【正文】 風力機特性 風力機把風能轉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。從上游至下游動能的變化為 22121 ()2E sv v v?? ? ? () 令 PE?? ，可以得到 122vvv ?? ()因此，風作用在風輪葉片上的力 F 和風輪輸出功率 P 分別為 15 22121 ()2F s v v??? () 221 2 1 21 ( ) ( )4P s v v v v?? ? ? () 風速 1v 是給定的， P 的大小取決于 2v ， P 是 2v 的函數(shù)，對 P 微分求最大值，得 221 1 2 221 ( 2 3 )4dP s v v v vdv ?? ? ? () 令2 0dPdv? ，解方程得 2113vv? ，將其帶入 P 的表達式，得到最大功率為 3max 1827P sv?? () 將上式除以氣流通過掃掠面 s 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 31m a xm a x 331181627 0 .5 9 311 2722svPsv sv????? ? ? ? () 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動能。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]。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。垂直軸風力機葉片的尖速比要小得多，低轉速基本上不產(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 )。本文主要研究的是采用 定 槳距，變轉速發(fā)電機的變速風力發(fā)電 系統(tǒng)。風輪是吸收風能并將其轉化成機械能的部件，風以一定的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉力矩而轉動，將風能轉變成機械能，進而直接驅動永磁同步發(fā)電機發(fā)電機。簡單介紹風力發(fā)電技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展。試驗表明，在平均風速 ，變速風電機要比恒速風電機多捕獲 15％的風能。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質量輕的碳纖維。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。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。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。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。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。 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。風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)從新疆、內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。其總裝機容量為 9149MW，排西班牙之后，居世界第三。截止 2020 年 12 月 31 同，德國裝機容量達到 18428MW，比 2020年新增 ，增長 %。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。盡管從全能量系統(tǒng)的觀點來看，在風電 3 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。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。第二，我國農(nóng)村小康建設的需要。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?？稍偕茉醇夹g包括開發(fā)和利用可再生能源的各種技術。 本文在分析國內外風力發(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)的總體結構和各組成部分的結構及其運行原理，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。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 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送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真 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 2020 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 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。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本文以直驅式永磁同步風力發(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。可再生能源主要是指水能、太陽能、風能、生物質能、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)境構成威脅。在 21 世紀的數(shù)十年內，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。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。 表 未來世界能源需求 地區(qū) 2020 需求量 比例 % 2020 需求量 比例 % 2025 需求量 比例 % 北美 歐洲 亞洲 中東 非洲 南美洲 世界 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。而且風取之不盡，用之不竭，不存在資源衰竭問題；同時在風能的轉換過程中，基本不消耗化石能源，因而不會對環(huán)境構成嚴重威脅。 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)。 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。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。 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。而 3000萬 kW占當時全國總電力裝機的3%，風電電量只占 %。槳葉的這一特性被稱為自動失速性能。當功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整葉片距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。 7 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)。在額定風速以下時，主要調節(jié)發(fā)電機反力矩使轉速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比，因此可作為跟蹤問題來處理。兆瓦級風力機逐步成為國際風電市場上的主流產(chǎn)品。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。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。 9 主要研究內容 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。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。其中又有定槳距和變槳距風輪，定轉速和變轉速發(fā)電機。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。 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。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。如圖 ： v 1S 1SvS 2v 2 圖 貝茲理論計算簡圖 于是 1 1 2 2s v s v sv??，風作用在葉片上的力由歐拉定 理求得 21()F sv v v??? () 式中 F ：作用力 ? ：空氣密度 故風輪吸收功率為 2 21()P Fv sv v v?? ? ? () 此功率是由動 能轉換而來的。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]。 、 10。 。因而發(fā)電機的輸出電壓及頻率都將不恒定。而且存在一個最佳的葉尖速比 opt? ，使得在此葉尖速比下的風能利用系數(shù) maxpC 為最大，此時的 opt? 和 maxpC 分別稱為最佳葉尖速比和最大風能利用系數(shù)。 風 力 機 發(fā) 電 機控 制 器最 佳 轉 速 計 算轉 速 測 量ww r e f風 速 信 號功 率 輸 出+ 圖 最佳葉尖速比控制法原理圖 該方法需要測量風速、轉速，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。將由第二章得到的最佳風能利用系數(shù) maxpC = opt? = ()，并且，取風力機半徑 R=35m，空氣密度 ? = 3/kgm 此時式 ()對應的電功率和轉速的曲線就是最佳電功率曲線。也就是說，當風車的功率一直增加時，保持轉速指令增加 (或減小 )的方向不變，當風車的功率減小時，原來轉速指令在增加的就要變成減小，原來轉速指令減小 的就要變成增加，即將轉速指令的擾動 ()n?? 反號。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。 由式 ()知風力機獲得的功率： 312 pP sv C?? 風力機的機械功率測量需要轉矩測量裝置，實現(xiàn)起來比較困難，所以可以通過測量發(fā)電 21 機輸出電功率代替機械功率用于控制過程計算。因此無論是那種風力機，其風能跟蹤的思想是相通的。 風力機的最大功率跟蹤是指在額定風速以下，通過調節(jié)風輪轉 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。 本章小結 本章 首先 宏觀介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的構成，然后具體介紹了本文將用到的風力機和直驅式永磁發(fā)電機。 如果保持槳葉節(jié)距角 ? 不變，風能利用系數(shù) pC 只與葉尖速比有關系，則可用一條曲線描述 ()pC? 特性，這就是定槳距風力機的性能曲線 (? =0。 風力機可分為變槳距和定槳距兩種。 風輪實際能得到的有用功率輸出為 312 pP sv C?? () 葉尖速比 除了風能利用系數(shù) pC 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 ? 。 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： 212E mv? () 式中 E ：氣流動能 m : 氣流質量 v ：氣流速度 設單位時間