序代码的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入入口函数名称并回车，或直接点击运行按钮。
4. 程序将自动执行时长为20秒的动态仿真（默认采样率为1000Hz）。
5. 仿真完成后，系统会自动弹出两个图表窗口：

* 窗口1：展示风机全过程的宏观运行特性（风速、转速、转矩、功率、桨距角、Cp）。 * 窗口2：展示仿真末端稳态下的定子三相交流电流波形。

1. 命令行窗口将输出平均能量捕获效率和峰值输出功率的简报。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱需求：仅需MATLAB基础功能（Base MATLAB），无需额外安装Simulink或其他专业工具箱，所有算法均通过脚本逻辑实现。