PAGE風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerbyZhangPeinanSupervisor:AssociateProfessorSuHongyuHeilongjiangUniversityCambridgecollegeMay2012畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日－PAGEVII－教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學系意見：系主任：（簽名）年月日畢業(yè)設計(論文)任務書畢業(yè)設計(論文)題目：風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真設計(論文)的基本內(nèi)容：(1)了解風機發(fā)電機的工藝機理；(2)建立風力發(fā)電系統(tǒng)模型；(3)討論風電系統(tǒng)最大功率調(diào)節(jié)方法；(4)以MATLAB為工具，對上述研究進行仿真。畢業(yè)設計(論文)專題部分：題目：設計或論文專題的基本內(nèi)容：學生接受畢業(yè)設計(論文)題目日期第2周指導教師簽字：201風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真摘要能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所需要解決的緊迫問題。常規(guī)能源如：煤、石油、天然氣等，不僅資源有限，而且其應用時造成了嚴重的環(huán)境問題。而風能最為一種清潔可再生能源，發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界新能源最主要的發(fā)展方向之一，因此，對風能的開發(fā)和利用已經(jīng)受到了世界各國的高度重視。本文以直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)為例，對目前常用的幾種風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法進行了討論和比較，并以其中的一種方法為例進行了仿真驗證。本文在分析國內(nèi)外風力發(fā)電的現(xiàn)狀以及風電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的基礎上，首先介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各組成部分的結(jié)構(gòu)及其運行原理，分析了風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制的基本原理和方法，比較了最佳葉尖速比控制、最佳功率曲線控制和爬山搜索法?；谒麄兊臄?shù)學模型在MATLAB/SIMULINK中分別搭建了包括風力機氣動模型、坐標系下永磁發(fā)電機模型和控制系統(tǒng)模型等，在此基礎上建立了直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的模型，并采用最佳葉尖速比控制法，對風力機在額定風速以下進行了仿真，通過仿真驗證了該方法的控制效果。關鍵詞：風力發(fā)電；最大功率點跟蹤；風力機模擬；仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerAbstractTheenvironmentandenergyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhuman.Mainly,Conventionalenergylikecoal，oilandnaturalgasisnotonlyrestricted,butalsocausingseriousairpollution.Asacleanandrenewableenergy,thewindpowerhasgottenaquickdevelopmentandbecomeoneofthemostpromisingnewenergies.Therefore,theutilizationofwindpowerdevelopmentisregardedbymanycountriesintheworld.Bytakingdirect-drivepermanentmagnetsynchronouswindpowersystemasanexample,severalmaximumpowerpointtrackingcontrolmethodofthecurrentwindpowergenerationsystemisdiscussedandcomparedinthispaper,thenoneofthemethodsissimulatedandverified.Basedonthecurrentstatusandforegroundofwindpowerindustrialhomeandabroad,thepaperfirstlydescribesthestructureandcompositionofwindturbinesoperatingprinciple,andsecondlyanalysismaximumpowerofthewindturbinecontrolprinciplesandmethods,andthencomparestheoptimumtipspeedratiocontrol,thebestpowercurvecontrol,andmountainclimbingsearchmethod.ThenamodelofpermanentmagnetdirectdrivewindturbineisbuiltinMATLAB/SIMULINKbasedonthemathematicalmodel,includerotormodel,permanentmagnetgeneratormodelandthecontrolsystemmodel.Andthesimulationmodelsareusedtovalidatingthemethodoftheoptimumtipspeedratiocontrolbelowtheratedwindspeed.Keywords：WindPower;MPPT;SimulationofWindTurbine;Simulation東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 目錄東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 目錄目錄TOC\o"1-3"\u畢業(yè)設計(論文)任務書 I摘要 IIAbstract III第一章緒論 11.1課題背景 11.1.1世界能源消費現(xiàn)狀 11.1.2國外風能資源與開發(fā)現(xiàn)狀 31.1.3國內(nèi)風能資源的開發(fā)與現(xiàn)狀 41.2風力發(fā)電技術現(xiàn)狀及發(fā)展 51.2.1風力發(fā)電技術現(xiàn)狀 51.2.2風力發(fā)電技術的發(fā)展 71.3主要研究內(nèi)容 9第二章風力發(fā)電系統(tǒng)介紹 112.1風力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 112.1.1風力機 112.1.2發(fā)電機 122.2風力發(fā)電系統(tǒng)的理論基礎 132.2.1風能的計算 132.2.2風能的貝茲理論 142.2.3葉尖速比 152.2.4風力機特性 162.3本章小結(jié) 18第三章風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制方法分析 193.1最大風能跟蹤的理論基礎 193.2最大風能跟蹤的算法 193.2.1最佳葉尖速比法 203.2.2功率反饋法 203.2.3爬山搜索法 223.3本章小結(jié) 23第四章風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真 254.1MATLAB/SIMULINK簡介 254.1.1MATLAB簡介 254.1.2SIMULINK簡介 264.2永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)建模 264.2.1風力機的建模 274.2.2發(fā)電機的建模 274.2.3發(fā)電機轉(zhuǎn)矩模型 294.2.4控制系統(tǒng)模型 294.2.5最佳轉(zhuǎn)速計算模塊 314.2.6系統(tǒng)模型 314.3系統(tǒng)仿真 324.4本章小結(jié) 33第五章結(jié)束語 35參考文獻 37致謝 39東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第一章緒論-PAGE44-緒論課題背景能源是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎和人類生活必需的物質(zhì)保證。隨著化石能源的日趨枯竭及人類生存環(huán)境的逐漸惡化，新的無污染接替能源——可再生能源已引起了世界各國的高度重視。可再生能源主要是指水能、太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等自然能源，這些能源既不存在資源枯竭問題，又不會對環(huán)境構(gòu)成威脅?？稍偕茉醇夹g包括開發(fā)和利用可再生能源的各種技術。國內(nèi)外可再生能源的一個重要應用領域就是發(fā)電。用來發(fā)電的可再生能源主要有風能、太陽能、生物質(zhì)能、地熱能等，所對應的發(fā)電技術有風力發(fā)電技術、光伏發(fā)電技術、生物質(zhì)能發(fā)電技術和地熱發(fā)電技術。但從可再生能源的發(fā)展和利用來看，風能是世界上增長最快的能源，年增長率達27%。世界能源消費現(xiàn)狀當前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。世界經(jīng)濟的快速發(fā)展使得能源需求快速增長，供需矛盾突出。1995年至2015年期間，全世界對一次能源需求量的增長，將比20世紀80年代緩慢。在21世紀的數(shù)十年內(nèi)，這種趨勢將一直保持下去，而能源的利用效率將提高，特別是在工業(yè)發(fā)達的國家。在一次能源的產(chǎn)量和消耗中，居第一位的仍然是石油，煤炭和天然氣分別居第二位和第三位。其中，石油在消費結(jié)構(gòu)中的比重從39.4%下降到35%，天然氣的比重從23.7%增加到28%，煤炭的比重從31.7%下降到31.2%，核能的比重從2.3%下降到2.0%。盡管經(jīng)濟合作與發(fā)展組織國家對一次能源的絕對需求量將有很大的增加，但這些國家2015年前對能源需求的增長率卻相當緩慢。這是因為這類國家的經(jīng)濟發(fā)展普遍比較緩慢，并實行了節(jié)約能源的政策，而發(fā)展中國家的能源消耗量則將增長很快。作為全球能源市場日趨重要的一個組成部分，中國的能源消費目前已占世界能源消費總量的13.6%，使得世界越來越將能源話題聚集在中國和亞太地區(qū)。國家發(fā)展和改革委員會能源研究所指出，三大理由支撐我國大力發(fā)展可再生能源。第一，我國能源系統(tǒng)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。人口多，人均資源占有量少；加上能源利用技術落后，效率低下，能耗高，能源匱乏的威脅可能來得更早、能源供需缺口將越來越大。第二，我國農(nóng)村小康建設的需要。我國13億人中農(nóng)村人口占絕大多數(shù)，每年消耗的能量相當大，其中約一半來自可再生能源，但這些能源目前還是以傳統(tǒng)的利用方式為主。同時，我國還有700萬戶無電人口，無法用常規(guī)電網(wǎng)延伸解決用電。第三，保障能源供應安全的考慮。1993年我國成為石油凈進口國，2003年進口依存度已經(jīng)達到36%，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，石油進口量占整體石油需求量中的份額將進一步增長，預計2020年我國石油對外依存度將達到50%。這對我國能源供應安全構(gòu)成一定威脅?？稍偕茉磳儆诒镜刭Y源，通過一定的工藝技術，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，為各種移動設備提供能源，緩解能源供應問題[1,2]。表1.SEQ表_1.\*ARABIC1未來世界能源需求地區(qū)2010需求量比例%2020需求量比例%2025需求量比例%北美33.5629.4737.7129.2639.6229.03歐洲33.1629.4234.9927.1535.7626.20亞洲31.7727.9037.7329.2740.5529.71中東5.855.146.855.317.515.50非洲3.382.973.983.094.303.15南美洲6.145.397.635.928.766.42世界113.86100.00128.89100.00136.50100.00隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。太陽能和風能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級利用，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電技術受到世界各國的高度重視。進入21世紀，全球可再生能源在不斷發(fā)展，而在可再生能源中，風能始終保持最快的增長態(tài)勢，并成為繼石油燃料、化工燃料之后的核心能源。風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射引起的。風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。據(jù)理論計算全球大氣中風能總的能量是1017kW，而且是可再生的，估計大約有3.5x1012kW的蘊藏風能可以被開發(fā)利用，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。而且風取之不盡，用之不竭，不存在資源衰竭問題；同時在風能的轉(zhuǎn)換過程中，基本不消耗化石能源，因而不會對環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。盡管從全能量系統(tǒng)的觀點來看，在風電設備及其原材料的生產(chǎn)、帶蠟和安裝過程中需要消耗一定的化石能源，進而對環(huán)境構(gòu)成一定的污染，但其排放量相對于風力機發(fā)出的電力而言則微不足道。國外風能資源與開發(fā)現(xiàn)狀2005年世界風電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，裝機容量達58982MW，亞洲風能發(fā)展最快，印度超趕丹麥。風能產(chǎn)業(yè)己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)，其從業(yè)人數(shù)己超過23.5萬人。2005年12月31日，世界裝機容量己達58982MW，比2004年多11310MW，2004年的裝機容量比前年增長8.3GW，而2003年裝機容量增長8.1GW。2005年全球風機裝機增長率為24%，2004年增長率為21%。根據(jù)這種發(fā)展趨勢，世界風能協(xié)會預計2010年世界裝機容量將高達120000MW。目前風力發(fā)電占全球電量的1%，部分國家及地區(qū)己達20%甚至更多。歐洲是全世界風力發(fā)電發(fā)展速度最快，同時也是風電裝機最多的地區(qū)。為了應對全球氣候變化，歐洲積極推廣可再生能源應用以替代化石能源，實現(xiàn)溫室氣體減排。歐洲議會于2001年制定了可再生能源發(fā)展指導計劃，到2010年可再生能源電力占歐洲電力總供應的12%。2005年歐洲在總裝機容量(40932MW)及新增裝機容量(6174MW)仍然保持世界領先地位?，F(xiàn)在歐洲不僅擁有全世界最大的風電裝機容量，而且擁有全世界最先進的風電技術，和全世界最領先的生產(chǎn)能力，在世界風電發(fā)展中獨領風騷。20世紀80年代初，丹麥開始發(fā)展現(xiàn)代風電，自1959年丹麥的風電產(chǎn)業(yè)迅速擴張，裝機容量大幅提高。1996年丹麥政府制定《21世紀能源戰(zhàn)略報告》，預計風電發(fā)展的目標是到2005年實現(xiàn)裝機容量達到1500MW的規(guī)模，而事實上，2000年丹麥的風電裝機已經(jīng)達到2140MW，不僅提前完成了2005年的規(guī)劃目標，而且已經(jīng)成為世界風電產(chǎn)業(yè)的大國和強國。丹麥一流的風電產(chǎn)業(yè)培育了具有國際競爭力的專業(yè)的風電企業(yè)，丹麥有世界領先的風機制造業(yè)以及國內(nèi)和國際經(jīng)銷商，大型商業(yè)化風力機制造廠家有vestas、Bonus、NEGMicon等，丹麥企業(yè)制造的風機約占50%的世界市場份額。20世紀90年代是德國風電迅猛發(fā)展的10年，風電裝機規(guī)模大幅度提高，技術不斷創(chuàng)新，成本逐漸下降。截止2005年12月31同，德國裝機容量達到18428MW，比2004年新增1798.8MW，增長10.8%。1998年以后是德國風電高速增長的黃金時期，1998-2002年的短短5年間，風電累計裝機臺數(shù)增長從6000臺增長到14000臺左右，增長1倍還多，累計裝機容量從1998年的3110MW增加到2002年12440MW，翻了兩番，增長速度驚人。目前德國的風電利用規(guī)模處于絕對的世界領先地位，其裝機容量多年全球位列第一。在美洲，美國的風力發(fā)電規(guī)模較大。美國的風電場大都集中建在西海岸的加利福尼亞地區(qū)。80年代初期，風機占主流的是100KW以下的小機型，目前兆瓦級的風機己成為風力發(fā)電機組的主流。2005年，美國裝機容量大幅度增加，其裝機容量占當前世界風能容量的17%(10036MW)，其中98%的裝機容量被安裝在北美。美國在擴展生產(chǎn)稅信貸范圍后，已經(jīng)成為國際上新裝機容量領域的老大，其新增容量為2424MW。其總裝機容量為9149MW，排西班牙之后，居世界第三。亞洲正成為發(fā)展全球風電的新生力量，2005年增長率為48%，在7022MW總裝機容量的基礎上新增裝機容量2263MW。亞洲風電產(chǎn)業(yè)的主要主導仍是印度。印度早在20多年前就已經(jīng)認識到可再生能源對印度經(jīng)濟社會發(fā)展的重要性，并致力于發(fā)展風力發(fā)電，特別是這幾年，印度風力發(fā)電進入了高速發(fā)展時期，2005年，印度的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展超過了丹麥并在總裝機容量(4430MW)及新增裝機容量(1430MW)方面均為世界第四。表1.SEQ表_1.\*ARABIC2截止2007年底累計風電裝機容量前九名國家排名國家累計裝機容量1德國2230萬KW2美國1690萬KW3西班牙1470萬KW4印度780萬KW5中國590萬KW6丹麥310萬KW7意大利270萬KW8法國250萬KW9英國240萬KW國內(nèi)風能資源的開發(fā)與現(xiàn)狀我國具有豐富的風力資源。根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料進行估計，我國陸地風能資源總儲量約32.26億kW，其中可開發(fā)的風能儲量為2.53億kW，沿海水深2～15米近海區(qū)域的風力資源可開發(fā)的儲量有7.5億kW，總計為10億kW，這是10m高度計算的，如果按50m高度計算，則還要增加一倍．據(jù)國家有關部門最新統(tǒng)計資料，我國的風能資源遠高于原來估計的儲量。中國現(xiàn)代風力發(fā)電技術的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初，而大容量風力發(fā)電技術的應用起始于80年代，其商業(yè)化發(fā)展則是90年代初期。1994年，電力部發(fā)布了風力發(fā)電上網(wǎng)有關規(guī)定后，并網(wǎng)風力發(fā)電技術的發(fā)展越來越受到重視。風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)從新疆、內(nèi)蒙古和東南沿海部分地區(qū)起步，到1996年底，已初具規(guī)模，風力發(fā)電裝機容量達到了60MW。近十幾年來，在國家有關部門的大力支持下，我們風電產(chǎn)業(yè)獲得了很大的發(fā)展，特別是2005年2月28同全國人大常委會表決通過了《可再生能源法》后，2006年1月1日起實施的《中華人民共和國可再生能源法》將制定我國可再生能源總量目標制度；可再生能源并網(wǎng)發(fā)電審批和全額收購制度；可再生能源上網(wǎng)電價與費用分攤制度；可再生能源專項資金和稅收、信貸鼓勵措施等，這必將大力促進包括風能在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展。截止2005年12月31日，我國除臺灣省累計風電機組1846臺，裝機容量1260MW，共有風電場62個。與2004年累計裝機容量764MW相比，增長了65.5%。2005年風電上網(wǎng)電量約為15.3億KWh。我國能源發(fā)展規(guī)劃，到20l0年和2020年風電的發(fā)展目標分別為500萬kW和3000萬kW。按此規(guī)劃計算，從2006～2020年平均每年裝機約190萬kW，投資約152億元人民幣，其中購買風力發(fā)電機組的投資約95億元人民幣。而3000萬kW占當時全國總電力裝機的3%，風電電量只占1.5%。據(jù)有關單位的初步預測，2020年以后，風力發(fā)電將在能源供應和減排溫室氣體方面起顯著作用，屆時風電成本將“十分接近”常規(guī)電源。2020年以后發(fā)展風電的主要目的是盡快培育出本國的風電設備制造產(chǎn)業(yè)，以滿足風電市場快速增長的需求[3,4]。風力發(fā)電技術現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)代風力發(fā)電技術涉及空氣動力學、機械傳動、電機學、自動控制、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統(tǒng)工程。風力發(fā)電系統(tǒng)是由風力發(fā)電機組、控制裝置、監(jiān)測顯示裝置等組成。風力發(fā)電技術現(xiàn)狀在風力發(fā)電技術方面，目前實際運用的技術主要有：(1)定槳距風力發(fā)電技術定槳距風力發(fā)電機組的主要結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。這一特點給定槳距風力發(fā)電機組提出了兩個必須解決的問題。一是當風速高于風輪的設計點風速即定額風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的。槳葉的這一特性被稱為自動失速性能。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網(wǎng)(突甩負載)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。早期的定槳距風力發(fā)電機組風輪并不具備制動能力，脫網(wǎng)時完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機械剎車裝置進行制動，這對于數(shù)十千瓦級機組來說問題不大，但對于大型風力發(fā)電機組，如果只使用機械剎車，就會對整機結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生嚴重影響。為了解決上述問題，槳葉制造商首先在20世紀70年代用玻璃鋼復合材料研制成功了失速性能良好的風力機槳葉，解決了定槳距風力發(fā)電機組在大風時的功率控制問題：20世紀80年代又將葉尖擾流器成功地應用在風力發(fā)電機組上，解決了在突甩負載情況下的安全停機問題，使定槳距(失速型)風力發(fā)電機組在近20年的風能開發(fā)利用中始終占據(jù)主導地位，直到最新推出的兆瓦級風力發(fā)電機組仍有機形采用該項技術。(2)變槳距發(fā)電技術變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點。變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動性能。當功率在額定功率以下時，控制器將葉片節(jié)距角置于0。附近，不作變化，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機組，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風速的變化而變化。當功率超過額定功率時，變槳距機構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。但是，隨著并網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量的增大，大型風力發(fā)電機組的單個葉片已重達數(shù)噸．對操縱如此巨大的慣性體，并且響應速度要能跟上風速的變化是相當困難的。事實上，如果沒有其他的措施的話，變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)對高頻風速度變化仍然是無能為力的。因此，近年來設計的變槳距風力發(fā)電機組，除了對槳葉進行節(jié)距控制以外，還通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電源來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應風速的變化，以吸收瞬變的風能，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，在相同的額定功率點，額定風速比定槳距風力發(fā)電機組要低。對于定槳距風力發(fā)電機組，一般在低風速段的風能利用系數(shù)較高。當風速接近額定點，風能利用系數(shù)開始大幅下降。因為這時隨著風速的升高，功率上升已趨緩，而過了額定點后，槳葉己開始失速，風速升高，功率反而有所下降。對于變槳距風力發(fā)電機組，由于槳葉節(jié)距可以控制，無需擔心風速超過額定點后的功率控制問題，可以使得額定功率點仍然具有較高的功率系數(shù)。由于變槳距風力發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機輸出功率的反饋信號來控制的，它不受氣流密度變化的影響。無論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統(tǒng)都能通過調(diào)整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。這對于功率輸出完全依靠槳葉氣動性能的定槳距風力發(fā)電機組來蛻，具有明顯的優(yōu)越性。(3)變速恒頻發(fā)電技術變速恒頻風力發(fā)電機組于20世紀的最后幾年加入到大型風力發(fā)電機組主流機型的行列中。與恒速風力發(fā)電機組相比，變速風力發(fā)電機組的優(yōu)越性在于：低風速時它能夠根據(jù)風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。因而在更大容量上，變速風力發(fā)電機組有可能取代恒速風力發(fā)電機組而成為風力發(fā)電的主力機型。變速風力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速以下時，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比，因此可作為跟蹤問題來處理。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化。目前具有變速恒頻發(fā)電技術的機組主要有：雙饋型風力發(fā)電機組，無刷雙饋發(fā)電機組，高速同步發(fā)電機組，低速永磁直驅(qū)發(fā)電機組。本文主要討論永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組[5]。風力發(fā)電技術的發(fā)展(1)單機容量增大在過去20年中，風力機的典型裝機容量從50kw增加到1000kw以上。隨著技術逐漸成熟，多樣化的設計概念也逐漸走向統(tǒng)一。由于風力場中所采用的大的風機比小的更加經(jīng)濟，因而風機的容量不斷增加。作為提高風能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，風力發(fā)電機單機容量不斷向火型化發(fā)展。兆瓦級風力機逐步成為國際風電市場上的主流產(chǎn)品。美國己經(jīng)研制成功7MW風力機，而英國IF在研制10MW的巨型風力機。目前，變速變槳型雙饋式3MW風電機組己經(jīng)商業(yè)化運行。而且，隨著風機容量的增大，其中必然要采用一些新的復合材料和新的技術。大型機器更適合濱海風力場，在人口密度較高的國家，隨著陸地風力場利用殆盡，濱海風力場在未來的風能開發(fā)中將占有越來越重要的份額。(2)風機槳葉的變化單機容量不斷增大，槳葉的長度也不斷增長，目前2MW風機葉輪掃風直徑己經(jīng)達72m。目前最長的葉片己經(jīng)做到50m以上?，F(xiàn)有的大部分風機都具有3葉片，只有極少數(shù)風機還只有2個葉片的類型，而且這種風機的數(shù)量還在進一步減少之中。風機技術現(xiàn)已是足夠成熟，機器的可靠性極高，可利用率通常在98％～99％之間。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。風電界普遍認為，風電機組的風輪直徑或掃風面積比額定容量更能反映風電機組的特性，而風電機組的風輪直徑與額定容量并不是一一對應的。(3)塔架高度上升在中、大型風電機的設計中，采用了更高的塔架，以捕獲更多的風能。在地處平坦地帶的風機，在50m高度捕捉的風能要比30m高處多20%。(4)控制技術的發(fā)展尤其值得注意的是，隨著電力電子技術的發(fā)展，近幾年來變速恒頻風機得到了快速發(fā)展，并成為市場的主流技術。同時，隨著全功率變流技術正在興起，無齒輪箱系統(tǒng)的市場份額也在迅速擴大，其取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風機軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率交流電輸出。由于它被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，從而大大地提高了捕捉風能的效率。試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風電機要比恒速風電機多捕獲15％的風能。同時，由于機艙質(zhì)量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風機的支撐結(jié)構(gòu)減輕，基礎等費用也可降低，運行維護費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術。(5)海上風力發(fā)電發(fā)展海上風電場也成為新的大型風機應用領域而受到重視。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在計劃較大的海上風電場項目。由于海上風速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風電場平均設備利用小時數(shù)為2000h，好的為2600h，在海上則可達3000h以上。為便于浮吊的施工，海上風電場一般建在水深為3～8m處，同容量裝機，海上比陸上成本增加60％(海上基礎占23％、線路占20％；陸上僅各占5％左右)，電量增加50％以上。主要研究內(nèi)容第一章介紹了風力發(fā)電研究的意義和背景，以及全球和我國風電發(fā)展的現(xiàn)狀和前景。簡單介紹風力發(fā)電技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展。第二章闡述了風力發(fā)電的理論基礎，介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的一些重要特性參數(shù)及其特性，分析了風力機的組成結(jié)構(gòu)、分類以及各種功率控制方法。第三章重點研究了風力機的最大功率跟蹤控制方法，分析比較了采用尖速比控制、采用功率曲線控制和爬山搜索算法這三種常見的最大功率跟蹤控制算法。并提出在實驗室條件下應用葉尖速比控制進行仿真分析。第四章中為驗證風力機的最大功率跟蹤控制方法，在MATLAB／SIMULINK中搭建了包括風輪氣動系統(tǒng)模型、發(fā)電機模型和控制系統(tǒng)模型在內(nèi)的1.5MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的模型，通過仿真驗證了控制效果。第五章總結(jié)文章所做的工作，并提出了不足。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第二章系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)東北大學碩士學位論文 第二章系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)東北大學碩士學位論文 第二章系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

風力發(fā)電系統(tǒng)介紹風力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)風力發(fā)電機組的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。主要的部件包括風力機、永磁同步發(fā)電機、測量與控制系統(tǒng)、功率變換器等。風輪是吸收風能并將其轉(zhuǎn)化成機械能的部件，風以一定的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)變成機械能，進而直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機發(fā)電機。發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過電力電子變換器輸送到電網(wǎng)。本文只介紹風力機和發(fā)電機。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC1風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風力機風力機是風電機組的最主要部件之一，是由槳葉與輪軸組成，槳葉具有良好的空氣動力學外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)換成機械能，再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。所以它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)有效功率的輸出，還直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。在理論上，最好的風輪也只能將約60%的風能轉(zhuǎn)換成機械能。在目前風力機主要是以水平軸、上風向、三葉片的機組為主。其中又有定槳距和變槳距風輪，定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機。本文主要研究的是采用定槳距，變轉(zhuǎn)速發(fā)電機的變速風力發(fā)電系統(tǒng)。在目前風力機按照風輪旋轉(zhuǎn)軸在空間的方向，可分為水平軸風力機(水平軸)和垂直軸風力機(立軸)兩大類，其中水平軸風力機設計制造技術相對成熟，是目前風電市場中最常用的機型(約占現(xiàn)有的97％)。但是立軸風力發(fā)電機極大地克服了平軸機結(jié)構(gòu)上固有的缺陷。故而形成開發(fā)新型高效風力機的主要技術趨勢。水平軸風力機的風輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時風輪的旋轉(zhuǎn)平面與風向垂直。垂直軸風力發(fā)電機組的特征是旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，風輪旋轉(zhuǎn)平面與風向平行。和水平軸風力發(fā)電機組相比，垂直軸風力發(fā)電機組的傳動機構(gòu)和控制機構(gòu)裝置在地面或低空，便于維護，而且不需要迎風裝置，簡化了結(jié)構(gòu)。水平軸風力發(fā)電機組葉片的尖速比高，一般在5~7左右，在這樣的高速下葉片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動噪音，導致噪聲污染。垂直軸風力機葉片的尖速比要小得多，低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動噪音，垂直軸風力發(fā)電機可以應用在以前因為噪音問題不能應用水平軸風力發(fā)電機的場臺(如城市公共設施、民宅等)。此外，風力機又有定槳距和變槳距風輪之分。其中定槳距風力發(fā)電機組的主要結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪彀的連接是固定的，即當風速變化時，將葉的迎風角度不能隨之變化。本文主要討論定槳距風力機。發(fā)電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換任務。它不僅直接影響這個重要轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風電轉(zhuǎn)換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。風力發(fā)電機組中的發(fā)電機分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機。其中交流發(fā)電機主要分為同步發(fā)電機、異步發(fā)電機(或稱為感應發(fā)電機)和永磁式發(fā)電機3種機型。獨立運行的風力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給，主要目的是通過控制勵磁、轉(zhuǎn)速和功率變換器來產(chǎn)生恒壓的直流電和恒壓恒頻的交流電。永磁同步發(fā)電機具有許多優(yōu)點：由于省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費用減少，運行更為可靠。采用稀土永磁體后可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小電機體積，提高功率質(zhì)量比；由于省去了勵磁損耗，電機效率得以提高：處于直軸磁路中的永磁體的磁導率很小，直軸電樞反應電抗較電勵磁同步發(fā)電機小得多，因而固有電壓調(diào)整率比電勵磁同步發(fā)電機小。永磁同步發(fā)電機沒有勵磁損耗和電刷滑環(huán)間的摩擦、接觸損耗。與凸極式交流同步發(fā)電機相比，同等功率的稀土永磁發(fā)電機的總損耗大約要小10％～15％。美國通用電器公司研制的一臺150kVA、切向磁化結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機，在1200rpm狀態(tài)滿載運行時，效率仍可保持在89.2％。稀土永磁發(fā)電機不僅效率高，而且其高效率段比較寬，在負載變化范圍較大時，仍能有較高的效率。這是因為常規(guī)的繞線式同步發(fā)電機當負載增大時，阻抗壓降和電樞反應的影響大，端電壓下降厲害，為保持發(fā)電機端電壓恒定，只能增加勵磁電流來提高氣息磁密，這樣就使得鐵損耗和勵磁損耗明顯增大，而稀土永磁發(fā)電機由于稀土永磁體高內(nèi)稟矯頑力的特點，使得電樞反應的影響很小，負載變化時，氣隙磁密變化很小，鐵耗可以當作不變參數(shù)來看[6]。此外永磁同步發(fā)電機適用于小型直驅(qū)式風力機，不需要外加變速裝置；穩(wěn)定性好，易于操作與維修成本低；無電刷式轉(zhuǎn)子，堅固耐用等。本文所研究的風力發(fā)電系統(tǒng)采用的就是永磁同步風力發(fā)電機。風力發(fā)電系統(tǒng)的理論基礎風能的計算由流體力學可知，氣流的動能為：(2.1)式中：氣流動能:氣流質(zhì)量：氣流速度設單位時間內(nèi)流過截面積為的氣體的體積為，如果以表示空氣密度，則該體積的空氣質(zhì)量為(2.2)這時氣流所具有的動能為(2.3)式中：風能：空氣密度：截面積：氣流速度由風能的公式可以看出，風能大小與氣流通過的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。風能的貝茲理論貝茲理論是在假定風輪是“理想”的基礎上建立的，這種“理想”的風輪全部接收風能，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的[7]。設風輪前方的風速為，為實際通過風輪的風速，為葉片掃掠后的風速，通過風輪葉片前的風速面積為，葉片掃掠后的風速面積為，風吹到葉片上所作的功是將風的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則必須>，<，。如圖2.2所示：圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC2貝茲理論計算簡圖于是，風作用在葉片上的力由歐拉定理求得(2.4)式中：作用力：空氣密度故風輪吸收功率為(2.5)此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為(2.6)令，可以得到(2.7)因此，風作用在風輪葉片上的力和風輪輸出功率分別為(2.8)(2.9)風速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對微分求最大值，得(2.10)令，解方程得，將其帶入的表達式，得到最大功率為(2.11)將上式除以氣流通過掃掠面時風所具有的動能，可推得風力機的理論最大效率(或稱理論風能利用系數(shù))為(2.12)這就是貝茲理論的極限值，它說明風力機從自然風中獲取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。能量的轉(zhuǎn)換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異。應此，風力機實際風能利用系數(shù)<0.593，目前的技術水平下，風力機能達到的風能利用系數(shù)大都在0.4~0.5之間。風輪實際能得到的有用功率輸出為(2.13)葉尖速比除了風能利用系數(shù)外，風力發(fā)電機還有兩個非常重要的參數(shù)：葉尖速比和槳距角。葉尖速比是為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示。(2.14)其中：風輪的轉(zhuǎn)速：風輪的半徑：風速槳距角是指風輪葉片上某一點的弦線與葉片旋轉(zhuǎn)平面間的夾角。定槳距風力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定，不能變化。而變槳距風力機的槳距角可以隨著風速變化而變化，以限制功率的增加[8]。風力機特性風力機把風能轉(zhuǎn)化為機械能是個復雜的空氣動力學過程，要精確地對風力機進行建模，必須用基于空氣動力學中槳葉的基本理論。但是，如果用槳葉的基本理論建模，將不可避免要解決風力機風輪幾何學問題、復雜冗長的計算問題等困難，此外，還要同時處理一系列的風速信號，而不是只有一個風速信號[10,11]。為了避免這些問題，人們設計了一種簡易的模型來描述風力機，它反映了風速與從風中獲得的能量的關系，氣動方程為：(2.15)(2.16)其中：通過風輪掃掠面積的風的功率，單位為：空氣密度，單位為：風輪半徑，單位為：實際風速，單位為：風力機的實際功率系數(shù)風力機的功率系數(shù)反映了風力機吸收利用風能的效率，它隨風速、風力機轉(zhuǎn)速以及風力機葉片參數(shù)如功角、槳距角等而變化[9]。風力機可分為變槳距和定槳距兩種。變槳距風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)的曲線來表示，如圖2.3所示。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC3為0。、5。、10。、15。時的曲線風能利用系數(shù)是葉尖速比的函數(shù)(表示為)，同時也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)(表示為)，綜合起來可表示為。從圖中可以看到，當槳葉節(jié)距角逐漸增大時，曲線將顯著縮小。如果保持槳葉節(jié)距角不變，風能利用系數(shù)只與葉尖速比有關系，則可用一條曲線描述特性，這就是定槳距風力機的性能曲線(=0。)，如圖2.4所示。變槳距風力機是定槳距風力機的改進和發(fā)展，而定槳距風力機特性是變槳距風力機特性的基本情況，具有代表意義，是討論最大風能追蹤的依據(jù)，因此定槳距風力機及其特性是本文研究的重點。本文采用槳葉節(jié)距角為0。。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC4=0。時曲線由圖中可以看出，相同尖速比時槳距角為0。時的最大風能利用系數(shù)最大，約為0.4382，對應的最佳葉尖速比約為6.333。本章小結(jié)本章首先宏觀介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，然后具體介紹了本文將用到的風力機和直驅(qū)式永磁發(fā)電機。介紹了風力發(fā)電領域中的幾個基礎概念和理論，包括葉尖速比，風能計算和風能的貝茲理論，并且重點了解了風力機特性，為后面建立風力發(fā)電系統(tǒng)模型和仿真打下基礎。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第四章結(jié)束語東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第四章結(jié)束語東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第四章結(jié)束語風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制方法分析最大風能跟蹤的理論基礎風能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、能量密度低、不穩(wěn)定特性的能源。風速的變化會引起風力機轉(zhuǎn)速的變化，如果沒有必要的機械或者電氣控制，則由風力機驅(qū)動的交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也將隨之改變。因而發(fā)電機的輸出電壓及頻率都將不恒定。在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即頻率保持恒定。恒速恒頻，即為在風力發(fā)電過程中保持風力機轉(zhuǎn)速(也就是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到頻率恒定的電能。而在保持恒頻的同時需要最大限度的吸收風能進而轉(zhuǎn)換為電能，則需要控制風力機實現(xiàn)最大風能跟蹤。風力機的最大功率跟蹤是指在額定風速以下，通過調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速，使其隨著風速的變化而變化，從而使風力機保持在最佳葉尖速比狀態(tài)，將風能利用系數(shù)保持在最大值，獲得最大功率輸出的方法。對于任意一臺風力機來說，葉片的設計使得風能利用系數(shù)和尖速比、槳距角呈一定關系，在某一特定槳距角下，都存在唯一的一條和的對應曲線，這條曲線常被稱為曲線。風力機的曲線一般由葉片生產(chǎn)廠家提供，由于設計的不同，不同葉片的曲線是有區(qū)別的，但其大概形式是相同的。一條典型的曲線如圖2.3所示：由曲線可以看到，一個值對應唯一的一個值。而且存在一個最佳的葉尖速比，使得在此葉尖速比下的風能利用系數(shù)為最大，此時的和分別稱為最佳葉尖速比和最大風能利用系數(shù)。風力機轉(zhuǎn)速控制的目標就是使得風機在不同風速時都運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下，使風機獲得最大風能利用系數(shù)，從而最大限度的捕獲風能。由尖速比計算公式式(2.14)知，最佳葉尖速比的值已知時，對于每一個特定風速都可以得到一個最佳的轉(zhuǎn)速值[12]。最大風能跟蹤的算法最大風能跟蹤(MPPT)是風力發(fā)電的核心問題，但風能的跟蹤的特性是由風力機決定的。因此無論是那種風力機，其風能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風能跟蹤控制主要有最佳葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法。最佳葉尖速比法最佳葉尖速比法的基本思想是當風速變化時，通過測量風速和風力機固有特性計算出此時的最佳轉(zhuǎn)速，并適時調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終運行于該最佳轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)最大風能跟蹤。用風速計直接測出風速信號，由最佳葉尖速比和式(2.14)求得對應的最佳轉(zhuǎn)速，將它與測得的風力機轉(zhuǎn)速信號進行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速誤差信號調(diào)節(jié)發(fā)電機的電功率輸出，進而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風力機轉(zhuǎn)速正比于風速而變化，即始終運行在最佳葉尖速比的情況下。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC1最佳葉尖速比控制法原理圖該方法需要測量風速、轉(zhuǎn)速，還需要知道風力機固有的葉尖速比曲線，由于風速的實時準確測量較為困難，因此該方法在實際應用中存在一些問題。但由于該方法是最大風能跟蹤的最直接實現(xiàn)思想，在風速測量精確的前提下，具有很好的準確性和反應速度。因此該方法仍然獲得了一定應用，本文即采用該方法進行控制。功率反饋法功率反饋法的基本思想當風速變化時，首先測量得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)風力機固有的最佳功率曲線計算此時的發(fā)電機輸出參考功率，對發(fā)電機進行功率調(diào)節(jié)保證風力發(fā)電機運行在最佳功率曲線上實現(xiàn)最大風能跟蹤。由式(2.13)知風力機獲得的功率：風力機的機械功率測量需要轉(zhuǎn)矩測量裝置，實現(xiàn)起來比較困難，所以可以通過測量發(fā)電機輸出電功率代替機械功率用于控制過程計算。傳動系統(tǒng)和發(fā)電機上會產(chǎn)生一定的功率損耗所以最后得到的電功率還要乘以一個效率，由于功率損耗和輸出功率相比較很小，本文暫時不考慮功率損耗，假定電功率等于風力機輸出功率[13]。即：(3.1)由式(3.1)和式(2.14)計算得到：(3.2)額定風速以下為獲得最大功率輸出，設置槳距角，在不同的風速下通過控制風輪的轉(zhuǎn)速，使得風力機運行在最佳葉尖速比條件下，從而使得風力機獲得最大的風能利用系數(shù)。=0時由式(2.14)、式(2.16)和式(3.1)可以求得(3.3)其中(3.4)由式(3.3)和式(3.4)可以得到不同風速下的電功率和轉(zhuǎn)速關系曲線。將由第二章得到的最佳風能利用系數(shù)=0.4382和最佳葉尖速比=6.333代入式(3.2)，并且，取風力機半徑R=35m，空氣密度=1.225此時式(3.2)對應的電功率和轉(zhuǎn)速的曲線就是最佳電功率曲線。將上述兩組曲線繪在同一幅圖中：圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC2不同風速下的轉(zhuǎn)速-功率曲線和最佳功率曲線由上圖可以看出，最佳功率曲線是在每一個風速下輸出最大功率點的連線，對應的轉(zhuǎn)速即為每一特定風速下為獲得最大風能而對應的最佳轉(zhuǎn)速。這樣，系統(tǒng)實時測量轉(zhuǎn)速和功率，在不同轉(zhuǎn)速下，將對應的最佳功率和風力機的輸出功率進行比較，以比較得到的誤差信號來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率，使風力機沿著最佳轉(zhuǎn)速—功率曲線運行，即可使風機運行在最佳轉(zhuǎn)速，最大限度的捕獲風能。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC3最佳功率曲線控制原理圖該方法無需測量風速，但需測量轉(zhuǎn)速，還需知道風力機固有的最佳功率曲線。相比葉尖速比控制，該方法省去了風速測量，具有較好的效果和更好的實用價值，但對于不同的風力機，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得，這會增加功率反饋控制難度和實際應用的成本。爬山搜索法爬山搜索算法是為了克服前兩種算法的缺點而提出來的，它無需測量風速，也不需要事先知道具體風輪機的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點。其追蹤最大風能的原理如圖3.4所示：計算當前風力機的功率，并和上個控制周期的風力機功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值反號，否則，保持其符號不變。最后將當前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說，當風車的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加(或減小)的方向不變，當風車的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動反號。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，這種最大功率跟蹤具有以下的缺點。(1)固定的速度步長導致了旋轉(zhuǎn)速度波動，風速快速變化時跟蹤較慢；(2)逆變器死區(qū)時間引起轉(zhuǎn)矩電流脈動，這會影響最大功率跟蹤算法中的功率比較；(3)固定轉(zhuǎn)速擾動產(chǎn)生的階梯狀變化的風力機轉(zhuǎn)速指令值使得風力機的轉(zhuǎn)速很不平穩(wěn)；(4)擾動步長過大時，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點附近振蕩的現(xiàn)象，導致跟蹤的最大功率點與實際值相差很大，降低了風能轉(zhuǎn)換效率；擾動步長過小時，降低跟蹤的快速性[14]。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC4傳統(tǒng)爬山算法控制流程圖爬山搜索算法雖然克服了最佳葉尖速比法和功率反饋法對風機特性參數(shù)的強依賴性的缺陷，但是它要求轉(zhuǎn)速對風速變化具有瞬時響應特性，對于大型風力機的大慣性大時滯的特點，頻繁的轉(zhuǎn)速擾動并不能得到及時的響應，爬山搜索算法的實際控制效果并不理想。而我們在實驗條件下對風力發(fā)電系統(tǒng)其他部分進行研究時，風速可以是給定的，因此本文將采用最佳葉尖速比法。本章小結(jié)了解了最大風能跟蹤的理論基礎，介紹了變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)三種常用的風能跟蹤算法，即最佳葉尖速比法，功率反饋法和爬山搜索法，并將三種方法進行了對比，并提出了將葉尖速比法作為本文建立系統(tǒng)的控制方法。

風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真MATLAB/SIMULINK簡介本章所用到的仿真軟件是MATLAB軟件。MATLAB是一個集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學計算平臺。MATLAB軟件除了具有強大的科學計算功能、出色的圖形圖像處理、友好的編程環(huán)境之外，還提供了幾十多個涉及眾多工程應用領域的工具箱。下面僅將本章所用到的仿真軟件和仿真工具箱做一簡單介紹。MATLAB簡介MATLAB名字是由MathWorks公司開發(fā)的一個有重大影響的軟件產(chǎn)品。它是一種面向科學和工程計算的高級計算機語言，現(xiàn)已成為國際科技界公認的優(yōu)秀的應用軟件，在世界范圍內(nèi)廣為流行和使用。該軟件的特點是：強大的計算功能、計算結(jié)果和編程可視化及極高的編程效率，這是其他軟件無與倫比之處。MATLAB包含的幾十個工具箱，涉及自動控制、人工智能、電力系統(tǒng)、系統(tǒng)辨識、模式識別、動態(tài)仿真、信號分析、圖像處理、數(shù)值計算和分析等學科，廣泛應用于通信、工業(yè)控制、電子、電力、機械、汽車、建筑、財經(jīng)、生命科學等諸多工程技術領域。MATLAB軟件具有以下優(yōu)勢與特點：(1)提供了便利的開發(fā)環(huán)境。隨著MATLAB的商業(yè)化與軟件的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近于windows的標準界面，人機交互更強，操作也更簡單。(2)簡單易用的程序語言。MATLAB語言的語法特征類似于C語言，具備了比較完備的程序調(diào)試功能有利于非計算機專業(yè)的技術人員使用。(3)強大的科學計算和數(shù)據(jù)處理能力。MATLAB提供了數(shù)以千計的，涉及眾多工程技術領域的函數(shù)指令。通常只須調(diào)用一個函數(shù)指令就可以完成許多工程應用中的復雜計算。如今，MATLAB的計算功能優(yōu)勢已不局限于矩陣運算，它還體現(xiàn)在數(shù)值計算、工程優(yōu)化、動態(tài)仿真等諸多方面。(4)出色的圖形處理功能。MATLAB所具備的圖形圖像處理功能主要體現(xiàn)在：二維曲線處理、三維曲線處理、圖形的光照處理、色度處理、四維數(shù)據(jù)表現(xiàn)，圖形動畫等。(5)應用廣泛的模塊集和工具箱。MATLAB對許多專業(yè)領域都開發(fā)了功能強大的模塊集或工具箱。一般說來，用戶可以直接利用工具箱完成計算、仿真、應用等工作，而不需要編寫復雜的程序代碼。MATLAB工具箱所涉及的工程應用領域有：樣條擬合、優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)仿真、模糊邏輯等。(6)實用的程序接口和發(fā)布平臺。新版本的MATLAB提供了較好的代碼編譯器，可以把M文件編譯成C／C++程序代碼，以便于代碼的移植。另外，MATLAB還提供了與VC++、VB、Excel等軟件的接口，使得這些軟件之間的互訪成為可能。(7)模塊化的設計和系統(tǒng)級的仿真。SIMULINK是MATLAB的一個分支產(chǎn)品，主要用來實現(xiàn)對工程問題的模型化和動態(tài)仿真。在SIMULINK所提供的仿真環(huán)境下，可以完成對信號處理、通信設計、電力系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)控制仿真等功能[15,16]。SIMULINK簡介SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的部分擁有不同的采樣率。對于建模，SIMULINK提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，可以用鼠標點擊和拖拉模塊的圖形建模。通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。SIMULINK包括一個復雜的由接收器、信號源、線性和非線性組件以及連接件的模塊庫，當然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的部分擁有不同的采樣率。對于建模，SIMULINK提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，可以用鼠標點擊和拖拉模塊的圖形建模。通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。SIMULINK包括一個復雜的由接收器、信號源、線性和非線性組件以及連接件的模塊庫，當然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。作為一種圖形化的仿真工具包，SIMULINK能夠驚醒動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析，可以處理線性和非線性系統(tǒng)，離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)，以及單任務和多任務系統(tǒng)，并在同一系統(tǒng)中支持不同的變化率。由于SIMULINK環(huán)境使用戶擺脫了深奧的數(shù)學推理的壓力，也擺脫了煩瑣的編程困擾，只需使用者具備相關的專業(yè)知識即可。因此，用戶在此環(huán)境下對工程應用領域的仿真、分析與計算變得較為簡單。特別是對一些研發(fā)工作而言，起到了縮短研發(fā)周期，提高設計的可靠性的作用[17,18]。永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)建模風力機的建模直驅(qū)式風力機由于省去了齒輪箱，其運動方程為[19]：(4.1)式中：風力機的轉(zhuǎn)動慣量：風力機的轉(zhuǎn)速：風力機的氣動轉(zhuǎn)矩：傳動裝置傳給發(fā)電的扭矩由式(2.13)和式(2.16)得風力機的氣動轉(zhuǎn)矩為：(4.2)在SIMULINK中建立風力機的風速-轉(zhuǎn)矩模型，如圖4.1所示：圖4.SEQ圖_4.\*ARABIC1風力機的風速轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機的建模永磁風力發(fā)電機的模型一般在坐標系下建立，坐標系是包括永磁同步電機在內(nèi)的所有交流電機最常用的坐標系。電機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，是由于定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相互吸引作用而產(chǎn)生的。電機轉(zhuǎn)矩的大小、方向與定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值、相位有關。為了便于分析，將坐標系定位于轉(zhuǎn)子磁鏈之上，此時在軸方向為磁鏈方向，軸方向超前軸90。電角度，這樣就形成了一個同步旋轉(zhuǎn)的正交坐標系。電機所有交流變量都可以在這個坐標系中轉(zhuǎn)化為直流量并投影于、兩個軸上，對兩個軸上的分量分別控制，就控制了這個變量。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，是不可控制量，因此只需控制定子磁場，就可以控制電機電磁轉(zhuǎn)矩。定子磁場中可變的部分是定子電流產(chǎn)生的電流勵磁磁場，在坐標系內(nèi)對定子電流的解耦控制，就實現(xiàn)了電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制，這也是矢量控制的實現(xiàn)方法。本文在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學模型為：(4.3)式中：和分別為發(fā)電機的軸和軸電流；和分別為發(fā)電機的軸和軸電感；為定子電阻；為電角頻率，；為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；為永磁體的磁鏈；和分別為的軸和軸分量。定義軸的反電勢，軸的反電勢已，假設發(fā)電機軸和軸電感相等，即，所以，式(4.3)可寫為：(4.4)由此在MATLAB/SIMULINK中建立發(fā)電機模型為如圖4.2所示：圖4.SEQ圖_4.\*ARABIC2永磁發(fā)電機模型發(fā)電機轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機的轉(zhuǎn)動方程為：(4.5)其中為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量，為發(fā)電機反力矩，為發(fā)電機轉(zhuǎn)速。由于采用永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，沒有使用增速齒輪箱，所以風輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速相等，即有：(4.6)直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：(4.7)簡化為：(4.8)由此可得永磁同步發(fā)電機的傳動系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩模型如圖4.3所示：圖4.3發(fā)電機轉(zhuǎn)矩模型控制系統(tǒng)模型永磁發(fā)電機由永磁體勵磁，不需要提供勵磁電流，定子電流只產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此可以采用同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的矢量控制法產(chǎn)生相應的電壓矢量和，從而控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速。為確定矢量方向，因軸分量與無功功率相關，采用零軸電流控制方法，設置軸電流參考值為，從而在最小電流的情況下得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩。因軸分量與轉(zhuǎn)矩相關，可以通過控制軸的速度控制軸電流參考值。由式(4.4)可知，、軸之間存在著耦合項和，即不僅依賴于，而且也與有關系，這會給控制帶來很大問題。通過加入前饋補償?shù)姆椒梢韵詈享棥Ｒ虼硕x兩個新的輸入量分別為(4.9)通過加入前饋補償，消除了、軸之間的耦合項[20,21]。控制系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)速度參考值由最大功率點跟蹤算法得出，與實際測得的轉(zhuǎn)速相比較，通過PI控制器得到軸電流參考值，軸電流參考值設置為0。由永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與有功電流成正比，可以通過調(diào)節(jié)有功電流來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，從而改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，跟隨設定的最優(yōu)轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)模型如圖4.4所示：圖4.4控制系統(tǒng)模型其中：PI子模塊如圖4.5所示：圖4.5PI子模塊模型最佳轉(zhuǎn)速計算模塊由最佳葉尖速比計算公式可得最佳轉(zhuǎn)速計算模塊如圖4.6所示：圖4.6最