【正文】 的風能資源是十分豐富的，而且風力發(fā)電具有無污染、施工周期短、投資靈活、占地少、造價低等顯著優(yōu)勢。每次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生質的飛躍。／Simulink軟件建立仿真模型，驗證了控制方法及實現(xiàn)最大功率跟蹤的正確性和有效性。仿真結果表明，隨著風速的變化，風機捕獲功率基本與系統(tǒng)輸出功率一致。圖55 系統(tǒng)輸出電壓此時的占空比為32%，如圖56所示。主電路仿真模型如圖51所示。如果忽略電路損耗，則認為整流器的輸入功率和輸出功率相等，即有： 3UsIs=Udc1Idc1 (410）其中Udc1，Idc1分別為直流側電壓和電流。整流器的主要元件是整流管，在三相全波橋式整流電路中．風力發(fā)電機組的輸出電壓與輸出電流隨風速波動很大，整流管的參數(shù)應根據(jù)其在電路中可能承受的最大正、反向峰值電壓和流過的最大工作電流來選擇。下面就它的實際工作情況做一個簡要分析。為了便于分析，用一等效直流電源代替發(fā)電機和二極管整流后所得電壓，逆變后的部分可看作 Boost變換器輸出端的負載阻抗，用一負載電阻RL代替，則斬波器的等效電路如圖41所示?？刂品娇驁D如圖311：圖311 登山搜索控制框圖風力機的輸出功率P、轉速ω經(jīng)過延時比較后得到各自的變化量△P, △ω；邏輯判斷是根據(jù)△P, △ω值的正負關系判斷出風力機的實際工作點與最大功率點的位置關系：如果△P*△ω O，則說明此時風力機的輸出功率和轉速同時增加或同時減小，因而風力機實際工作點在最大功率點左側，判斷結果確定為1即邏輯判斷器輸出為1：如果△P*△ω0，則說明此時風力機輸出功率和轉速的變化方向相反，即輸出功率在增加而轉速卻在減小，或者輸出功率在減小而轉速卻在增加，因此風力機的實際工作點在最大功率點右側，判斷結果確定為1即邏輯判斷器輸出為l。因此必須改變轉速的變化趨勢既增加轉速直到最大功率點。HCS能夠成功地應用于無慣性的太陽能變換系統(tǒng)中和慣性很小的小型風力發(fā)電系統(tǒng)。登山搜索算法包括以下幾個步驟：(1)選擇初始的參考轉速和步長并測量風力機的輸出功率：(2)通過某一步長來增加或減小參考轉速并再次測量風力機的輸出功率：(3)計算Sign(△P)和Sign(△ω)(4) (n)= (n1)+Sign(△P)Sign(△ω) (5)從步驟三開始重復直到搜索到最優(yōu)的運行點。圖3—4為風力機輸出功率與轉速的關系圖。而且由于風速的隨機性和不確定性，該控制算法會引起風力機輸出功率的劇烈波動。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第3章 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設計 最大功率點跟蹤算法的分類變速風力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤控制算法近年來成為了一個熱門的研究課題，盡管這些算法是基于不同的功率變換器拓撲結構，但根據(jù)它們的控制原理可以大致分為三類：葉尖速比控制算法、功率信號反饋算法、登山搜索算法。齒輪箱隨著發(fā)電機組功率等級升高，成本變的很高，且很容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護，可靠性差，加入齒輪箱也影響了傳動系統(tǒng)的效率，同時齒輪箱也是風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染的一個主要因素。在額定風速以下時主要調節(jié)發(fā)電機反力轉矩使轉速跟隨風速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；變速恒頻的優(yōu)點是大范圍內調節(jié)運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度吸收風能，因而效率較高，但控制系統(tǒng)較為復雜。(3)主動失速調節(jié)型風力發(fā)電機組將被動失速和變槳距調節(jié)兩種風力發(fā)電機組的優(yōu)點相結合，槳葉采用失速特性，調節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調節(jié)。以獲得最大的起動力矩。現(xiàn)在大多數(shù)的風力發(fā)電機都是水平軸三葉片的風機，垂直軸的風機由于葉片固定，功率不易控制，商業(yè)應用很少。(7)塔體和基礎：塔架是支撐機艙的結構部件，它使風力機風輪處在較為理想的高度上運轉，也是安裝維護人員上下機艙的通道。結構如圖22所示：圖22 風力發(fā)電機結構圖(1)風輪：由葉片和輪轂組成，是風力發(fā)電機組獲得風能的關鍵部件，將捕獲的風能轉變?yōu)闄C械能。假定空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可知： S1v1=S2v2=Sv (24)風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出 F=ρSv(v1v2) (25)式中F：作用力故風輪吸收的功率為 P=Fv=ρSv2(v1v2) (26)式中P：吸收的功率此功率是由動能轉換而來的，從上游到下游動能的變化為 △E=1/2ρSv(v1v2) (27)令P=△E，可以得到 v=(v1+v2)/2 (28)作用在風輪機上的力和提供的功率可寫為 F=1/2ρSv(v12v22) (29) P=1/4ρSv(v12v22) (210)對于給定的上游速度，可寫出以為函數(shù)的功率變換關系，將上式微分得到： dP/dv2=1/4ρSv(v122v1v23v22) (211)令dP/dv=0，求解可得到：v2=v1/3，將其代入P的表達式，得到最大功率為： Pmax=8/27ρSv13 (212)最大風能利用系數(shù) Cpmax=Pmax/(ρSv13)= (213) 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。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。低速永磁直驅發(fā)電根據(jù)風能資源的特點，風力機通常以轉速(20～30r／min)旋轉，而常見的風力發(fā)電機由于極對數(shù)較小因此額定轉速較高(如：4極電機額定轉速為l 500r／min)。因此目前雙饋發(fā)電機己經(jīng)成為主流的風力發(fā)電機。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。地球上風能資源蘊藏豐富，是一種清潔、廉價的可再生能源。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權的風力發(fā)電系統(tǒng)具有極大的產(chǎn)業(yè)化和市場發(fā)展前景，同時能夠提高我國風力發(fā)電的技術水平，提高我國風電行業(yè)在國際上的行業(yè)競爭力。我國具有非常豐富的風力資源，國家非常重視風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。(4)能源結構不合理中國能源以煤為主，這遠遠偏離當前世界能源消耗以油氣等優(yōu)質能源為主的基本趨勢和特征。隨著中國經(jīng)濟發(fā)展的提速，社會發(fā)展日新月異，人民生活水平不斷提高，但是這很大程度上是以犧牲大量資源、破壞生態(tài)環(huán)境為代價的。估計到2020年，陸上風機的總體造價還可以下降20％25％，海上風機的造價可以降低40％以上，發(fā)電成本可以同幅下降。作為能源領域增長最快的行業(yè)，風電行業(yè)共為全球提供了近20萬個就業(yè)機會，僅2006年風電場建設投資就接近170億歐元。據(jù)美國能源信息署(EIA)統(tǒng)計，1990年世界二氧化碳的排放量約為215．6億噸．2001年達到239．0億噸，2010年為277．2億噸．預計2025年達到371．2億噸，年均增長1．85％。鑒于DCDC直流環(huán)節(jié)在能量傳輸中的重要性，本文專門研究了Boost變換器在變速風力發(fā)電系統(tǒng)中所起的作用。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。風力發(fā)電系統(tǒng)所采用的功率變流器和最大功率點的跟蹤控制策略提供了基本的研究平臺，以完成本課題的研究。已探明的石油儲量將于20102035年耗掉800；而天然氣和煤，從現(xiàn)在算起。 全球風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景在政策的鼓勵下，20032007年，全球風電平均增長率為24．7％。在風能資源較好的地方，風電完全可以和燃煤電廠競爭，在某些地區(qū)甚至可以與燃氣電力匹敵。 我國發(fā)展風力發(fā)電的必要性人類利用風能的歷史可追溯到中世紀甚至更早，最初是將風能轉換為機械能，以后則是電能。目前能源消耗構成中煤炭占67％，過分依賴消耗煤炭能源造成了嚴重的煤煙型環(huán)境污染。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，年增長率達到27％。(2)通過自主研發(fā)，提升風力發(fā)電機組的國產(chǎn)化率和行業(yè)競爭力我國風力發(fā)電起步較晚，目前全國已建成60多個風電場，裝機規(guī)模達到了100多萬kW，裝機量以每年20％以上的速度遞增。我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸難以解決供電問題。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。當功率在額定功率以下時，控制器將葉片節(jié)距角置于0176。當風速接近額定點，風能利用系數(shù)開始大幅下降。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。通過對發(fā)電機的控制使風力機運行在最佳葉尖速比，從而使整個運行速度的范剛內均有最佳功率系數(shù)。除具有變速恒頻運行、有功無功獨立可調以及良好的運行穩(wěn)定性以外，同步發(fā)電機還具有以下特點：電機制造技術成熟、運行可靠且無需定期維護，特別適用于海上風電場等維護與檢修困難的場合；交直交變頻器中的交一直變換可采用二極管整流+直流斬波，結構簡單；發(fā)電機發(fā)出的全部功率均通過變頻器，較雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收困難；在相同的條件下，同步發(fā)電機的調速范圍比異步發(fā)電機更寬。 論文的內容安排 掌握直驅永磁同步風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制的原理利用MPPT控制策略設計一個適合于直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器建立數(shù)學模型。貝茲定理：由風力機氣動理論一貝茲定理，假定風輪是理想的，也就是說沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風輪時沒有阻力，此外，假定氣流經(jīng)過整個風輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向。定槳距風力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定，不能變化。(5)偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)根據(jù)風向標接受的信息，由控制系統(tǒng)自動執(zhí)行機艙的偏轉，使風輪始終處于迎風狀態(tài)。并網(wǎng)型發(fā)電機組功率較大，直接并入電網(wǎng)。其缺點是與變槳距風機相比葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。變槳距調節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。因此對于風能系統(tǒng)而言，如果可以根據(jù)風速的變化對發(fā)電機轉速進行控制以使風輪捕獲到最大的風能，會對風能系統(tǒng)的整體效率有相當大的提升。調節(jié)風輪轉速，使轉速跟隨風速變化，獲得最大的風能；在額定風速以上，由于傳動系統(tǒng)負荷增加，調節(jié)范圍窄，因此主要依靠變槳距調節(jié)來改變葉片的角度，從而改變風能利用系數(shù)的值，將功率調整在額定功率，保證功率平穩(wěn)輸出。本課題就變速恒頻、永磁直驅風力發(fā)電機進行研究分析。缺點是需要預先得到風力機的最佳葉尖速比需要測量風速v和風力機風輪角速度ω。圖33即為PSF算法的控制原理框圖圖33 PSF控制原理圖該控制算法的優(yōu)點是能夠有效地避免風力機輸出功率的波動，控制原理比較簡單。如果風力機速度保持恒定而風速發(fā)生變化，工作點將會沿著圖3—5中垂直軸線移到另一條P(ω)曲線上?，F(xiàn)在，假如風速變化為v2，運行點將會移到(ωF,PF)，則：△P =PFP3 0 ,Sign(△P)=1 (35)△ω=ωFω3=0 ,Sign(△ω)=1 (36) ωref=ω3ωref在這種情況下，轉速將會降低，風機運行點為(ωG,pG)。根據(jù)這一關系可以確定，kl時刻與K時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的左側(如圖37)，且k時刻的狀態(tài)點比k1時刻的狀態(tài)點更加接近最大功率點。圖310 風力機運行狀態(tài)點偏離于最大功率點綜合以上四種情況，本節(jié)所提出的最大功率點跟蹤算法可以歸納為：根據(jù)風力機輸出功率和轉速的變化趨勢，判斷出風力機的實際運行狀態(tài)點與最大功率點的位置關系，即當P(k1)P(k)且ω（K1) ω（K）或者P(k1)P(K)且ω（K1）ω(K)時，說明輸出功率和轉速的變化趨勢相同，根據(jù)輸出功率與轉速的關系可以判定：此時風力機的運行狀態(tài)點在最大功率點的左側，所以要提高風力機的轉速，直到風力機運行在最大功率點上。并著重對爬山搜索法控制進行了詳細分析、描述。 DC/DC變換器參數(shù)設計及其仿真l、功率開關器件在DC／DC變換器應用中，我們需要控制電子開關以控制電路導通時間。整流二極管具有明顯的單向導電性，整流二極管可用半導體鍺或硅等材料制造。它的用途廣泛，是電子、電力領域中不可缺少的電子元件，主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、隔直流等電路中。應用Matlabr2011b軟件中的仿真工具箱Simulink里的相關模型建立了變速風力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤控制的仿真系統(tǒng)見下圖5—1。 控制電路采用了登山搜索法，仿真電路如圖52所示。系統(tǒng)輸出功率如圖510所示。熟悉了水平軸風力發(fā)電機的結構和各種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)方案，介紹了風力發(fā)電機的各種控制方法。在半年的學習和生活中，他們給予我很大的幫助和支持。風力發(fā)電作為一種新型的可再生能源，是全球范圍內增長最快的一種能源形式，具有環(huán)境友好、技術成熟、全球可行的特點，在世界各地得到越來越廣泛的應用H1。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。當功率開關S0導通時．電源向電感充電，同時電容向負載供電，設導通的時間為ton，此段時間電感上儲存的能量為UdciIdclton。制定研究方案和專題研究計劃，搜索、整理、歸納研究中所獲得的文獻資料，以及怎樣開展研究等等。 2.（5—8周）完成主電路和控制電路方案選擇，對所設計的系統(tǒng)進行理論分析。 (2)變槳距發(fā)電技術 變槳距風力發(fā)電機組與定槳距JxL。 4.（13—16周）系統(tǒng)仿真實驗研究。 ：整理研究所有資料