【正文】 m power point tracking，AC—DC—DC—AC converter,boost converter 目 錄摘要 4Abstract 5第1章 緒論 9 課題背景 9 全球風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 9 我國發(fā)展風力發(fā)電的必要性 10 風力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展 13 論文的內(nèi)容安排 16 16 17第2章 風力發(fā)電系統(tǒng)介紹 18 風力發(fā)電的理論基礎(chǔ) 18 風力發(fā)電機的組成結(jié)構(gòu) 21 風力機的分類及功率控制方法 22 本章小結(jié) 25第3章 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計 26 最大功率點跟蹤算法的分類 26 葉尖速比控制算法TipSpeed—Ratio(TSR)Control 26 功率信號反饋算法Power Signal Feedback(PSF)Control 27 登山搜索算法Hi llclimb Searching(HCS)Control 28 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計 31 本章小結(jié) 37第4章DC／Dc變換器的設(shè)計 38 DC/DC變換器概述 38 DC/DC變換器參數(shù)設(shè)計及其仿真 39 本章小結(jié) 42第5章變速風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真與分析 43第1章 緒論 課題背景目前，作為世界能源主要支柱的石油、天然氣、煤炭等不可再生資源的儲量非常有限。因此必須采取可持續(xù)化發(fā)展戰(zhàn)略，利用科技手段開發(fā)潔凈綠色的可再生能源，研究風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能、海洋能發(fā)電等環(huán)保型可再生能源。風電與火電等傳統(tǒng)電力相比，最大的競爭劣勢就是成本較高、經(jīng)濟性不好。隨著風電技術(shù)的同趨成熟，依靠風力發(fā)電來增加能源供應(yīng)的方式越來越受到世界各國的青睞。(2)能源利用技術(shù)落后，能源利用效率低目前，中國在能源利用技術(shù)方面與世界其他國家存在著較大的差距，能源效率僅為32％，約低于世界平均水平10個百分點；、是世界平均水平的3倍。世界風能總量為210”，大約是世界總能耗的3倍；如果風能的l％被利用，則可以減少世界3％的能源消耗。根據(jù)國家發(fā)改委的長期產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，中國的風電裝機規(guī)劃為2005年完成100萬kΩ，2010年500萬kΩ，2015年i000萬kΩ，2020年3000萬kΩ，屆時風電裝機占全國電力裝機的2％。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊風力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，我國在這種國際形勢下更應(yīng)該加大對風能利用的研究。我國政府己通過立法將可再生能源納入國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)新能源尤其是風能資源已成為中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。變槳距發(fā)電技術(shù)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。變速恒頻發(fā)電技術(shù) 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。發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過逆變器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。高速同步發(fā)電機組在同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間使用變頻器，轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的耦合問題將得以解決，變頻器的使用，使風力發(fā)電機可以在不同的速度下運行，并且使發(fā)電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩得以控制，從而減輕傳動系統(tǒng)應(yīng)力，通過對變頻器電流的控制，就可以控制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，而控制電磁轉(zhuǎn)矩可以控制風力機的轉(zhuǎn)速，使之達到最佳運行狀態(tài)。永磁直驅(qū)或半直驅(qū)風力發(fā)電機采用永磁材料并通過適當?shù)脑O(shè)計提高發(fā)電機極對數(shù)以減小發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)風力機直接驅(qū)動或通過低轉(zhuǎn)速比齒輪變速裝置半直接驅(qū)動發(fā)電機。針對DC/DC變換選用了boost升壓電路，然后對變換阻抗的DC／DC變換器進行了具體設(shè)計。風輪實際能得到的有用功率輸出為 P=ρSv3CP (214)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λ和槳距角β：葉尖速比λ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。(3)發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?9)整流和逆變系統(tǒng)：完成電力變換。在低風速段運行時，采用小電機使槳葉具有較高的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。主動失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是具備了定槳距失速型的特點，并在此基礎(chǔ)上進行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊，控制較為容易，輸出功率較平穩(wěn)。變速恒頻通常結(jié)合變槳距實現(xiàn)額定風速以下和額定風速以上兩個階段的功率控制。應(yīng)用于風力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機采取特殊的設(shè)計方案，其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時，發(fā)電機仍然可以工作，因而在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中使風輪機與永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機的維護工作，并且降低了噪音。圖31所示為TSR的控制原理框圖，將風速v和風力機轉(zhuǎn)速ω的測量值作為控制系統(tǒng)的輸入信號，通過計算得出風力機此時的實際葉尖速比λ，然后與風力機的最佳值，相比較，所得誤差值用來對風力機的轉(zhuǎn)速進行控制，直到風力機運行在最佳葉尖速比上。如果只是當前風速下風力機的最大功率輸出點，ω1是此時風力機實際的風輪轉(zhuǎn)速，PSF控制算法將由該轉(zhuǎn)速ω1，根據(jù)最大功率曲線計算出相應(yīng)的最大輸出功率，并將它作為風力機輸出功率的給定值；由于風力機此時的輸出功率只小于風力機實際捕獲的機械功率，風力機的轉(zhuǎn)速ω將從逐漸增加到ω0，隨著轉(zhuǎn)速ω的增加風力發(fā)電系統(tǒng)在PSF的控制下最終將運行在最大功率點P0上。每條曲線的形狀就像一座小山，有了這種關(guān)系，我們就不需要知道任何P(ω)曲線的細節(jié)，也不需要知道實際的風速v，只需要檢測風力機的轉(zhuǎn)速ω和輸出功率P的改變，根據(jù)登山搜索算法來搜索最佳的參考速度，在該速度下風力機的輸出功率最大，即為山坡的頂點。重復這個過程直到系統(tǒng)運行點為(ω1,P1)， 這時即為風速下的最大功率點。 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計在綜合分析研究以上三種最大功率點跟蹤控制算法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本節(jié)提出了一種新的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法即根據(jù)風力機的輸出功率和轉(zhuǎn)速的變化來確定風力機實際工作點(即確定風力機的實際運行狀態(tài)點)與該風速下的最大功率點(MMP)的關(guān)系：在風力機的運行過程中實際工作點是在趨向于最大功率點還是在背離最大功率點，并以此作為調(diào)節(jié)圖31的風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中的雙重Sepic變換器PWM觸發(fā)脈沖的脈寬大小，以調(diào)節(jié)三相不控整流橋輸出端電容上的電壓值，實現(xiàn)對風力機的變速控制，使風力機跟蹤最大功率點：該方法不需要知道風力機的最佳功率曲線，也不需要測量風速。圖39 風力機狀態(tài)點趨向于最大功率點(4)P(k1)P(k)且ω(k1)ω(k)表示轉(zhuǎn)速增加后，風力機輸出功率減小了，根據(jù)這一關(guān)系可以確定，K1時刻與k時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的右側(cè)(如圖310)，且K時刻的狀態(tài)點比Kl時刻的狀態(tài)點遠離最大功率點。三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波與積分器輸出的帶有轉(zhuǎn)速控制信息的調(diào)制波相比較后就得到所要的PWM觸發(fā)脈沖，用來調(diào)節(jié)三相不控整流橋輸出端電容上的電壓，進而對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以及風力機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤該控制算法的缺點是當風力機的慣性比較小時，控制效果比較好；而對于大慣性的風力機，則控制效果非常差，幾乎達不到對最大功率點的跟蹤。由此得到以下方程：Udc1Idc1ton=（Udc2Udc1）Idc2toff(41) 因兩邊電流相等，用占空比α表示為:Udc2=Udc1(ton+toff)/toff= Udc1/(1α)(42)其中占空比α表示為： α= ton/(ton+toff)(43)當風力發(fā)電機輸出電壓隨風速變化時，DC—DC變換器的輸入電壓Udc1也隨之改變，通過調(diào)節(jié)PWM觸發(fā)脈沖的占空比α大小，使輸出電壓Udc2不變。因此，本文功率開關(guān)器件選擇使用IGBT。模擬電感值為30mH。與相電壓Us和Is之間的關(guān)系如下： Udc1= （412） Idc1= （413）在確定總體控制策略的基礎(chǔ)上，對負載變換的DC／DC變換器進行了設(shè)計以及對不控整流器進行了概述。Sepic變換器輸出端的濾波電容大小為47000e6F。圖58 風力機輸出相電壓電壓經(jīng)過主電路和控制電路作用后的負載電壓如圖58示。永磁同步電機的優(yōu)秀性能使它獲得了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)越的特性和節(jié)能效果使其在兆瓦級風力發(fā)電機領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?。在畢業(yè)設(shè)計期間，閆老師淵博的知識、敏銳的洞察力、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和豐富的經(jīng)驗都給我留下了深刻印象，使我系統(tǒng)的掌握了科學研究的基本手段、方法，令我受益終身。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。確定自己需要做哪些理解，工作，同時對自己所需解決的問題有個清楚的脈絡(luò)。 利用MPPT控制策略設(shè)計一個適合于直接驅(qū)動型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器 不控整流器加BOOST電路加并網(wǎng)PWM變換器結(jié)構(gòu) 為了解決不控整流器加并網(wǎng)PWM變換器并網(wǎng)電壓較低的缺點，在不控整流器和并網(wǎng)PWM變換器之間可以加入一級BOOST升壓電路圖1)，可以有效地提高并網(wǎng)電壓避免并網(wǎng)失敗。 建立數(shù)學模型。 4．咨詢法，.遇到不懂的地方，向老師和同學請教，在獨立完成畢業(yè)設(shè)計的前提下，在一定程度上與同學合作。如何實現(xiàn)最大功率跟蹤，一直是風電機組控制中的熱點問題。 主要參考文獻 【1】葉杭冶．風力發(fā)電機組的控制技術(shù)【M】．北京機械工業(yè)出版社，2006． 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matlab、simulink和等等做好仿真。該電路之所以能使輸出電壓高于輸入電壓，關(guān)鍵在于兩個原因：一是電感儲能具有電壓泵升的作用；二是電容數(shù)值較大使電壓近似穩(wěn)定。相比速度控制，該方法省去了風速測量。綜合資源、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保各因素，具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的風力發(fā)電是解決我國電力和能源緊缺的重要戰(zhàn)略選擇。在21世紀，能源結(jié)構(gòu)也正孕育著重大的轉(zhuǎn)變。鑒于國外已經(jīng)推出商品化的兆瓦級永磁同步風力發(fā)電機，而我國在這一領(lǐng)域的理論研究才剛剛起步，實用化的產(chǎn)品還是空白，所以本文的研究具有較重要的意義。通過登山搜索控制，再經(jīng)控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生變化的PWM觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)對發(fā)電機及風力機的變速運 行控制以及對最大功率點的跟蹤，從而驗證了該MPPT控制策略的正確性。系統(tǒng)輸出功率如圖57所示。圖51 主電路仿真模型三相不控整流橋中選用的二極管為普通二極管，其正向電流定額和反向電壓定額分別可達數(shù)千安和數(shù)干伏以上；雖然其反向恢復時間一般為5us，適用于開關(guān)頻率再lkHz以下的整流電路中，由于本仿真系統(tǒng)中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不是很高，整流二極管的開關(guān)頻率遠在lkHz以下，所以選用普通二極管來構(gòu)建三相整流橋是合適的。為簡化分析，如果忽略線路漏感等影響，設(shè) Ulm為線電壓峰值。 儲能電感L的選擇電感器本身就是一個儲能原件，其儲存的電能與自身的電感和流過它本身的電流的平方成正比：E=L*I*I／2。IGBT是在MOSFET基礎(chǔ)上研制成功的，它兼有功率MOSFET高輸入阻抗、高速特點和巨型晶體管大電流密度特性，具有安全工作區(qū)寬、易于并聯(lián)等獨特優(yōu)點，IGBT被認為是理想的新型電力電子器件。圖41 Boost等效電路假設(shè)等效電路的電感和電容足夠大，開關(guān)器件 電流經(jīng)電感平穩(wěn)，輸出直流電壓經(jīng)電容得到平穩(wěn)的Udc2。比例系數(shù)C用來調(diào)節(jié)sepic變換器的PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率，比例系數(shù)C選的越大，則PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率就越快，風力機轉(zhuǎn)速的變化率就越大，相應(yīng)地對最大功率點的跟蹤速度就越快，但是太大的轉(zhuǎn)速的變化率容易引起風力機輸出功率的大幅度的波動。圖38 風力機運行狀態(tài)點偏離最大功率點