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摘要目前，风力发电技术在全球范围内的应用越来越广泛。其中，风力发电系统功率的轨迹跟踪是风电研究领域十分具有价值的一个方向。本文主要通过对风力发电系统工作原理的分析，以研究可变桨距风力发电机在全风速域下的最优功率点跟踪。在控制策略方面， 本文针对风力发电系统设计了传统PID 控制器和 iPID 控制器。 结果表明， 传统 PID控制方法虽然结构简单且参数易于整定，但跟踪效果较差且容易受到模型参数的影响；而 iPID 控制方法相对来说具有比较好的动态特性和稳态特性，并且对于复杂的系统有更好的适应性。本次研究的所有建模与仿真均基于Matlab/Simulink 平台。28175
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毕业论文关键词 风力发电 变桨距 功率跟踪 Matlab/Simulink
Title The Modeling of Variable Pitch Wind Turbine and the OptimalPower Point Tracking Strategy in Full Wind Speed Domain
Abstract Recently, the application of the wind power technology is getting extensiveglobally. And the power tracking of wind power system is a very valuable case inthe study of this field. This paper is based on the analysis of the wind powersystem’s operating principle and develops the model of the system to study theoptimal power point tracking strategy of variable pitch wind turbine. In controlstrategy, this paper mainly presents the traditional PID controller and iPIDcontroller for the wind power system. The result shows that although thetraditional PID control strategy has a simpler structure and its parameters areeasy to regulate, the tracking effect is not satisfactory and it can be easilyaffected by the parameters; the iPID control strategy has better dynamic andsteady-state performance relatively and its adaptability to complex systems isexcellent. The modeling and simulation of this research are based onMatlab/Simulink platform.
Keywords wind power system variable pitch power tracking Matlab/Simulink
目 次
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究对象 2
1.3 研究内容 3
2 风力发电系统的数学模型 5
2.1 概述 5
2.2 空气动力子系统 6
2.3 发电机子系统 8
2.4 动力传输子系统 10
2 . 5 小节 1 1
3 风力发电系统的控制策略 12
3.1 概述 12
3.2 变桨距控制 13
3.3 内环-电流控制 14
3.4 外环-功率控制 14
3.5 小节 15
4 风力发电系统的建模 1 6
4.1 概述 16
4.2 风力机模型 17
4.3 发电机模型 18
4.4 传动链模型 19
4.5 控制器模型 20
4.6 小节 21
5 仿真结果与分析 2 2
5.1 变桨距控制的仿真 23
5.2 最优功率点跟踪的仿真 24
5.3 小节 26
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 引言近年来，随着电力电子技术和工业控制理论的发展，风力发电在全球范围内的应用越来越广泛，其市场份额也将在整个能源领域内不断扩大。因此，对于有关风力发电问题的研究有其必要性。本文主要研究的是可变桨距的风力发电机的最优功率点的轨迹跟踪问题。图 1.1 风力发电机1.1 课题背景人们普遍认为，化石燃料的燃烧正在对全球气候产生巨大影响，因此有效缓解气候变化需要大大减少温室气体的排放。电力系统相较于其他国民经济行业，被认为是比较容易向低碳的目标转换的。目前，出于对气候变化、能源供应等多样性和安全性方面的考虑，许多国家都开始对风力发电进行了政策上的鼓励，使得风力发电呈现出快速发展的势头。1.1.1 风能风能是地球表面的气体相对流动后所产生的能量，属于可再生能源。在某种意义上，风能是免费的、清洁的、无穷无尽的。人类对风能的利用已有几千年的历史，从古代起，人们就利用风能从事农业活动中的谷物碾磨和抽水等[1]。直到今天，与风能息息相关的各种电力生产活动越来越频繁。目前，全球范围内的风力资源十分丰富，大约为 MW 910 74 . 2 ，其中可利用的风能已经达到了 MW 710 2 . 7 ，超过水能的 10 倍以上[2]。早在几年前，全球的风力发电总容量就已经达到了达到了 GW 50 ，这一数字与其他可再生能源的发电情况相比，已经相当具有优势。在未来的 10 年内，全球用电的需求量大约上升至 MW 710 6 . 2 ，届时即使只使用了三分之一的可利用风能，就可以完全满足世界的用电要求。风电作为一种环保洁净的绿色能源，有着优化能源结构、改善生态环境、促进社会和经济可持续和谐发展等方面的优势，是未来电力能源发展的一个趋势。可见，风力发电作为一项新兴产业，无疑是十分具有前景的[3]。1.1.2 风力发电的发展由于全球范围内的环境污染日益严重，人们对可再生资源利用的重视程度日益提高。而风能作为可再生能源中不可或缺的一员，在近几十年内发展迅猛，已逐渐成为发电领域的主流之一。在二战时期，全球对于资源的需求量急剧增加，许多国家都开始把目光投向还处在理论研究阶段的风力发电技术。20 世纪 40 年代初，美国就已经建造了世界上第一台大型风力发电机组，其额定功率达到了 1250KW。50年代至 60 年代，风力发电技术不论在理论还是实践方面，都一直处于上升的状态。70 年代，石油危机爆发，各国纷纷开始探寻能源转型的道路，风力发电也在这一时段得到极大发展，各种大中型功率发电机应运而生，装机率更是每年都超过了 % 30 以上。80 年代，除美国之外的西方国家不仅着重于新能源的开发，也开始关注节能问题，风能作为一种环保清洁的能源倍受青睐，风力发电成为发达国家支持的重点对象。90 年代， 随着环境恶化问题的日益严重， 风力发电也因此在世界范围内迅速得到发展和支持，成为发电领域重要的一员。我国也就是从上世纪90 年代开始发展风力发电产业， 因此风力发电相较于一些西方国家还处于发展的初级阶段。为了进一步促进我国风力发电技术产业的良性发展，我国于 2005 年颁布了《可再生能源法》 ，从此可再生能源尤其是风力资源的产业开始飞速发展。几年来，我国开始了“十一五”规划，能源作为其中重要的一环被提上议程，要求在 2010 年和 2020 年风力发电总量分别达到 MW 5000 和 MW 30000 。实际上，在 2008 年，我国的风力发电量就已经达到了 MW 13000 ，这一数值已经远远超过了 2010 年的目标要求。发展风力发电对于我国资源的可持续发展有重大意义，不仅有利于我国能源结构的调整和转型，还能够极大程度地减轻我国环境污染的问题，这对于能源的清洁性、安全性和多样性的都将有着非常大的好处。经过科学测算,今后风力发电的年增长都将在 30%以上,预计到 2020 年,全世界风电装机总容量将达到史无前例的 MW 1260 ,年发电量也将达到世界电能总需求量的 12%。放眼全球,风力发电目前已经发展成为了世界各国争相发展的新兴产业，比如欧洲的风电装机容量已经相当于 25 座核电站的发电量[4]。1.2 研究对象本文的研究对象很显然是风力发电系统。风力发电系统实际上就是指可以将捕获的气流能量（风能）转换成电能的装置。这一转换过程实际上经过两个步骤：第一，在气流能量的作用之下，风力机的风轮部分转动，从而产生机械能；第二，风轮通过传动链驱动发电机，以产生电能送入电网。因此，风力发电系统的主要对象实际上一条能量转换链，一般包括一下四个部分，分别是空气动力学子系统，发电机子系统，动力传输子系统和电力子系统。风力机指是通过利用风的动力来驱动发电机发电装置。当外界的风通过叶片时，会给叶片施加一个使其旋转的力。旋转的叶片使得机舱内的一个与齿轮箱相连的轴转动（这一部分也就是传动链） 。齿轮箱负责将风力机叶片旋转的速度提升到与能够发电机相适应的速度。风力机的结构形式多种多样，目前用于发电的主要几种在水平轴、三叶片和上风向的风力机。较大较复杂的风力机倾向于按变速运行，而较小较简单的风力机倾向于按定速运行。从电气系统的角度来看，定速风力发电机组经常被看作是转矩被施加在低速传动轴上的一个风扇驱动系统。实际上，当发电机的运行功率变化时，发电机运行的转差率也有微小的变化，也就是说发电机的转速并非是完全固定的。但由于其变化范围通常小于1%，所以可以近似看作是定速的。随着风力发电机组容量的扩大，风电技术也从定速发展到了变速。支撑这一发展的动力主要来自两个方面：其一是电网法规对风电接入有要求，需要提高满足这些要求的动力；其二是变速运行可以达到对机械负载的降低[5]。总的来说，对风力发电系统的发展趋势可以作如下概括：（1）风力发电机组的容量在不断扩大。大容量的风力发电机组有着很大的优势，可以在很大程度上降低整个风力发电系统的运行和文护成本。并且，现代风力发电机组在随着容量上升的同时，也朝着提高能量转化效率的方向发展。（2）变桨距风力发电机组成为主流。相较于定桨距，可变桨距的风力发电机组通常更加稳定高效，随着大中型风电机组在发电领域的广泛应用，变桨距风力发电机组也被纳入到越来越多的设计和制造方案当中。（3）变速恒频技术的快速发展。变速恒频技术通常是与变桨距技术相挂钩的，通过这一技术整个风力发电系统变得更加安全且易于控制。1.3 研究内容本文主要研究的是可变桨距风力发电机组的功率跟踪， 重点分析其工作原理和控制策略。从一个控制理论的角度来看，风力发电机组主要包含三个子系统：空气动力学子系统，发电机子系统，动力传输子系统（不考虑电力子系统） 。整个研究过程具体如下：（1）参阅文献与资料，理解风力发电系统的运行原理。风力发电系统本身十分复杂，短时间内不可能深入了解，需要根据课题的需要先掌握相应部分的知识。（2）建立风力发电系统的数学模型，这是研究风力发点系统理论的基础。对于三个子系统，各自有各自的模型。实际上，精确的风力发电系统大都为四阶模型，但研究起来十分困难。就本文的研究对象而言，使用化简后的二阶模型即可。（3）控制器的设计，这是可变桨距风力发电系统功率跟踪的重点所在。实际上，在本次研究中，一共涉及到了三个控制器：调节桨距角的控制器、调节发电机电流内环的控制器和调节发电机功率外环的控制器。（4）Matlab/Simulink 平台的建模与仿真。 Matlab/Simulink 平台在系统仿真方面有很好的效果，十分适合作为本次研究的工具。
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