摘要：随着人类的发展，对于能源的需求日益增加，而化石燃料有限储量减少，而且由于当前生态环境保护的需要，新能源的发展利用越来越受到各个国家的重视。风能作为现有新能源中重要的组成部分，因具有蕴藏量大、使用环保、分布广泛、可以再生等优势而成为可再生能源发电的最常见的一种形式。本文介绍了风力发电的发展现状以及风电实验的必要性，了解了风速建模的国内外研究现状与发展趋势，描述了风力发电系统的构成与运行原理，总结了风速的一些物理特性，研究了国内外学者对风速的模拟和预测提出的方法。本文的重点在于建立组合风速模型和基于Kaimal谱的风速模型，并且使用仿真软件Matlab/simulink进行了仿真。本文考虑了风剪效应和尾流效应对风速的影响，并且完成了风速模型在有无风剪效应和尾流效应情况下的对比。
关键词：风力发电；风速建模；风剪；尾流效应
0 引言
风能作为一种备受关注的绿色能源，开发利用已经有了较长的发展历史以及较为成熟的开发技术，在造价上也开始逐渐具备与化石燃料能源相竞争的条件。并且风能在全球具有非常巨大的能源储备，具备巨大的发展潜力和应用前景[1]。风能与其它形式的可再生洁净能源相比较，更加容易转化为电能，以此为纽带，实现风能与其它能源形式的转换以供人们所使用，因此它的经济效益也非常显著。就我国目前的经济技术条件而论，风能是所有绿色能源中最有发展潜力和前景的能源。而我国风能资源非常丰富。为了加强风力发电技术的研发能力，以达到加快风力发电技术的发展，就必须进行风力发电实验室模拟技术研究，而在进行风力发电实验室模拟时，风速模拟的逼真性直接影响整个发电系统的性能研究与测试，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。
1风力发电系统
1.1 风力发电系统的构成
风力发电机组是一种将风能转换成电能的能量转换装置，包括风力机和风力发电机两大部分。利用风力机从风中吸收能量，然后人们根据不同的需要，再转变成电能、机械能或热能等。风力发电机在能量转换过程都起着很重要的作用，它不仅仅能够直接影响机械能转换成电能的效率、性能以及供电质量，还影响风能转换成机械能的效率、运行方式以及它的装置和结构[2]。
1.2 风力发电系统的工作原理
风力发电系统的工作原理是将风能转换成机械能，再将机械能转换成电能，输送到电网中。风力发电机利用电磁感应原理将风轮传送过来的机械能转换成电能，目前，异步发电机是风力发电机组中的主流发电机。异步发电机的转速波动范围很小，它取决于电网频率，维持在同步转速附近。同步发电机一般有两种并网方式：一种是交—直—交并网；另一种是准同期并网，这种方法在大型风力机中很少采用。
2 风速建模
2.1风速模型简介
风能作为一种可再生能量，密度较低，稳定性差。在自然界中，风速是易变的、不可控制的。虽然不能够从成因和理论上证明它是服从于哪一种分布，但是，从长期的统计结果来看，在一定的时间和空间范围内，风速的变化和分布仍然有一定的规律[3]。
随着对风力发电技术的研究，国内外学者对风速的模拟和预测提出了比较多的方法。主要的方法概括起来有以下几种：1）组合风速法也就是组合风速模型；2）基于统计规律分布的风速分布模型；3）基于功率谱密度的风速模型。
2.2基于功率谱密度的风速模型
风电场中风速的组成成分有很多，但是可以把这些成分等效为平均风和湍流风两个分量[4]，所以可以把风速表示如下式（1.1）：
（1.1）
其中，
表示湍流风速；
表示平均风速；
表示瞬时风速。
虽然平均风速与空间和时间息息相关，但是短时间内我们可以认为是不变的，而在中长时间，平均风速的变化具有随机性，我们可以使用威布尔随机分布来表示其随机性。
2.3风速的Jensen模型尾流效应
在风电场中，各台风力发电机分布的位置是不同的。位于风向下游的风力发电机组的风速低于位于风向上游的风力发电机组的风速，并且风力发电机组间的相距越近，上游风力发电机组对下游风力发电机组的风速的影响就越大，这种现场称为尾流效应[5]。
3 实例计算
3.1基于Matlab/simulink的风速仿真模型
根据模块化的建模思想，将控制系统分为几个功能相对独立的子模块，通过整合这一些功能不尽相同的模块，就可将MATLAB[7]中电机的参数辨识仿真模型，并且实现永磁同步电机参数的辨识算法。其中，参数辨识模块因为需要大量矩阵运算，本文通过使用M语言这一手段来实现这一模块的编写工作，而后作为一个模块来嵌入到SIMULINK环境中，充分利用了SIMULINK提供得模块化环境以及M语言的灵活性，做到两者的有机结合。
3.2风速模型仿真图
图1基于kaimal谱的风速模型Simulink仿真图
设定仿真时间为400s，阵风启动时间为60s，持续时间为70s，最大值为6m/s，渐变风的启动时间为180s，终止时间为240s，保持时间为140s，最大值为4m/s。输出仿真结果如下：
图2 组合风速模型仿真结果
3.3考虑尾流效应时的仿真[6]
仅考虑尾流效应时设定风力机叶片的长度为5m，在平坦区域上，下游风力机沿风向距离上游风力机50m，风力机的推力系数 取值0.2，尾流效应下降系数 取值0.04，在Matlab/simulink仿真中，同时输出考虑尾流效应和不考虑尾流效应的风速模型的结果如下：
图3组合风速模型有无尾流对比仿真图
由仿真结果可知，考虑尾流效应时，风速比不考虑尾流效应时要低，说明尾流效应会削弱风能，从而影响风速在风电场的分布。因此在风电场建设时要考虑尾流效应的影响，风力机的要合理分布。
4 总结
本文对风力发电系统的结构与运行原理进行了研究，了解总结了当前已经完成的风速模型：使用Matlab/simulink软件建模仿真了组合风速模型和基于kaimal谱的风速模型，并且完成了考虑尾流效应的情况和不考虑尾流效应的情况输出的风速的对比，以及同时考虑风剪效应与尾流效应的情况和不考虑风剪效应与尾流效应的情况输出的风速的对比，仿真结果表明尾流效应对风能有削弱作用，风剪效应对风速有放大效应。本文还可采用更加准确的尾流效应模型和风剪模型，并且考虑风电场的地形，风力发电机组的分布以及风速的方向对风速的影响，从而建立应用范围更加广泛的整个风电场的风速模型。
参考文献：
[1]王炅鑫.浅谈风能的利用现状与应用前景[J].科技展望，2016，26（29）.
[2]李建林，胡书举，付勋波，等.大功率直驱型风力发电系统拓扑结构对比分析[J].电力自动化设备，2008，28（7）：73-77.
[3]吴峰，孔卫亚，周宇，等.考虑多风电场风速变化规律的模拟数据生成方法[J].电网技术，2016，40（7）：2038-2044.
[4]勾海芝，赵征，夏子涵.基于经验模式分解的神经网络组合风速预测研究[J].电力科学与工程，2017（10）：62-67..
[5]龙泉.考虑尾流效应的风电机组来流风速准确计算模型[J].科技创新导报，2017（36）.
[6]赵文超，廖明夫.一种Kaimal谱的修正方法及算法实现[J].机械科学与技术，2013，32（10）：1446-1450.
作者简介：
范荣（1989.01-），男，汉族，山西五台县，本科，助理工程师，主要研究方向：电力市场，智能电网，新能源发电等。
论文作者:范荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：风速论文; 效应论文; 模型论文; 风能论文; 风力发电论文; 组合论文; 机械能论文; 《基层建设》2019年第12期论文;