風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)功率控制仿真模型風(fēng)力發(fā)電是一種非常受歡迎的可再生能源。它具有可持續(xù)性，對(duì)環(huán)境的影響較小，能夠降低碳排放，逐漸替代傳統(tǒng)的化石燃料，保護(hù)地球和生態(tài)環(huán)境。與其它發(fā)電方式相比，風(fēng)力發(fā)電方式具有不可調(diào)和的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性。因此，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，仿真模型及控制算法的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證至關(guān)重要。在本文中，我們將從暫態(tài)功率控制的角度來探討風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

一、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心是風(fēng)力機(jī)，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。它由葉片、塔架、轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。當(dāng)風(fēng)吹來時(shí)，葉片通過旋轉(zhuǎn)把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過轉(zhuǎn)速減速器、電磁耦合器、高速軸、低速軸將機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)上，由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。同時(shí)，為了控制風(fēng)力機(jī)的輸出電壓和頻率，控制器會(huì)根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的電量來調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最大功率輸出，并將電能輸送到電網(wǎng)中。

二、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)功率控制

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)功率控制可以概括為4個(gè)步驟：風(fēng)速測(cè)量、控制器響應(yīng)、功率維持和風(fēng)速限制。在本節(jié)中，我們將討論每一步的功能和仿真模型實(shí)現(xiàn)。

（1）風(fēng)速測(cè)量

風(fēng)速測(cè)量是暫態(tài)功率控制的第一步，這是因?yàn)轱L(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，必須要先測(cè)量風(fēng)速。風(fēng)速測(cè)量的傳感器類型有許多種，一般來說，常用的是超聲波和風(fēng)向風(fēng)速計(jì)。本文使用風(fēng)向風(fēng)速計(jì)來測(cè)量風(fēng)速和方向，仿真模型的輸入即為風(fēng)向風(fēng)速計(jì)輸出的信號(hào)。

（2）控制器響應(yīng)

控制器響應(yīng)是指根據(jù)測(cè)量到的風(fēng)速信號(hào)來調(diào)整風(fēng)速控制器的輸出，從而控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂破骶哂蠵ID或模糊邏輯功能，輸入為測(cè)量到的風(fēng)速信號(hào)和電網(wǎng)電壓，輸出為控制信號(hào)，將通過PWM方式輸出到IGBT開關(guān)上，從而采用IFF基準(zhǔn)控制保證其輸出電壓頻率的統(tǒng)一。本文的仿真模型中，控制器使用PID控制器。

（3）功率維持

功率維持是指當(dāng)輸出功率大于容量時(shí)，控制器必須降低輸出功率，以避免由于風(fēng)能和電能之間的不良匹配導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)此目的，控制器可以設(shè)置實(shí)用的最大功率輸出，一旦超過該功率，控制器就開始調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。仿真模型中，我們使用PID控制器的反饋被設(shè)置為輸出功率，并將控制器輸出功率信號(hào)與實(shí)用最大功率進(jìn)行比較。

（4）風(fēng)速限制

風(fēng)速限制是指根據(jù)風(fēng)速測(cè)量，將風(fēng)力機(jī)從過高或過低的風(fēng)速中保護(hù)出來。仿真模型中，我們使用了風(fēng)速重合故障模塊，模塊輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)速以及有些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)模塊都根據(jù)所需的特定風(fēng)速要求來配置。

三、仿真模型的建立

在本節(jié)中，我們將討論模型的概念及其實(shí)現(xiàn)，此模型提供了一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，包括控制器、風(fēng)力機(jī)和電網(wǎng)。

（1）建立風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心，因此，我們需要建立仿真模型。風(fēng)力機(jī)模型通常由三個(gè)部分構(gòu)成：機(jī)械部分、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)。我們使用SimscapePowerSystem工具箱來建立風(fēng)力系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)部分由旋轉(zhuǎn)慣量塊和動(dòng)量泄露器組成，防止機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)超調(diào)。如果轉(zhuǎn)速過快，則重載器將打開，將超負(fù)荷電流傳遞到其他電路中。建立發(fā)電機(jī)模型時(shí)，我們將變頻器作為發(fā)電機(jī)的輸入，并將發(fā)電機(jī)的輸出連接到電網(wǎng)中，確保輸出電壓和頻率符合電網(wǎng)要求。

（2）PID控制器的建立和實(shí)現(xiàn)

控制器作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，用于監(jiān)控和調(diào)整風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出。我們使用Simulink中的PID控制器工具箱來建立PID控制器。當(dāng)控制器接收到風(fēng)速測(cè)量信號(hào)并控制轉(zhuǎn)速時(shí)，控制器輸出的PWM信號(hào)被放大到足夠的電平，以控制IGBT開關(guān)。在仿真模型中，我們將設(shè)定控制器比例、積分和微分增益，并將控制器輸出與所需的最大輸出功率進(jìn)行比較。

（3）建立電網(wǎng)模型

我們使用SimscapePowerSystem工具箱中的電網(wǎng)模型來建立電網(wǎng)模型。我們將電網(wǎng)模型連接到風(fēng)力機(jī)模型的輸出端，并根據(jù)電網(wǎng)的要求設(shè)置輸出電壓和頻率。此外，我們還會(huì)在電網(wǎng)中加入一些擾動(dòng)信號(hào)以測(cè)試風(fēng)力機(jī)和控制器的響應(yīng)。

四、仿真分析

我們使用Matlab/Simulink來分析仿真模型，并通過執(zhí)行一些模擬實(shí)驗(yàn)來理解模型的行為和響應(yīng)。我們將通過幾個(gè)方面來評(píng)估模型：轉(zhuǎn)速曲線、功率輸出曲線和頻率輸出等。

（1）轉(zhuǎn)速曲線

在風(fēng)力機(jī)測(cè)量到初始風(fēng)速后，控制器會(huì)通過PWM輸出調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文的仿真模型中，我們使用PID控制器作為開環(huán)控制器來控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。我們將轉(zhuǎn)速曲線設(shè)置為穩(wěn)定狀態(tài)，以測(cè)試響應(yīng)時(shí)間和誤差。當(dāng)與控制器中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間相同時(shí)，可以提供最佳的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子慣量不匹配和其他機(jī)械設(shè)備的阻力等因素，建議在調(diào)節(jié)控制器時(shí)采用最佳的比例、積分、微分模式。

（2）功率輸出曲線

在風(fēng)力機(jī)開始工作后，其輸出功率可以通過電網(wǎng)的電流和電壓來計(jì)算。本文的仿真模型中，我們將功率輸出曲線設(shè)置為隨時(shí)間變化的曲線，以測(cè)試控制器對(duì)風(fēng)速和輸出功率的響應(yīng)。在高風(fēng)速時(shí)，控制器會(huì)停止風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止輸出功率過大。在低風(fēng)速時(shí)，控制器將增加輸出功率，以維持所需的功率輸出。通過實(shí)驗(yàn)，我們可以確定最佳的功率輸出曲線，以最大限度地提高系統(tǒng)的效率。

（3）頻率輸出

在風(fēng)力機(jī)輸出功率時(shí)，控制器必須保持輸出電壓和頻率的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)監(jiān)視風(fēng)力機(jī)的輸出，以確保系統(tǒng)的安全性和合理性。我們將頻率輸出設(shè)置為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，以測(cè)試控制器對(duì)電壓和頻率的調(diào)整能力。在測(cè)試過程中，我們可以確定最佳的風(fēng)力機(jī)控制器，以最大限度地提高系統(tǒng)效率，并確保系統(tǒng)能夠正常工作。

五、總結(jié)

在本文中，我們提出了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)功率控制仿真模型，描述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制原理。我們建立了風(fēng)力機(jī)、PID控制器和電網(wǎng)模型，并通過模擬實(shí)驗(yàn)來評(píng)估模型的行為和響應(yīng)。通過仿真模型，我們可以評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能，探討系統(tǒng)的不足之處，并提出改進(jìn)的方法，以提高系統(tǒng)的功率輸出和效率。此外，該模型可以為實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)和控制策略，以確保系統(tǒng)的有效運(yùn)行和穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電是一種利用風(fēng)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的可再生能源。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，2019年我國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到210.68GW，發(fā)電量1238.2億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的6.6%。隨著我國可再生能源的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛，因而對(duì)其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有重要意義。

一、風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量

2019年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到651.9GW，其中中國占比達(dá)到32.5%，成為世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家。從2010年至2019年，中國風(fēng)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率達(dá)到24.6%。我國風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)得益于政策的支持和技術(shù)的改進(jìn)。

二、風(fēng)電發(fā)電量

風(fēng)能是一種波動(dòng)性較強(qiáng)的能源，因此風(fēng)電發(fā)電量存在波動(dòng)性。2019年，我國全社會(huì)用電量達(dá)到75223億千瓦時(shí)，其中風(fēng)電發(fā)電量占比1.6%。根據(jù)中國可再生能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告，到2030年，我國風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計(jì)將達(dá)到1.55萬億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的17.6%。相較于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，風(fēng)電發(fā)電可以降低碳排放，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型。

三、風(fēng)電裝機(jī)容量區(qū)域分布

我國地域遼闊，不同地區(qū)的風(fēng)能資源、可發(fā)電容量等存在較大差異。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年底，五大風(fēng)電裝機(jī)容量較大的區(qū)域依次為：內(nèi)蒙古、新疆、遼寧、吉林和甘肅。其中，內(nèi)蒙古和新疆是我國風(fēng)能資源最豐富的區(qū)域，截至2019年底，兩地風(fēng)電裝機(jī)容量分別達(dá)到了54.98GW和43.23GW，占全國總裝機(jī)容量的52.1%。

四、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展使得風(fēng)電成為了可再生能源的重要組成部分。我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越成熟，其中最具代表性的就是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。與傳統(tǒng)的齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于降低了能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，具有轉(zhuǎn)速低、噪聲小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，大功率繞線的開發(fā)應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的改進(jìn)等都促進(jìn)風(fēng)電技術(shù)的升級(jí)。預(yù)計(jì)未來風(fēng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的進(jìn)展將使得風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。

五、風(fēng)力發(fā)電成本

風(fēng)力發(fā)電成本是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全國風(fēng)電平均發(fā)電小時(shí)數(shù)為979小時(shí)，發(fā)電成本為0.37元/千瓦時(shí)，相較于2017年持續(xù)下降。隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的規(guī)模效應(yīng)，風(fēng)電成本將持續(xù)下降。

六、風(fēng)電場(chǎng)投資回報(bào)期

風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)需要大量資金的投入，投資回報(bào)期則成為投資者考慮的主要因素之一。通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)的投資回報(bào)期較長(zhǎng)，需要5年以上的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)回本。不過，由于風(fēng)力發(fā)電成本的逐年下降和國家政策的支持，風(fēng)電場(chǎng)的收益逐漸提高。根據(jù)WindPowerMonthly發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年全球平均風(fēng)電場(chǎng)投資回報(bào)期為9.4年。

七、未來發(fā)展趨勢(shì)

未來，風(fēng)能將成為能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)電發(fā)電成本將持續(xù)下降，風(fēng)電裝機(jī)容量也將不斷提高。除此之外，風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模也將越來越大。比如，2019年德國建設(shè)的一座海上風(fēng)電場(chǎng)容量達(dá)到了2.6GW，成為世界上容量最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。此外，智能化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高風(fēng)電發(fā)電效率和運(yùn)營成本。

總的來說，風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的代表之一，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，我國風(fēng)力發(fā)電將更好地發(fā)揮作用，成為我國能源轉(zhuǎn)型的重要力量。案例分析：中國風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，能源需求的增加與環(huán)境污染的加劇使得中國政府加大了開發(fā)綠色能源的力度，其中風(fēng)能是一個(gè)重要的方向。自2005年開始實(shí)行風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策以來，中國風(fēng)電市場(chǎng)逐漸走上快速發(fā)展的道路。

一、市場(chǎng)規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀

從市場(chǎng)規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀來看，中國風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展極為迅猛。2019年，中國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到210.68GW，占全球風(fēng)電裝機(jī)容量的近32.5%，成為全球最大的風(fēng)電市場(chǎng)。在國內(nèi)，風(fēng)電市場(chǎng)主要由國內(nèi)企業(yè)占據(jù)，其中比較知名的有海南能源、華能風(fēng)電、泰能風(fēng)電、東方電氣等。

二、政策環(huán)境和風(fēng)險(xiǎn)因素

政策是推動(dòng)中國風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。中國政府在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的政策上一直保持持續(xù)支持，包括提高風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)、推動(dòng)風(fēng)電上網(wǎng)電量、加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新和國際合作等。同時(shí)，政策的變化和調(diào)整也會(huì)對(duì)風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展帶來影響。比如，2018年底，國家能源局就發(fā)布了新的風(fēng)電政策，對(duì)新的風(fēng)電項(xiàng)目審批和建設(shè)進(jìn)行限制。

風(fēng)險(xiǎn)因素也是影響中國風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的重要因素。其中，風(fēng)能天然的波動(dòng)性和未開發(fā)區(qū)域風(fēng)速、地理?xiàng)l件等都可能對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。另外，配套設(shè)施建設(shè)不完善、技術(shù)不匹配、電網(wǎng)容量不足等也是風(fēng)電項(xiàng)目面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

三、技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)前景

技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的重要因素之一。中國的風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新逐年提高，如改良和優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)、降低風(fēng)機(jī)制造成本和研發(fā)更高效的風(fēng)電轉(zhuǎn)子、加強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的可持續(xù)利用等。這些技術(shù)創(chuàng)新使得中國的風(fēng)電裝機(jī)市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大。

在市場(chǎng)前景方面，中國的風(fēng)電市場(chǎng)依然有著廣闊的發(fā)展前景。一方面，目前中國僅占全球風(fēng)電裝機(jī)容量的約32.5%