风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真毕业论文.doc

风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与 仿真 Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power by Zhang Peinan Supervisor: Associate Professor Su Hongyu Hei long jiang University Cambridge college May 2012 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、一、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 I 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答一、答辩过辩过程程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、三、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 II 毕业设计毕业设计(论文论文)任务书任务书 毕业设计毕业设计(论文论文)题目：题目： 风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真 设计设计(论文论文)的基本内容：的基本内容： (1)了解风机发电机的工艺机理； (2)建立风力发电系统模型； (3)讨论风电系统最大功率调节方法； (4)以 MATLAB 为工具，对上述研究进行仿真。 毕业设计毕业设计(论文论文)专题部分：专题部分： 题目：题目： 设计或论文专题的基本内容：设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计学生接受毕业设计(论文论文)题目日期题目日期 第第 2 周周 指导教师签字：指导教师签字： 2012 年年 3 月月 8 日日 III IV 风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真 摘 要 能源、环境是当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题。常规能源如：煤、石 油、天然气等，不仅资源有限，而且其应用时造成了严重的环境问题。而风能最为一 种清洁可再生能源，发展迅速，已经成为世界新能源最主要的发展方向之一，因此， 对风能的开发和利用已经受到了世界各国的高度重视。本文以直驱式永磁同步风力发 电系统为例，对目前常用的几种风力发电系统最大功率跟踪控制方法进行了讨论和比 较，并以其中的一种方法为例进行了仿真验证。 本文在分析国内外风力发电的现状以及风电产业现状的基础上，首先介绍了风力 发电系统的总体结构和各组成部分的结构及其运行原理，分析了风力发电机最大功率 跟踪控制的基本原理和方法，比较了最佳叶尖速比控制、最佳功率曲线控制和爬山搜 索法。基于他们的数学模型在 MATLAB/SIMULINK 中分别搭建了包括风力机气动模 型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等，在此基础上建立了直驱式永磁风dq 力发电系统的模型，并采用最佳叶尖速比控制法，对风力机在额定风速以下进行了仿 真，通过仿真验证了该方法的控制效果。 关键词：风力发电；最大功率点跟踪；风力机模拟；仿真 V Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power Abstract The environment and energy are urgent problems of survival and development of human .Mainly, Conventional energy like coal，oil and natural gas is not only restricted ,but also causing serious air pollution .As a clean and renewable energy , the wind power has gotten a quick development and become one of the most promising new energies. Therefore, the utilization of wind power development is regarded by many countries in the world. By taking direct-drive permanent magnet synchronous wind power system as an example, several maximum power point tracking control method of the current wind power generation system is discussed and compared in this paper, then one of the methods is simulated and verified. Based on the current status and foreground of wind power industrial home and abroad, the paper firstly describes the structure and composition of wind turbines operating principle, and secondly analysis maximum power of the wind turbine control principles and methods, and then compares the optimum tip speed ratio control, the best power curve control, and mountain climbing search method. Then a model of permanent magnet direct drive wind turbine is built in MATLAB/SIMULINK based on the mathematical model, include rotor model, permanent magnet generator model and the control system model. And the simulation models are used to validating the method of the optimum tip speed ratio control below the rated wind speed. Keywords：Wind Power; MPPT; Simulation of Wind Turbine; Simulation VI 目 录 毕业设计毕业设计(论文论文)任务书任务书.I 摘摘 要要II ABSTRACT.III 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题背景1 1.1.1 世界能源消费现状 1 1.1.2 国外风能资源与开发现状 3 1.1.3 国内风能资源的开发与现状 4 1.2 风力发电技术现状及发展5 1.2.1 风力发电技术现状 5 1.2.2 风力发电技术的发展 7 1.3 主要研究内容9 第二章第二章 风力发电系统介绍风力发电系统介绍.11 2.1 风力发电系统的总体结构11 2.1.1 风力机 11 2.1.2 发电机 12 2.2 风力发电系统的理论基础13 2.2.1 风能的计算 13 2.2.2 风能的贝兹理论 14 2.2.3 叶尖速比 15 2.2.4 风力机特性 16 2.3 本章小结18 第三章第三章 风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析.19 3.1 最大风能跟踪的理论基础19 3.2 最大风能跟踪的算法19 3.2.1 最佳叶尖速比法 20 3.2.2 功率反馈法 20 VII 3.2.3 爬山搜索法 22 3.3 本章小结23 第四章第四章 风力发电系统的建模与仿真风力发电系统的建模与仿真.25 4.1 MATLAB/SIMULINK 简介25 4.1.1 MATLAB 简介25 4.1.2 SIMULINK 简介.26 4.2 永磁直驱风力发电系统建模26 4.2.1 风力机的建模 27 4.2.2 发电机的建模 27 4.2.3 发电机转矩模型 29 4.2.4 控制系统模型 29 4.2.5 最佳转速计算模块 31 4.2.6 系统模型 31 4.3 系统仿真32 4.4 本章小结33 第五章第五章 结束语结束语.35 参考文献参考文献.37 致致 谢谢.39 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题背景 能源是社会经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。随着化石能源 的日趋枯竭及人类生存环境的逐渐恶化，新的无污染接替能源可再生能源已引起 了世界各国的高度重视。可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热 能和海洋能等自然能源，这些能源既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成威胁。 可再生能源技术包括开发和利用可再生能源的各种技术。国内外可再生能源的一个重 要应用领域就是发电。用来发电的可再生能源主要有风能、太阳能、生物质能、地热 能等，所对应的发电技术有风力发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术和地热 发电技术。但从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增 长率达 27%。 1.1.1 世界能源消费现状 当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。世 界经济的快速发展使得能源需求快速增长，供需矛盾突出。1995 年至 2015 年期间，全 世界对一次能源需求量的增长，将比 20 世纪 80 年代缓慢。在 21 世纪的数十年内，这 种趋势将一直保持下去，而能源的利用效率将提高，特别是在工业发达的国家。在一 次能源的产量和消耗中，居第一位的仍然是石油，煤炭和天然气分别居第二位和第三 位。其中，石油在消费结构中的比重从 39.4%下降到 35%，天然气的比重从 23.7%增加 到 28%，煤炭的比重从 31.7%下降到 31.2%，核能的比重从 2.3%下降到 2.0%。尽管经 济合作与发展组织国家对一次能源的绝对需求量将有很大的增加，但这些国家 2015 年 前对能源需求的增长率却相当缓慢。这是因为这类国家的经济发展普遍比较缓慢，并 实行了节约能源的政策，而发展中国家的能源消耗量则将增长很快。 作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费目前已占世界能源 消费总量的 13.6%，使得世界越来越将能源话题聚集在中国和亚太地区。国家发展和 改革委员会能源研究所指出，三大理由支撑我国大力发展可再生能源。第一，我国能 源系统面临严峻挑战。人口多，人均资源占有量少；加上能源利用技术落后，效率低 下，能耗高，能源匮乏的威胁可能来得更早、能源供需缺口将越来越大。第二，我国 - 2 - 农村小康建设的需要。我国 13 亿人中农村人口占绝大多数，每年消耗的能量相当大， 其中约一半来自可再生能源，但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。同时，我 国还有 700 万户无电人口，无法用常规电网延伸解决用电。第三，保障能源供应安全 的考虑。1993 年我国成为石油净进口国，2003 年进口依存度已经达到 36%，随着国民 经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额将进一步增长，预计 2020 年 我国石油对外依存度将达到 50%。这对我国能源供应安全构成一定威胁。可再生能源 属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换 为液体燃料，为各种移动设备提供能源，缓解能源供应问题1,2。 表 1.1 未来世界能源需求 地区 2010 需求量 比例% 2020 需求量 比例% 2025 需求量 比例% 北美33.56 29.4737.71 29.2639.62 29.03 欧洲33.16 29.4234.99 27.1535.76 26.20 亚洲31.77 27.9037.73 29.2740.55 29.71 中东5.85 5.146.85 5.317.51 5.50 非洲3.38 2.973.98 3.094.30 3.15 南美洲6.14 5.397.63 5.928.76 6.42 世界113.86 100.00128.89 100.00136.50 100.00 随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多 样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。太阳能和风能被看作是 最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力 发电技术受到世界各国的高度重视。 进入 21 世纪，全球可再生能源在不断发展，而在可再生能源中，风能始终保持最 快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。风是地球上的一种自 然现象，它是由太阳辐射引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然 能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对 流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约 2%转化为风能，但其总量仍 是十分可观的。据理论计算全球大气中风能总的能量是 1017kW，而且是可再生的，估 计大约有 3.5x1012kW 的蕴藏风能可以被开发利用，比地球上可开发利用的水能总量还 要大 10 倍。而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过 - 3 - 程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观 点来看，在风电设备及其原材料的生产、带蜡和安装过程中需要消耗一定的化石能源， 进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。 1.1.2 国外风能资源与开发现状 2005 年世界风电产业蓬勃发展，装机容量达 58982MW，亚洲风能发展最快，印 度超赶丹麦。风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业，其从业人数己超 过 23.5 万人。2005 年 12 月 31 日，世界装机容量己达 58982MW， 比 2004 年多 11310MW，2004 年的装机容量比前年增长 8.3GW，而 2003 年装机容量增长 8.1GW。2005 年全球风机装机增长率为 24%，2004 年增长率为 21%。根据这种发展趋 势，世界风能协会预计 2010 年世界装机容量将高达 120000MW。目前风力发电占全球 电量的 1%，部分国家及地区己达 20%甚至更多。 欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。为了应对 全球气候变化，欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源，实现温室气体减排。 欧洲议会于 2001 年制定了可再生能源发展指导计划，到 2010 年可再生能源电力占欧 洲电力总供应的 12%。2005 年欧洲在总装机容量(40932MW)及新增装机容量(6174MW)仍 然保持世界领先地位。现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世 界最先进的风电技术，和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。 20 世纪 80 年代初，丹麦开始发展现代风电，自 1959 年丹麦的风电产业迅速扩张， 装机容量大幅提高。1996 年丹麦政府制定21 世纪能源战略报告 ，预计风电发展的 目标是到 2005 年实现装机容量达到 1500MW 的规模，而事实上，2000 年丹麦的风电 装机已经达到 2140MW，不仅提前完成了 2005 年的规划目标，而且已经成为世界风电 产业的大国和强国。丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业， 丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商，大型商业化风力机制造厂家有 vestas、Bonus、NEG Micon 等，丹麦企业制造的风机约占 50%的世界市场份额。 20 世纪 90 年代是德国风电迅猛发展的 10 年，风电装机规模大幅度提高，技术不 断创新，成本逐渐下降。截止 2005 年 12 月 31 同，德国装机容量达到 18428MW，比 2004 年新增 1798.8MW，增长 10.8%。1998 年以后是德国风电高速增长的黄金时期， 1998-2002 年的短短 5 年间，风电累计装机台数增长从 6000 台增长到 14000 台左右， 增长 1 倍还多，累计装机容量从 1998 年的 3110MW 增加到 2002 年 12440MW，翻了 - 4 - 两番，增长速度惊人。目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位，其装机容 量多年全球位列第一。 在美洲，美国的风力发电规模较大。美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福 尼亚地区。80 年代初期，风机占主流的是 100KW 以下的小机型，目前兆瓦级的风机 己成为风力发电机组的主流。2005 年，美国装机容量大幅度增加，其装机容量占当前 世界风能容量的 17%(10036MW)，其中 98%的装机容量被安装在北美。美国在扩展生 产税信贷范围后，已经成为国际上新装机容量领域的老大，其新增容量为 2424MW。 其总装机容量为 9149MW，排西班牙之后，居世界第三。 亚洲正成为发展全球风电的新生力量，2005 年增长率为 48%，在 7022MW 总装机 容量的基础上新增装机容量 2263MW。亚洲风电产业的主要主导仍是印度。印度早在 20 多年前就已经认识到可再生能源对印度经济社会发展的重要性，并致力于发展风力 发电，特别是这几年，印度风力发电进入了高速发展时期，2005 年，印度的风电产业 发展超过了丹麦并在总装机容量(4430MW)及新增装机容量(1430MW)方面均为世界第 四。 表 1.2 截止 2007 年底累计风电装机容量前九名国家 排名国家累计装机容量 1德国2230万KW 2美国1690 万 KW 3西班牙1470 万 KW 4印度780 万 KW 5中国590 万 KW 6丹麦310 万 KW 7意大利270 万 KW 8法国250 万 KW 9英国240 万 KW 1.1.3 国内风能资源的开发与现状 我国具有丰富的风力资源。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，我国陆 地风能资源总储量约32.26亿kW，其中可开发的风能储量为2.53亿kW，沿海水深215 - 5 - 米近海区域的风力资源可开发的储量有7.5亿kW，总计为10亿kW，这是10m高度计算 的，如果按50m高度计算，则还要增加一倍据国家有关部门最新统计资料，我国的风 能资源远高于原来估计的储量。 中国现代风力发电技术的开发利用起源于20世纪70年代初，而大容量风力发电技 术的应用起始于80年代，其商业化发展则是90年代初期。1994年，电力部发布了风力 发电上网有关规定后，并网风力发电技术的发展越来越受到重视。风力发电产业从新 疆、内蒙古和东南沿海部分地区起步，到1996年底，已初具规模，风力发电装机容量 达到了60MW。近十几年来，在国家有关部门的大力支持下，我们风电产业获得了很 大的发展，特别是2005年2月28同全国人大常委会表决通过了可再生能源法后， 2006年1月1日起实施的中华人民共和国可再生能源法将制定我国可再生能源总量 目标制度；可再生能源并网发电审批和全额收购制度；可再生能源上网电价与费用分 摊制度；可再生能源专项资金和税收、信贷鼓励措施等，这必将大力促进包括风能在 内的可再生能源的发展。 截止2005年12月31日，我国除台湾省累计风电机组1846台，装机容量1260MW， 共有风电场62个。与2004年累计装机容量764MW相比，增长了65.5%。2005年风电上 网电量约为15.3亿KWh。 我国能源发展规划，到20l0年和2020年风电的发展目标分别为500万kW和3000万 kW。按此规划计算，从20062020年平均每年装机约190万kW，投资约152亿元人民 币，其中购买风力发电机组的投资约95亿元人民币。而3000万kW占当时全国总电力装 机的3%，风电电量只占1.5%。 据有关单位的初步预测，2020年以后，风力发电将在能源供应和减排温室气体方 面起显著作用，届时风电成本将“十分接近”常规电源。2020年以后发展风电的主要目 的是尽快培育出本国的风电设备制造产业，以满足风电市场快速增长的需求3,4。 1.2 风力发电技术现状及发展 现代风力发电技术涉及空气动力学、机械传动、电机学、自动控制、力学、材料 学等多学科的综合性高技术系统工程。风力发电系统是由风力发电机组、控制装置、 监测显示装置等组成。 1.2.1 风力发电技术现状 在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有： - 6 - (1)定桨距风力发电技术 定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速 变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个 必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自 动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶 的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负 载)的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停 机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速 轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对 于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重影响。为 了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速 性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题：20世 纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的 安全停机问题，使定桨距(失速型)风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主 导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术。 (2)变桨距发电技术 变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功 率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率 在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0。附近，不作变化，可认为等同于定桨 距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超 过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额 定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶 片已重达数吨对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当 困难的。事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电机组的功率调节对高频 风速度变化仍然是无能为力的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨 叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机 转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线 更加平稳。 变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风 - 7 - 速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利 用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的 升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反而有 所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定 点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风 力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密 度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通 过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的 定桨距风力发电机组来蜕，具有明显的优越性。 (3)变速恒频发电技术 变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的 行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能 够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转 速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而 在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主 力机型。 变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要调 节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来 处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量， 使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。 目前具有变速恒频发电技术的机组主要有：双馈型风力发电机组，无刷双馈发电 机组，高速同步发电机组，低速永磁直驱发电机组。本文主要讨论永磁直驱风力发电 机组5。 1.2.2 风力发电技术的发展 (1)单机容量增大 在过去20年中，风力机的典型装机容量从50kw增加到1000kw以上。随着技术逐渐 成熟，多样化的设计概念也逐渐走向统一。由于风力场中所采用的大的风机比小的更 加经济，因而风机的容量不断增加。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风 力发电机单机容量不断向火型化发展。兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流 - 8 - 产品。美国己经研制成功7MW风力机，而英国IF在研制10MW的巨型风力机。目前， 变速变桨型双馈式3MW风电机组己经商业化运行。而且，随着风机容量的增大，其中 必然要采用一些新的复合材料和新的技术。 大型机器更适合滨海风力场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽， 滨海风力场在未来的风能开发中将占有越来越重要的份额。 (2)风机桨叶的变化 单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2MW风机叶轮扫风直径己经达 72m。目前最长的叶片己经做到50m以上。现有的大部分风机都具有3叶片，只有极少 数风机还只有2个叶片的类型，而且这种风机的数量还在进一步减少之中。风机技术现 已是足够成熟，机器的可靠性极高，可利用率通常在9899之间。桨叶材料由玻 璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。 风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组 的特性，而风电机组的风轮直径与额定容量并不是一一对应的。 (3)塔架高度上升 在中、大型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平 坦地带的风机，在50m高度捕捉的风能要比30m高处多20%。 (4)控制技术的发展 尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近几年来变速恒频风机得到了快 速发展，并成为市场的主流技术。同时，随着全功率变流技术正在兴起，无齿轮箱系 统的市场份额也在迅速扩大，其取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机 轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功 率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率交流 电输出。由于它被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大 大地提高了捕捉风能的效率。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风电机要比恒速风 电机多捕获15的风能。同时，由于机舱质量减轻和改善了传动系统各部件的受力状 况，可使风机的支撑结构减轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低。这是一 种很有发展前途的技术。 (5)海上风力发电 发展海上风电场也成为新的大型风机应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、 瑞典等国都在计划较大的海上风电场项目。由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上 - 9 - 风电场平均设备利用小时数为2000h，好的为2600h，在海上则可达3000h以上。为便于 浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为38m处，同容量装机，海上比陆上成本增加 60(海上基础占23、线路占20；陆上仅各占5左右)，电量增加50以上。 1.3 主要研究内容 第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前 景。简单介绍风力发电技术的现状及其发展。 第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力发电系统的一些重要特性参数及 其特性，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。 第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析比较了采用尖速比控制、 采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法。并提出在实 验室条件下应用叶尖速比控制进行仿真分析。 第四章中为验证风力机的最大功率跟踪控制方法，在 MATLABSIMULINK 中搭 建了包括风轮气动系统模型、发电机模型和控制系统模型在内的 1.5MW 永磁直驱风力 发电机的模型，通过仿真验证了控制效果。 第五章总结文章所做的工作，并提出了不足。 - 10 - - 11 - 第二章 风力发电系统介绍 2.1 风力发电系统的总体结构 风力发电机组的整体结构示意图如图2.1所示。主要的部件包括风力机、永磁同步 发电机、测量与控制系统、功率变换器等。风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部 件，风以一定的速度和功角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变 成机械能，进而直接驱动永磁同步发电机发电机。发电机发出的电能经过电力电子变 换器输送到电网。本文只介绍风力机和发电机。 图