大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用.doc

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

本科毕业设计（论文）

最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

***

燕山大学

年月

摘要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。

常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。

因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视。

近年来人类所取得的高新科学技术应用于风力发电系统中，不断提高风能的变换效率和质量，具有十分重要的意义。

风能资源属于自然现象，所以对风力资源的开发和利用具有许多不便的方面。

本文主要研究变速风力发电系统最大功率点的跟踪问题，以使风力机在处于额定风速以下时能够实现最大风能捕获。

风力发电系统所采用的功率变流器和最大功率点的跟踪控制策略提供了基本的研究平台，以完成本课题的研究。

为了将风能输送给电网，变速风力机要有变流器将发电机发出的电压和频率都不断改变的电能转换成恒频恒压的电能，再传输给电网。

本文采用了变速风力机，永磁发电机，三相AC-DC-DC-AC变流器，变压器等构建了变速风力发电系统。

鉴于DC-DC直流环节在能量传输中的重要性，本文专门研究了Boost变换器在变速风力发电系统中所起的作用。

本文接着阐述了变速恒频风力发电系统最大功率输出原理，分析对比了几种常见的风能跟踪算法，对爬山算法进行了着重研究。

关键词：

变速风力机，永磁发电机，最大功率点跟踪，AC-DC-DC-AC变换器，Boost变换器

最后用matlab仿真工具建立了风力发电控制系统的仿真模型，实现风力机最大功率点追踪MPPT（MaximumPowerPointTracking）控制。

Abstract

Theenvironment，energyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhuman．Mainly，Conventionalenergyarecoaloilandnaturalgas．Itisnotonlyrestricted，butalsocausingseriousairpollution．Therefore，theutilizationofrenewableenergyespeciallywindpowerdevelopmentisregardedbymanycountryintheworld．Intherecentyear，thehumanusedhigh—techappliedtowindpowersystem，Continuouslyimprovingtheefficiencyandqualityofthewindpowerhavegreatsignificance．Windenergyresourcesbelongtothenaturalphenomenon，Sothedevelopmentanduseofthewindresourcehavemanyinconvenience.Thisthesisfocusesontheproblemofmaximumpowerpointtrackingforachievingthemaximumwindenergytrackingofvariablespeedwindturbinepowergenerationsystemsatlowwindspeed．Powerelectronicconvertersandmaximumpowerpointtrackingstrategysinwindgeneratorsystemsprovidethebasicplatformtoaccomplishtheresearchofthisthesis．

Inordertosendwindenergytoautilitygrid，avariablespeedwindturbinerequiresapowerelectronicconvertertoconvertavariablevoltagevariablefrequencysourceintoafixedvoltagefixedfrequencysupply．Variablespeedwindturbine、permanentmagnetgenerator、three--phaseAC-DC-DC-ACconverteraswellastransformer,areintroducedinthethesisforestablishingvariable-speedwindenergyconversionsystems.Furthermore，astheimportantsectionofDClinktodeliverpowerofenergyintheconvertersystem,Boostconverterareintroducedandspecificallyanalyzedinthisthesis．

Second，introducedtheprincipleofmaximumpoweroutputofVSCFwindpowergenerationsystem，analyzedandcomparedofseveralfamiliarwindpowertrackingalgorithm，especiallyclimbingalgorithm．

Atlast，setupthewindpowersystemmodelbymatlabtool，andachievedwindturbinemaximumpowerpointtracking（MPPT）．

Keywords：

Variablespeedwindturbine，Permanentmagnetgenerator,Maximumpowerpointtracking，AC—DC—DC—ACconverter,boostconverter

目录

摘要 4

Abstract 5

第1章绪论 9

1.1课题背景 9

1.1.1全球风电产业的发展现状及前景 9

1.1.2我国发展风力发电的必要性 10

1.2风力发电技术的现状及发展 13

1.4论文的内容安排 16

1.4.1主要研究工作 16

1.4.2论文结构安排 17

第2章风力发电系统介绍 18

2.1风力发电的理论基础 18

2.2风力发电机的组成结构 21

2.3风力机的分类及功率控制方法 22

2.4本章小结 25

第3章最大功率点跟踪控制系统的设计 26

3.1最大功率点跟踪算法的分类 26

3.1.1叶尖速比控制算法Tip-Speed—Ratio（TSR）Control 26

3.1.2功率信号反馈算法PowerSignalFeedback（PSF）Control 27

3.1.3登山搜索算法Hill-climbSearching（HCS）Control 28

3.2最大功率点跟踪控制系统的设计 31

3.3本章小结 37

第4章DC／Dc变换器的设计 38

4.1DC/DC变换器概述 38

4.2DC/DC变换器参数设计及其仿真 39

4.3本章小结 42

第5章变速风力发电系统的仿真与分析 43

第1章绪论

1.1课题背景

目前，作为世界能源主要支柱的石油、天然气、煤炭等不可再生资源的储量非常有限。

近年来在世界能源消费构成中，占能耗比重展大的是石油，其次是煤和天然气，这些都是非可再生能源资源。

已探明的石油储量将于2010-2035年耗掉800；而天然气和煤，从现在算起。

天然气只能再用40-80年，煤可再用200-300年。

随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。

据美国能源信息署（EIA）统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为215．6亿吨．2001年达到239．0亿吨，2010年为277．2亿吨．预计2025年达到371．2亿吨，年均增长1．85％。

稳定、可靠和清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障，石油、天然气、煤等化石能源在上两个世纪无疑促进了人类文明的进步和发展。

但是，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感受到了环境恶化的威胁，能源危机及其带来环境污染成为阻碍人类进一步发展的桎梏。

因此必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发洁净绿色的可再生能源，研究风力发电、太阳能发电、生物质能、海洋能发电等环保型可再生能源。

全球已有35个发达国家和100个发展中国家制定了全国性的可再生能源的发展目标。

1.1.1全球风电产业的发展现状及前景

在政策的鼓励下，2003-2007年，全球风电平均增长率为24．7％。

2007年，全球大约生产了2000亿千瓦时风电电力，约占全球电力供应的1％，全球风电新增装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。

2008年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。

作为能源领域增长最快的行业，风电行业共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元。

目前在全球范围内，欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机容量最大的国家，装机容量超过2000万千瓦，美国和西班牙也都超过了1000万千瓦。

印度是除美国和欧洲之外新增装机容量最大的国家，装机总量也超过了600万千瓦。

风电与火电等传统电力相比，最大的竞争劣势就是成本较高、经济性不好。

经过30年的努力，随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4-6美分。

在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌。

尽管风电还存在着如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展等方面的问题，但在市场逐步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显、特别是政策环境前景非常明朗的情况下，世界各国都对风电发展充满了信心。

全球风能理事会对风力发电的成本下降进行了研究，认为风力发电的成本下降60％依赖于规模化发展，40％依赖于技术进步。

估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降20％-25％，海上风机的造价可以降低40％以上，发电成本可以同幅下降。

欧美都公布了2030年风电发展目标，提出了2030年风电满足20％甚至更多电力需求的宏大目标，届时都将发展约3亿千瓦的规模，这也为全球风电的长期发展定下了基调。

国际能源署2008年颁布的（（2050年能源技术情景》判断，2010-2050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。

随着风电技术的同趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。

以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化发展态势。

1.1.2我国发展风力发电的必要性

人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，以后则是电能。

我国利用风能的历史悠久，迄今已经有数千年，是世界上利用风能最早的国家之一。

远在三千年前，就有了风帆航运，在一千七百年前发明了帆布风车提水机，主要用于农田灌溉、盐池提水、风力磨粉等。

随着中国经济发展的提速，社会发展日新月异，人民生活水平不断提高，但是这很大程度上是以牺牲大量资源、破坏生态环境为代价的。

我国能源发展面临的问题日益突出，概括起来主要有四个方面：

（1）能源资源总量少，优质资源尤其短缺

中国人均拥有能源只有世界平均值的40％，特别是中国石油资源量严重不足，最终可开采储量仅占世界石油可采储量3％左右，剩余可开采储量仅占世界剩余可开采石油储量的1．8％。

因此，中国能源供应将面临长期后备资源不足，特别是优质能源短缺的问题。

（2）能源利用技术落后，能源利用效率低

目前，中国在能源利用技术方面与世界其他国家存在着较大的差距，能源效率仅为32％，约低于世界平均水平10个百分点；单位GDP能源消耗是美国的3.5倍、日本的9.7倍，是世界平均水平的3倍。

（3）环境污染问题日益严峻

中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家。

目前能源消耗构成中煤炭占67％，过分依赖消耗煤炭能源造成了严重的煤烟型环境污染。

中国每吨标准煤的能源消耗，排放的温室气体比世界平均水平高出50％。

在不远的将来，中国将在排放总量上超过美国，成为世界第一大温室气体排放国。

（4）能源结构不合理

中国能源以煤为主，这远远偏离当前世界能源消耗以油气等优质能源为主的基本趋势和特征。

据专家预测，为实现中国2020年国民生产总值翻两番的目标，能源供应至少要翻一番，2020年中国仅用发电的煤耗将需要近14亿吨标煤，能源供应需求量将超过30亿吨标准煤。

面对如此巨大的能源需求和“石油供求不足，煤炭接近开采极限"的严峻形势下，调整能源结构和大规模开发可再生能源成为当务之急。

世界风能总量为2×10”，大约是世界总能耗的3倍；如果风能的l％被利用，则可以减少世界3％的能源消耗。

风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。

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，年增长率达到27％。

风能产业将作为新兴产业在未来20年高速增长，是可再生能源发展的重点，也是最有可能大规模发展的能源之一。

国际能源专家预言：

2l世纪是风力发电的世纪，绿色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。

我国具有非常丰富的风力资源，国家非常重视风电产业的发展。

利用风能来发电，能减少环境污染、保护气候资源，使人类的健康和地球上的生命免受不良影响。

我国发展风电的必要性主要体现在以下几个方面：

（1）实现能源多元化，调整我国当前能源结构

目前，我国可开发和利用的风力资源储量约为10亿kΩ，而目前我国风力发电仅占全国电力装机容量0．11％。

根据国家发改委的长期产业规划，中国的风电装机规划为2005年完成100万kΩ，2010年500万kΩ，2015年i000万kΩ，2020年3000万kΩ，届时风电装机占全国电力装机的2％。

因此，风力发电作为成熟技术的优势对缓解我国电能紧张、改善我国能源结构有重要作用。

（2）通过自主研发，提升风力发电机组的国产化率和行业竞争力

我国风力发电起步较晚，目前全国已建成60多个风电场，装机规模达到了100多万kW，装机量以每年20％以上的速度递增。

目前风电机组主要制造商集中在欧美国家，我国大部分风力发电机依靠进口。

如2004年我国76．4万kW的风电装机容量中，82％的设备来自进口，其中丹麦NECMICON公司的产品就占到中国总装机容量的30％；而大部分国产风力机组，其技术也主要靠国外引进。

因此，研究具有自主知识产权的风力发电系统具有极大的产业化和市场发展前景，同时能够提高我国风力发电的技术水平，提高我国风电行业在国际上的行业竞争力。

（3）减少能源损耗，减少温室气体排放

风能属于可再生能源，风电作为一种温室气体零排放的替代能源技术，被广泛认为有可能在未来取代传统的化石燃料，选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势。

经过计算，平均每装一台单机容量为l兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳（相当于种植276平方千米的树木）、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。

随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，我国在这种国际形势下更应该加大对风能利用的研究。

（4）在解决偏远边区用电、脱贫致富方面发挥重大作用。

我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸难以解决供电问题。

这些地方一般使用柴油或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。

如果能够充分利用该地区的风力资源来解决无电、缺电问题，将大量节约燃料和社会资源，同时还能减少环境污染，有着十分显著的经济效益和社会效益。

地球上风能资源蕴藏丰富，是一种清洁、廉价的可再生能源。

近年来，可再生能源利用的迅猛发展特别是风力发电的高速增长引起了能源界的高度重视。

大力发展风力发电必将对我国的能源结构产生积极的影响，为中国实现可持续发展做出突出贡献。

我国政府己通过立法将可再生能源纳入国家可持续发展战略，开发新能源尤其是风能资源已成为中国实现可持续发展的关键。

1.2风力发电技术的现状及发展

在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有：

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年的风能丌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，功率反尔有所下降。

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说，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：

1、双馈型风力发电机组

双馈异步发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。

双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。

发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。

风力机的机械速度足允许随着风速而变化的。

通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范刚内均有最佳功率系数。

因此双馈异步发电机具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性

以及相对较小的励磁容量等优点，在风力发电技术中，由于双馈发电机能变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接从而大大缓解了机组轴系的机械应力并降低了系统成本。

与此同时，采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率。

因此目前双馈发电机己经成为主流的风力发电机。

2、无刷双馈发电机组

双馈无刷发电机定子有两套级数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。

这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。

3、高速同步发电机组

在同步发电机和电网之间使用变频器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决，变频器的使用，使风力发电机可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力，通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，而控制电磁转矩可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。

同步发电机经全容量变频器接入电网实现变速恒频发电。

除具有变速恒频运行、有功无功独立可调以及良好的运行稳定性以外，同步发电机还具有以下特点：

电机制造技术成熟、运行可靠且无需定期维护，特别适用于海上风电场等维护与检修困难的场合；交直交变频器中的交一直变换可采用二极管整流+直流斩波，结构简单；发电机发出的全部功率均通过变频器，较双馈风力发电系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。

异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩。

因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能做出更快的响应。

4、低速永磁直驱发电

根据