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  类类 别别 : 全 日 制 硕 士 研 究 生全 日 制 硕 士 研 究 生 题题 目 :目 : 永 磁 直 驱 式 风 力 发 电永 磁 直 驱 式 风 力 发 电 机 组机 组 的的 最 大 功 率最 大 功 率跟 踪 算 法 研 究跟 踪 算 法 研 究 英 文 题 目英 文 题 目 :: Research on Maximum Power Point Tracking (MPPT) Method of Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Wind Turbines 研研究究生 : 道 日 娜生 : 道 日 娜 学 科 名 称 : 控 制 理 论 与 控 制 工 程学 科 名 称 : 控 制 理 论 与 控 制 工 程 指 导 教 师 : 孟 克 其 劳指 导 教 师 : 孟 克 其 劳 副 教 授副 教 授 硕士学位论文硕士学位论文 分类号分类号: : 学校代码学校代码: : 1012810128 U D C : : 学学 号号: : 3 二 〇 一 三 年 四 月二 〇 一 三 年 四 月 内蒙古工业大学硕士论文 摘 要 2012 年 4 月,科技部发布的《风力发电科技发展“十二五”专项规划》中提到,我国风电行业基础研究类重点方向为,推动风电机组和风电场设计技术的发展与完善, 解决基于我国气候条件的风能资源基础理论研究和风力发电系统基础理论研究等关键科学问题; “专项规划”中也明确指出风力发电系统基础理论的重点研究任务,任务包括研究风电机组建模、验证与仿真理论和方法,研究建立风力发电系统整体动态数学模型的方法。永磁直驱风力发电机相比传统的双馈风力发电机具有损耗小、运行效率高、维护成本低等优点而备受关注,而且永磁直驱风力机已开始大批量投入使用, 因此掌握其运行特点并提高风电机组的风能捕获效率已成为风电行业的主要研究课题。 本文在对永磁直驱风力机的动态性能等有了初步的了解及分析的基础上, 首先采用机理建模的方法建立数学模型,在 Matlab/Simulink 运行环境下对整个风力发电机组搭建了仿真模型,包括风速模型、风机模型、永磁同步发电机模型。其中,风速模型提出一种实现自然风的方法, 依据某风电场的风资源评估报告所给出的风频分布曲线,以瑞利分布规律随机配置各种风速信号,搭建了自然风速仿真模拟模型,使不同风速随机分配的同时覆盖切入风速到切出风速范围, 并在某个时间段内出现的风速概率分布符合瑞利分布; 在控制过程中为了解决永磁同步发电机数学模型在进行建模时一些复杂不易实现的情况,使用了坐标变换的方法对其进行简化,以达到对永磁风力发电机的控制效果。其次在机组处于低于额定风速运行状态条件下,本课题主要研究了最大功率跟踪算法,以最大风能捕获的三个基本方法为依据,分别搭建了叶尖速比法和爬山法两种最大功率跟踪算法的仿真模型。最后通过仿真实验结果的分析,进一步验证了所搭建的风力发电机组模型的正确性,并且在低于额定风速情况下,叶尖速比法和爬山法两种风能捕获的方法进行对比仿真分析, 能够较好地体现了最大功率跟踪控制算法的性能。 关键词:风力发电;仿真建模;直驱永磁发电机;最大功率跟踪算法 内蒙古工业大学硕士论文 Abstract In terms of the “second five development of wind power technique specific planning” published by science and technological department on April 2012, the main target of the basic research of wind power industry in our country is to promote the design ability for wind turbine and wind farm, which make it complete. Furthermore, it solves the important science questions based on the air condition in our country that are basic theoretical research of wind energy resources and wind power system. As the important researching task in basic theory of wind power system are also mentioned in “specific planning”, their studying includes the wind turbine modeling, the methods of verification and simulation theory and the methods of establishing the integral dynamic mathematical model for wind power system. Comparing with the traditional types of double-fed induction generator, the direct-driven wind turbine generator is concerned by their low consumption, high working efficiency and low maintenance investments. In addition, due to the direct-driven wind turbine generator has begun to be put into use in large quantities, improving the efficiency of power extraction in wind and power system through comprehension their working characteristics become the main researching object in wind and power industry. In this paper, due to the preliminary understand and analysis of the dynamic characteristics in the direct-driven wind turbine generators, there are working in several steps. Firstly, to establish the mathematical model by its modeling mechanisms operate in the Matlab/ Simulink to build up the simulation model for whole wind turbine generators, which include the model of wind velocity and wind turbine generator, the model of direct-driven wind turbine generator. Among these conditions, the model of wind velocity proposes a method that completes the natural wind. According to the wind frequency distribution curve reported by the wind resources assess in certain wind power industry and, following the Rayleigh distribution randomly deploy in certain different wind velocity sign, they establish the simulation model with natural wind velocity, which randomly assign the windy velocity, at the same time, cover the cut-in speed to the cut-out velocity range. In addition, the probability of wind speed conform the Rayleigh distribution in certain range of time. In the controlling aspects, the establishing model for mathematical model in direct-driven wind turbine generators may complicated and hard to complete. So, to 内蒙古工业大学硕士论文 achieve the direct-driven wind turbine generators controlling apply the method of simplifying by using the coordinate transformation. The next, when machines are operated below the condition of rated wind speed, this project mainly research on the maximum power tracking to establish the simulation model of the tip speed ratio method and climbing method in terms of the three basic methods of maximum wind energy capture. At last, through the results analysis of simulation experiment, it accurately verify the correctness of wind turbine models, and when the wind speeds are below the rated wind velocity, comparing the tip speed ratio method and climbing method will perfectly demonstrate the performance of maximum power tracing control method. Key words: Wind power generation; simulation modeling; Direct-drive permanent magnet generator;Maximum power tracking control algorithm 内蒙古工业大学硕士论文 目 录 第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及意义 .................................................................................................................... 1 1.2 国内外发展现状分析 .......................................................................................................... 2 1.2.1 国外发展现状 ............................................................................................................. 2 1.2.2 国内发展现状 ............................................................................................................. 3 1.3 直驱式永磁同步风力发电机组控制技术发展现状 .................................................... 5 1.3.1 直驱式永磁同步风力发电机 ................................................................................. 5 1.3.2 风力发电机组的控制技术 ...................................................................................... 5 1.4 本课题研究内容 .................................................................................................................... 7 1.4.1 本文拟解决的主要问题 ........................................................................................... 7 1.4.2 全文结构 ...................................................................................................................... 7 第二章 风力机的理论基础 ............................................................................................................... 8 2.1 永磁风力发电机组的结构模型 ........................................................................................ 8 2.2 风力机能量转换 .................................................................................................................... 9 2.2.1 风能的计算 ................................................................................................................. 9 2.2.2 贝兹(Betz)理论 .................................................................................................... 9 2.3 风力机的特性系数 ............................................................................................................. 11 2.4 风力发电机组的基本工作状态 ..................................................................................... 13 2.5 本章小结 .............................................................................................................................. 15 第三章 风力发电机组的最大功率跟踪 ..................................................................................... 16 3.1 最大功率跟踪的基础理论 ......................................... 16 3.2 最大功率跟踪的算法分类 ......................................... 17 3.2.1 最佳叶尖速比法控制 Tip Speed Ratio Control(TSR) ............... 18 3.2.2 功率信号反馈控制 Power Signal Feedback Control(PSF) ........... 19 3.2.3 爬山搜索控制 Hill Climb Searching Control(HCS) ................ 20 3.3 本章小结 ....................................................... 23 第四章 风力发电机组的建模与仿真 ....................................... 24 4.1 数学模型建立的基本方法 ......................................... 24 4.2 仿真环境 MATLAB\Simulink 简介 .................................. 24 4.3 风速模型 ....................................................... 25 4.4 风力机建模 ..................................................... 30 4.4.1 风轮模型 .................................................. 31 4.4.2 传动系统模型 .............................................. 32 4.4.3 变桨距系统执行机构模型 .................................... 33 内蒙古工业大学硕士论文 4.5 永磁同步发电机模型 ............................................. 34 4.5.1 坐标系变换 ................................................ 34 4.5.2 推导 PMSG 数学模型的前提假设 ............................. 36 4.5.3 永磁发电机数学模型 ........................................ 37 4.6 本章小结 ....................................................... 38 第五章 风力发电机组的 MPPT 控制策略仿真 .............................. 39 5.1 风力发电系统的 MPPT 控制 ...................................... 39 5.2 基于 TSR 算法控制方案 .......................................... 39 5.2.1 转速控制 .................................................. 39 5.2.2 SVPWM 调制技术 .......................................... 41 5.3 基于 HCS 算法控制方案 .......................................... 47 5.4 仿真结果及分析 ................................................. 49 5.4.1 组合风速与改进风速对比分析 ................................ 49 5.4.2 风力机组仿真结果分析 ...................................... 50 5.4.3 TSR 及变步长 HCS 控制策略仿真结果对比 ..................... 52 5.5 本章总结 ....................................................... 53 第六章 结论与展望 ..................................................... 54 6.1 全文总结 ....................................................... 54 6.2 进一步工作展望 ................................................. 55 参 考 文 献 ........................................................ 56 致 谢 .............................................................. 59 附 录 原理图 ......................................................... 60 个 人 简 介 ........................................................... 61 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景及意义 洁净、 稳定和可靠的能源供给是人类文明、 经济、 社会发展和进步的保障。 石油、煤炭、天然气等化石能源支持了十九世纪及二十世纪近两个世纪的人类文明、历史的进步和发展。但是,化石燃料的大量损耗,使得人们必须面对能源枯竭的残酷现实,于此同时自然环境恶化的问题也是在步步威逼着我们。近年来,随着现代工业的飞速发展,人类对能源的需求有所增加,人们毫无节制的开采煤炭、石油、天然气等深埋于地层,维系人类生存的“能源食量” ,不仅严重的污染了我们的生存环境,更重要的是能源的枯竭。 根据专家预测, 全球如煤炭、 石油、 天然气等属于不可再生的能源,可开采的年限已不到 100 年。能否达到能源可持续发展的目标,从而推动经济、社会的进步与发展,已然成为世界各地政府急需处理的问题。21 世纪是科技、经济、社会迅速发展的时代, 也是从使用化石能源的年代向能够持续利用的可再生能源时代转变的一个时期,逐步开拓了一个脱离化石燃料枷锁的新能源时代[1]。 伴随着全球文明、经济和社会的发展,风能市场也迅速发展起来。纵观近几年发达国家的能源战略,发展绿色能源能成为各个发达国家的重要战略布局。风能作为一种重要的绿色能源,在开发利用方面已有较长的历史以及比较成熟的技术,并且具有巨大的能源储备。根据研究,到达地球的太阳能中虽然只有大约2%能转化为风能,但其总量仍十分可观。人类能够利用的风能达到全球风能总量的70%之多,而能够利用的水能总量远不如风能利用率。 近些年, 风力发电事业在全球各个国家发展迅猛,尤其是在环保意识较强的欧洲国家,这些国家对风力发电实施多项优惠政策,并且对发展规划不断进行修改,使得风力发电事业发展步伐加快。我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一,全国范围内能够开发利用的风能约为 2.5 亿KW,东北至西北以及沿海地区,风的质量很好,为开发风力发电事业提供了有力的条件和基础环境。 风力发电机是将风能资源转变为机械能的一种动力机械系统。 风电技术发展速度较快,经过了从恒频恒速向恒频变速风力发电机发展的过程。直驱式与双馈式是恒频变速风力发电机系统两种不同的方式。在双馈风力发电系统,由于只占系统额定功率大约30%的变流器容量, 因此在节省系统成本方面有着很大的优势。 而永磁直驱式风力发电系统,作为风力发电行业的发展趋势,利用了低速永磁发电结构,略掉了传统的齿轮箱结构,实现了降低机械损耗及维护成本,与此同时还成功增加了运行效率。 内蒙古工业大学硕士论文 2 作为风力发电系统中 “大脑”的控制器,在不同风速的情况下,通过调节风力发电系统中的各个器件,实现系统的最大功率跟踪,使风力发电系统所发出的功率能够持久、平稳地维持在额定功率附近,避免风力发电系统因超出转速或功率极限而导致的意外。所以设计并研究优越的控制方法,使得输出功率在变化莫测的风速下能够一直保持在额定功率,对提高风力发电系统的工作效率尤为重要。 1.2 国内外发展现状分析 1.2.1 国外发展现状 依据目前风力发电技术水平, 风力发电的成本仍然是高于常规发电的成本。 因此,许多国家都陆续采取了各类激励政策,例如价格、市场配额、税收等,实现从诸多不同方面支持风力发电的发展。在此类优惠政策的激励下,各国风电发展迅猛。欧洲不仅是全世界装机容量最多的地区,并且装机容量逐年还在一定比例的增加,更重要的是欧洲也是风电技术发展速度最快的地区。世界风能协会(WWEA)数据显示,在2012 年,最大的市场将包括德国、西班牙、美国、印度以及中国。大部分的欧洲市场自 2012 年上半年比较 2011 同期表现出迅猛的增长。德国依旧是欧洲最大的市场,除去葡萄牙以及西班牙, 其他的国家的新装机容量比较上年同期均表现出不同程度的增长,如下表 1-1 所示[2]。 表1-1 2012年上半年欧洲主要国家装机容量统计 Fig.1-1 In the first half of 2012 major European countries installed capacity of statistics 国家 上半年新装机容量 MW 总装机容量 GW 德国 941 西班牙 414 意大利 490 法国 650 英国 822 葡萄牙 19 30 22 7.2 7.18 6.48 4.9 除此之外,世界风能协会(WWEA),东欧的新兴市场将成为最具活力的市场之一。2012 年罗马尼亚上半年新装机274MW,下半年新装机则至少将达到600MW,因此,罗马尼亚增长率达到了33%。自 2012 年 4 月起,波兰新增装机容量527MW,同比增长32%。乌克兰在 2012 年新装机37MW,增长率高达64%,拉脱维亚新增装机容量20MW,增长率也相当于64%。 用于增加风能利用率与发电效率的有效工具----风力发电系统, 不仅在整体的装机容量有所增加,而且对单独的风力发电机来说单机容量也是在持续向巨型化转变。 第一章 绪论 3 美国已研发出7MW风力机,而英国正在研制10MW的巨型风力发电机。兆瓦级风力发电机逐渐成为国际上风力发电市场上的主流产品。对于风力发电机本身而言,世界各国对风力发电机技术的研发也是在快速革新的。 1. 恒频变速机型风力发电机应时而生:恒频变速风力机组将运行状态以额定风速为界分为两种工作状态。在额定风速以上时,风力机组主要通过改变风轮的桨距角来保证整个风机的额定发电功率,就是俗称的变桨距控制;而在额定风速以下时,对桨距角不进行改变,只对风力机组内部发电机转子的转速进行调整,从而尽可能最大的吸收风能。 2. 定桨距机组逐步向变桨距机组转变:变桨距机组的驱动技术主要分为两种。一种为液压传动系统, 他具有柔性刹车技术, 起到降低机身震动及刹车片磨损的作用,但其适合在大中型机组中应用;另一种为电气传动系统,优势在于其可靠性与桨叶单独可调的特性。 3. 风机组成部分如:桨叶、发电机等重要部分在稳定性及巨型化方面有所进展:以空气动力学以及商用软件的优化设计为基础, 在对风机桨叶外形设计及材料选择上逐渐成熟,例如美国国家风能技术中心正在研制的自适应变桨距风力机,其特点主要体现在风机在高于额定风速情况下运行时。 低于额定风速时与普通风机的桨叶没有区别,但风速在额定风速以上的时候,桨叶依据风速的大小做出对应的变形,从而实现自动改变桨距角。 4. 控制与监测等主要技术逐渐趋于成熟,包括先进的控制规律的应用、快速无冲击并网技术、独立桨叶控制技术、远程监控技术、弱点网运行及孤立风机技术及光伏与风电混合控制技术等。 5.风力发电成本在不断地下降,已由 20 世纪 80 年代早期的 38 美分/kWh降到2003 年初的 4 美分/kWh左右供电, 而美英等国家的一些风电场以更低的价格 3 美分/kwh供电。预计在 2013 年世界平均发电成本还会有所下降 1.2.2 国内发展现状 我国地域辽阔,地形条件异常复杂,风能资源状况以及分布特点也随地理位置、地形等外界因素的不同而呈现不同的状态。 风能资源丰富的地域主要分布在东南沿海及其附近岛屿及“三北”地区。此外,内陆也有着个别风能丰富点,海上风能资源也非常丰富。其中“三北”地区即我国西北、华北、东北地区。包括东三省、内蒙古、河北、 甘肃、 青海、 新疆及西藏等近2200km 的区域, 风功率密度大于2200 - 300W / m , 内蒙古工业大学硕士论文 4 甚至有些地区能够大于2500W / m ,可开发利用的风能资源储量大约 2 亿KW,约占全国陆地可利用风能资源储量的79%之多。基于这些有利的自然条件中国在 2012 年风电装机竞赛中再次拔得头筹。在 2012 年的前半年,全国新装机容量高达5.4GW之多, 但这个数据明显少于 2011 年同期的8GW。 我国占全球新风机组32%的市场份额,相比去年上半年的34%有所下降。截止到去年 6 月,我国总的装机容量大约为67.7GW。根据世界风能协会(WWEA)的预测,在可预见的未来,中国仍将会是世界上最大的风力发电市场,但是其增长可能会有所放缓。虽然在如此困难的情况下,我国风电仍在平稳向前发展,并未停滞不前。在 2012 年,中国风电并网总量达到 6083万千瓦,发电量达到 1004 亿千瓦时,风电已超过核电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。表 1-2 为 2012 年中国风电机组制造企业新增装机排行。 表1-2 2012年中国风电机组制造企业新增装机排行 Fig.1-2 In 2012,the rankings of the Chinese wind power unit manufacture enterprise new machine 序号 制造企业 2012 年新增装机容量(GW) 1 金风科技 252 2 联合动力 205 3 华锐风电 177 4 明阳风电 151 5 湘电风能 115 6 上海电气 81 7 远景能源 54 8 东汽风电 51 9 歌美飒 49 10 海装风电 42 序号 制造企业 2012 年新增装机容量(GW) 41 37 36 29 17 11 9 8 5 5 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 维斯塔斯 南车风电 运达风电 华创风电 许继风电 华仪风能 GE 风能 瑞其能 京城新能源 航天万源 数据显示,2012 年中国陆上风电新增装机容量1590GW,占全球新增装机容量的35%.中国新增风机装机容量2009年即已超越美国, 迄今已经连续4年保持全球第一。美国 2012 年新增装机容量为1320GW,比中国低14%。风电设备制造领军企业也来自国内,金风科技、国电联合动力及华锐风电位列前三,三家合计占45%的市场份额。就新增风电项目的地理分布而言,2012 年内蒙古以170GW新增装机容量继续位居第一,山东140GW,河北110GW紧跟其后。 尽管近几年我国风力发电行业一直保持着平稳的发展态势, 但是我国风电行业仍然存在一些问题。首先,我国风电设备总体制造技术落后,变流器、轴承等核心部件仍旧需要大批量进口,大型风力发电机的制造技术尚未掌握。其次,我国的风力资源开发利用程度很低。如今我国对例如叶片、发电机、齿轮箱、偏航系统、电控系统及塔架等风力机组关键零部件已经实现自主研发,同时可以进行批量生产。风力机组的 第一章 绪论 5 国产化为风电场的建设提供了优质廉价的选择,ag百家了乐八大技巧并且,也使得国外同类产品在与中国市场竞争时,迫使价格大幅降低,因此很大程度地促进了我国风力发电产业的发展。 1.3 直驱式永磁同步风力发电机组控制技术发展现状 1.3.1 直驱式永磁同步风力发电机 常见的双馈异步发电机和笼型异步发电机,由于都存在着齿轮箱,不仅如此双馈异步发电机还有着滑环及碳刷, 这些原因造成双馈异步发电机系统成本高、 维护量大、可靠性差,最重要的是由齿轮箱发出的噪音污染严重。当其低负荷运行时,效率将会降低, 尤其是随着风机本身容量的增大, 这些问题尤为突出。 随着风力机技术的发展,直驱化及无刷化受到人们的广泛关注。因此,变速运行、变桨距调节、转速低、效率高、功率因数高的直驱式永磁同步风力发电机已然变为研究开发的热点之一。 永磁材料是经外部磁场饱和充磁后,能持续提供磁场的一种特殊磁性材料,也称为硬磁材料。广泛应用于航天、通信、矿业等工业生产中,具有其重要的战略意义。我国一直以来都是永磁材料的载体稀土的出口大国, 近年来我国认识到永磁材料稀土的重要性,逐渐减少了稀土的出口量。永磁发电机的性能、设计制造特点与永磁材料的性能密切相关。为了保证永磁发电机的电气性能不变,同时能够可靠地长时间运行,所选择的永磁材料的磁性必须要稳定,其性能主要有热稳定性、时间稳定性及化学稳定性。目前市面上直驱发电机一般都是用钕铁硼永磁材料。钕铁硼是上个世纪80 年代研发出的新型磁性材料,具有高磁能积、高矫顽力、高稳定性等优点,是当今磁性最强的永磁材料,被誉为永磁体中的磁王[3]。 1.3.2 风力发电机组的控制技术 风能是一种能量密度稀疏,平稳性较差的能源,其速度的大小与风向都是不确定的, 加之风速是个矢量, 因此风力发电存在着有别于其他发电方式的一些独特的问题,例如:风轮与风速的夹角不断改变,使叶尖速比不能很好地稳定在最优值,间接影响风力机组的发电效率;力矩传动链中的力矩产生大的浮动,从而对整个系统运行的稳定性及使用年限等有所影响, 对上述问题的合理解决是由风力发电机的控制系统完成的。风电系统是一个复杂多变量非线性的系统,具有随机性与多扰动等特征。由此得知,风力发电系统的主要控制目标有[4]: 1) 确保发电系统的处于稳定工作状态; 2) 尽量提高自然风能源的利用率; 内蒙古工业大学硕士论文 6 3) 尽可能的提高电能质量。 4) 保证机组的使用寿命。 而风力发电系统常见的控制功能主要有: 1) 在风力机运行在切出风速以下时,保持整个风电系统的稳定性; 2) 在额定风速以下的时候,能够跟踪最佳叶尖速比,捕获最大的风能; 3) 在额定风速以上的时候,确保风电机组输出的功率在额定值范围; 4) 要减小当风速突然变化时导致的转矩波动、风轮的机械应力以及发电机输出功率的波动; 5) 降低功率传动链的暂态响应; 6) 控制器务必要简单,对一部分输入信号进行限幅; 7) 保证风力机组输出功率及频率的稳定性; 为了能够达到上述的目标, 并且能够实现提高风力发电机的发电品质及效率的目标,在风力发电机组的稳态运行的工作点进行精确的控制,其控制技术主要有 3 个发展阶段:从丹麦的定桨距恒速恒频控制起源,再到上个世纪 90 年代发展的变桨距恒速恒频控制,最后就是目前已经被广泛应用于实际当中的变桨距变速恒频控制。 表1-3 各种变速恒频风力发电系统控制方案性能比较 Fig.1-3 All kind of comparion fo variable speed frequency wind power generation system control scheme and performance 类别 笼型异步 磁场调制 双馈 无刷双馈 永磁 转子类型 笼型 调制型 绕线式 磁阻式 永磁式 变频器位置 定子侧 定子侧 转子侧 定子侧 定子侧 变频器容量 全部容量 全部容量 部分容量 部分容量 部分容量 有无齿轮箱 一般有 一般有 一般有 一般有 无 可否直接驱动 可以 可以 可以 可以 可以 转速运行范围 窄 一般宽 较宽 较宽 宽 有无电刷滑环 无 有 有 无 无 能量流动方向 单向 双向 双向 双向 单向 可否调节功率因数 可以 可以 可以 可以 可以 效率 较高 较高 较高 较高 高 成本 高 较高 一般 较低 低 如今,变桨距变速恒频风力发电机组已经成为大型并网风力发电机组的发展趋势,其控制方法的基本思想为:首先,在高风速时通过控制变桨距来限制风力发电机接受到的功率不要超过极限值, 同时在风速有较大的浮动的情况下同样能确保发电机输出功率的稳定;在低风速时,以调节发电机的转速来跟踪不断变化的风速,使得叶尖速比保持在最佳状态,完成最佳风能跟踪控制。 表 1-3 列出了变速恒频风电系统 第一章 绪论 7 各种方案及性能的比较[5]。 1.4 本课题研究内容 1.4.1 本文拟解决的主要问题 在研究怎样实现风力发电机组入网功率最大化的目的下,发现现有风力发电机组存在以下三个有待研究的问题点: 1)通常计算机仿真所得风速,是通过对不同风速的简单组合而实现的某个地区及时间段的平均风速。据此,所构成的风速只能给出平均风速,却无法体现自然风的多样性。这样会影响整个风力发电系统的动态性能分析与研究。 2)风力发电技术是涉及多学科、多变量非线性不确定系统,其精确的数学模型不易建立,限制了风力机理论的创新与实践。 3)风速风向等是由当地地理环境及天气情况决定的,随机性强。当变化的自然风作用在风轮上时,使机组入网的有功功率达不到最大,同时风机也会出现不稳定的情况。 1.4.2 全文结构 基于对上述问题的细化研究,论文的文章结构安排如下: 第一章为绪论,阐述了选题的背景和意义,目前风力发电机国内外现状以及永磁直驱式风力发电机组的一些简单介绍。 第二章介绍了风力机组的基础理论,主要针对永磁风力发电机。 第三章主要介绍了风力机组组最大功率跟踪控制算法,针对叶尖速比法,功率反馈信号法以及爬山搜索法等三种基本方法的工作原理,优缺点进行详细介绍,并对三种方法进行了对比。 第四章利用机理建模的方法对风力发电机组在Matlab/Simulink环境下进行建模。对风速,风轮,传动系统以及变桨距系统分别进行了仿真。并利用坐标变换的方法对永磁同步发电机搭建了数学仿真模型。 第五章在第四章的基础上, 对风力发电机组进行了 MPPT 控制的同时搭建了仿真模型。采取了叶尖速比法以及变步长爬山搜索法两种方式对风机进行最大功率跟踪,同时进行了对比。 第六章中总结了本文获得的相关成果, 指出尚存在的不足以及对下一步工作的展望。 内蒙古工业大学硕士论文 8 第二章第二章 风力机的理论基础风力机的理论基础 2.1 永磁风力发电机组的结构模型 风力机永磁同步发电机机侧整流器网侧逆变器电网风能dcUPMSGACDCDCAC 主控制系统:机侧变换器控制网侧变化器控制变桨距控制偏航控制桨叶控制风速 图 2-1 直驱式永磁风力发电机组结构图 Fig.2-1 Structure of the direct-drive permanent magnet synchronous wind turbines 图 2-1 所示的是采用了全功率变换器的直驱式永磁风电机组的结构框图。 其中风力机风轮的主要功能是将风能转变为机械能, 风力机再将这些吸收到的机械能利用永磁同步发电机转换成三相对称交流电。 从发电机发出的频率和电压都是随风速变化的交流电,经过机侧整流器变为直流电,之后通过网侧逆变器,获得和电网拥有相同相位及频率的交流电,ag百家了乐八大技巧,然后利用变压器升压,最后将由风能经过一系列转换所得到的电能传送到电网进行并网。这种结构的风力机组在近几年受到广泛的关注,主要原因是由于简单的控制结构,因此大大的增强了系统的可靠性。 其中,永磁发电机与电网之间无功功率的交换由变流环节隔开,达到了风力机组在并网的时候防止因为发电机与电网频率的差异而产生的转矩与电流冲击的目的, 使得并网过程较平稳。同时,利用变速变桨距技术跟踪随时变化的风速,调节发电机的转速,从而改变发电机的输出功率。依据电网频率的改变,网侧逆变器也能够把控制信号反馈给发电机,实现了调整输出电压与功率因数的目标。变频器的应用,使得风力机组在不同的风速条件下能够正常运行,同时有效地控制了发电机内部的转矩,进而降低了传动系统的应力。要实现对发电机转矩的调整就控制变频器电流即可,而对风轮转速的控制只要通过对电磁转矩进行调整即可, 从而使机组始终保持在最佳的运行状态[6]。 第二章 风力机的理论基础 9 需要指出的是,直驱式永磁同步发电机的转速一般是每分钟几十转甚至十几转,为了满足发电机与风轮转速相一致,通过改变永磁发电机的极数来降低转速。由电机设计理论可知,在功率恒定的情况下,电机的体积与转速成反比,转速越低,体积越大,故永磁发电机的体积都很大,造价也高。为解决这个问题,现在的永磁发电机从以下几个方面加以改进: ①采用具有足够剩磁密度和矫顽力的永磁材料来增加气隙磁密,获得高功率密度。②采用表面式多极结构。③采用外转子结构。 2.2 风力机能量转换 2.2.1 风能的计算 由流体力学的相关知识为基础,气流所具有的动能为[7]: 212Em (2-1) 其中,m为气流的质量,单位是kg ;v为气流的速度,单位是/m s。 假设在单位时间内流过截面积为S 的气体的总体积为V 单位为3m ,则VvS,空气密度用  表示,该体积空气的质量为mVvS,这时该体积中存在的风能为: 312ESv (2-2) 上式(2-2)即为风能表达式。 标准国际单位制中,E 的单位为W , 的单位为3/kg m 。从公式(2-2)中可以得出风能大小与气流的密度及这段气流所通过的面积成正比,并同时与风速的立方成正比,风速略微的改变就会对风能产生极大的变化,并且随着海拔的高低、昼夜交替、季节的更替, 和v也会相应的变化。这就是造成风能随机性的主要原因。 2.2.2 贝兹(Betz)理论 风轮能够将作用于轮毂上的风能转变成机械能。理论上来讲,风力机组的输出功率是无限的。但是,在实际情况中,风力机受轮毂材料的一些物理特性、风力机中电力电子器件的容量、机械强度及一些物理损耗等不可抗拒的原因,气流在流过风轮后的风速是不可能变为 0。因此,气流所拥有的风能并不是完全被利用,即输出功率是有限的,换言之风轮所吸收的能量只是所经过气流的一部分,只有这部分气流变成了 内蒙古工业大学硕士论文 10 风轮的机械能。 贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本理论,它由德国物理学家Albert Betz 于 1919 年提出的[8]。 他假设出一个理想风轮, 简单地说就是风轮上没有轮毂, 同时有无穷多的叶片, 通过风轮的风速是均匀, 风轮对所流过的气流不造成阻力,气流经过风轮时的方向,无论是在通过风轮或在风轮周围的时候都是沿着风轮的轴线,利用这个“理想”的风轮研究分析风力机组能输出的最大功率。如图 2-2 所示。 图 2-2 风轮的气流结构图 Fig.2-2 Airflow structure of the Wind wheel 假设气流经过风轮的上游界面、风轮旋转面以及下游截面由12SSS、 、 表示。气流在经过风轮时,必定会损耗自身的能量,故21vv。桨叶对通过的气流起着扰流的作用,气流在通过风轮后的截面积是逐步增加的,所以21SS。 假设空气不可压缩,由连续条件可知: S v 1 1S v2 2Sv(2-3) 由欧拉(Euler)理论算出作用于风轮上气流的力: 12()FSv vv (2-4) 风轮捕获到的功率为: 212()PFVSv vv (2-5) 功率是由风蕴含的动能转化来的,根据动能定理,气流从上截面到下截面的动能变化量为: 212212()ES    (2-6) 由PE  可得: 122 (2-7) 221212()FSv vv (2-8) 22121214()()PSv vvvv (2-9) 1 v1S2 v2SvS 第二章 风力机的理论基础 11 对于给定的上游速度1v ,可由式(2-9)计算出以2v 为变量的功率变化关系: 2211 2vv2214(23)dPdvSv vv (2-10) 对式(2-10)求解得123vv 时风轮会获得最大功率,代入式(2-9)可求得: 3maxP1827Sv (2-11) 将求得的最大功率与式(2-2)中获得的动能相比,即为风力机理论上利用风能的最大利用效率: 31maxPEmax.593SvSv (2-12) 这表明风力机从自然风中吸收到的能量并不是无限的, 风力发电机在实际运行中达不到理想状态,最多只能获得通过气流的59.3%的能量,并且数值是由风力机与发电机的出厂参数决定的。一般在最优条件下,此效率在35%到40%不等。塔影效应和尾流中旋转的动能是损耗这些能量的主要原因[9]。 2.3 风力机的特性系数 1) 桨叶节距角 众所周知,轮毂及安装在轮毂上均匀分布的若干桨叶构成了风机的风轮,每只桨叶的叶片必须按照相同的方向旋转,桨叶围绕着自身轴心线绕过一个特定的角度,即保证每个翼片的翼弦与风轮旋转平面构成一个夹角 ,也就是桨距角(Pitch Angle)也称为安装角、节距角或桨叶节距角。在变桨距控制中,需要对功率进行调整的时候,只需调节翼片的迎风角度 即可。 衡量风力机工作效率的两个重要指标是风能利用系数PC 和叶尖速比 。 2) 风能利用系数PC 自然风作用在风轮上,而pC 是风力机从自然风中捕获能量多少的一种量度,它代表了风力机的工作能力。在 2.2 节中得出,风能资源的实际利用率是远远达不到理想状态所达到的 0.593[10][11]。 312pPCv S (2-13) 其中:P 风力机的实际输出功率,单位:W ; 内蒙古工业大学硕士论文 12 S 风轮的扫掠面积,单位:2m ;  空气密度,单位:3/kg m ; v 上游风速,单位:/m s; 3) 叶尖速比 在自然风在不断变化的情况下, 利用翼片顶部的圆周速度与通过气流速度的比来 表示。 2 RnvRv  (2-14) 其中:n 风轮的转速,单位: / r s; R 风轮的半径,单位:m。  风轮的角频率,单位:/rad s ; v上游风速,单位:/m s; 风力机的不同, 决定着风能利用系数PC 也有所不同。( , )PC   曲线是 与有关的拟合非线性曲线,其数学表达式如下: 7512134681039( , ) 11C1iCCPiiCCCCCCeCC (2-15) 式中110CC均为常数,其数值取决于风力机的类型及各类参数。由(2-15)式可以拟合出如图 2-3 所示的特性曲线图。从图中我们可以看出: 当桨叶节距角确定时,存在着一个最优的叶尖速比opt,使得风力发电机组保证尽可能大的风能利用系数maxpC,由式(2-14)得到,风力机控制系统可以根据自然风的变化,利用改变风力发电组的转速来改变风轮的转速,以保证风轮顶端的速度与风速的比值有效地保持在最佳opt,此种做法间接地保证了最佳风能利用系数maxpC,从而使得风力发机并网时输出功率同样保持在最大的状态,这既是变速风力发电机利用最大功率跟踪(MPPT)提高捕获风能能力的基本原理 当桨叶节距角15 时,对于任意的 叶尖速比,风力发电机的风能利用率相对较小,随着桨叶节距角的逐渐减少,风能利用系数明显增大。变桨距控制系统调节风力发电机,捕获风能大小的主要方法既是对桨叶节距角进行调整,由此来保证风力发电机风轮的转速以及并网时所输出的功率尽量保持在额定值。 由以上结论得出,自然风是作为变速风力发电机组的输入信号,是调整风轮转速和输出功率的重要依据。总的来说,变速风力发电机组控制主要是有一下两个特点: 第二章 风力机的理论基础 13 1)在低于额定风速但高于风轮的启动风速时,它能追踪最佳功率曲线,使得风力发电机的风能利用系数保持在最佳值。 2)在高于额定风速但低于切出风速时,他增加了传动系统的柔韧性,使得输出功率更加稳定,达到了高质量、高效率地向电网提供电力的目标。 05101500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5=0=3=6=9=12=15叶 尖 速 比 风能利用系数Cp 图 2-3 变速变桨距风力机 Cp的特性曲线 Curve Cp of variable-speed and variable-pitch wind turbine generations 根据课题选用的风力机参数,选定如式(2-16)所示的风能利用率曲线( , )C  0.5173(0.45)exp() 0.0068110.080.0351piii (2-16) 2.4 风力发电机组的基本工作状态 风力发电机组是一个复杂的系统,其中有偏航系统、控制系统、传动系统、制动系统等。从切入风速(一般为3~ 4 /m s)到切出风速(约为25 /m s )的整个过程中,风力发电机组的动态性能是有差异的。如图 2-4 所示,风力发电机组运行过程一般具有如下几个步骤[14]: 内蒙古工业大学硕士论文 14 额定风速切出风速风速(m/s)发电机输出功率/(W)切入风速 图 2-4 风力发电机组功率特性曲线 Power characteristic curve of wind turbine 1) 待机状态 当风速略大于切入风速,但还没达到能够使风轮转动的程度,或风力发电机组逆功率状态切出, 还没有再一次并入电网, 这种状态的风力机组是运行于自由转动状态,即称为待机状态。 此种状态只是没有并入电网, 但风力发电机组已经是在工作状态中。 2) 自起动状态 风力机组是一个惯性及机械转矩都比较大的系统, 只有升力在足够大的情况下才能使风轮进行自动旋转。初期桨叶节距角不变的定桨距风力发电机组,因为不能利用调节桨叶节距角来获得能够使风力机启动的夹角,所以,通常使用发电机充当电动机或外置电动机先带动风轮旋转。随着不断提高的的风轮叶片气动性,目前多数的风轮拥有较好的自启动性, 当风速大于切入风速时, 通过叶尖扰流器调节叶片的迎风角度,实现风轮自启动。 3) 风轮偏航对风 在风轮开始自起动的过程中, 风力发电机组控制器收到风向仪反馈的实时自然风信号,当平均风速在一小段时间内保持 3 /vm s时控制器进行控制。为了防止风速扰动造成偏航系统多次启动,在风轮左或右偏离对风后,在经过大概10s时间的延迟后才开始指令的操作,完成操作后卡紧偏航制动。 4) 风力发电机组并网运行 随着风速的增加,当风速大于4 /m s 时发电机组可以自起动到某一设定风速,在监测到电网的相位、频率及电压无上下浮动后,将从风速中获得的电能并入电网。此过程风力机组依据实时风速的大小,主要分为两个工作状态:低于额定风速情况下,变速调整追踪最佳功率曲线,使风力机组具有较高的风能利用率;高于额定风速的情况下,变桨距调节,增加传动系统的柔性,使输出功率更加稳定。 第二章 风力机的理论基础 15 5) 安全停机 当自然风超出切出风速值时, 风力机组急需安全停机, 否则会造成如振动、 飞车、负载遗失等严重的故障。风力机采用偏航控制偏转90 使桨叶与风速方向无夹角,通过降低风轮对风能的吸收,使转速降低,实现风力机组的安全。同时采取启动刹车,脱离电网。 2.5 本章小结 本章简单讲述了与风力发电技术有关的空气动力学基础知识, 论述了直驱永磁风力发电机的基本结构,在最后分析了风力机组的基本工作状态,为后续的风力发电机组建模、研究以及有关控制技术,最大功率追踪奠定了基础。 内蒙古工业大学硕士论...