風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真畢業(yè)論文

PAGE風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerbyZhangPeinanSupervisor:AssociateProfessorSuHongyuHeilongjiangUniversityCambridgecollegeMay2012畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績(jī)：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績(jī)：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”）評(píng)閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日－PAGEVII－教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評(píng)定成績(jī)：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：（簽名）年月日教學(xué)系意見(jiàn)：系主任：（簽名）年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容：(1)了解風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的工藝機(jī)理；(2)建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型；(3)討論風(fēng)電系統(tǒng)最大功率調(diào)節(jié)方法；(4)以MATLAB為工具，對(duì)上述研究進(jìn)行仿真。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)專題部分：題目：設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容：學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目日期第2周指導(dǎo)教師簽字：201風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法的分析與仿真摘要能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所需要解決的緊迫問(wèn)題。常規(guī)能源如：煤、石油、天然氣等，不僅資源有限，而且其應(yīng)用時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。而風(fēng)能最為一種清潔可再生能源，發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界新能源最主要的發(fā)展方向之一，因此，對(duì)風(fēng)能的開發(fā)和利用已經(jīng)受到了世界各國(guó)的高度重視。本文以直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)目前常用的幾種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法進(jìn)行了討論和比較，并以其中的一種方法為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文在分析國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀以及風(fēng)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首先介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各組成部分的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行原理，分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)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?；谒麄兊臄?shù)學(xué)模型在MATLAB/SIMULINK中分別搭建了包括風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)模型、坐標(biāo)系下永磁發(fā)電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型等，在此基礎(chǔ)上建立了直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型，并采用最佳葉尖速比控制法，對(duì)風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的控制效果。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；風(fēng)力機(jī)模擬；仿真AnalysisandSimulationonMaximumPowerPointTrackingControlMethodofWindPowerAbstractTheenvironmentandenergyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhuman.Mainly,Conventionalenergylikecoal，oilandnaturalgasisnotonlyrestricted,butalsocausingseriousairpollution.Asacleanandrenewableenergy,thewindpowerhasgottenaquickdevelopmentandbecomeoneofthemostpromisingnewenergies.Therefore,theutilizationofwindpowerdevelopmentisregardedbymanycountriesintheworld.Bytakingdirect-drivepermanentmagnetsynchronouswindpowersystemasanexample,severalmaximumpowerpointtrackingcontrolmethodofthecurrentwindpowergenerationsystemisdiscussedandcomparedinthispaper,thenoneofthemethodsissimulatedandverified.Basedonthecurrentstatusandforegroundofwindpowerindustrialhomeandabroad,thepaperfirstlydescribesthestructureandcompositionofwindturbinesoperatingprinciple,andsecondlyanalysismaximumpowerofthewindturbinecontrolprinciplesandmethods,andthencomparestheoptimumtipspeedratiocontrol,thebestpowercurvecontrol,andmountainclimbingsearchmethod.ThenamodelofpermanentmagnetdirectdrivewindturbineisbuiltinMATLAB/SIMULINKbasedonthemathematicalmodel,includerotormodel,permanentmagnetgeneratormodelandthecontrolsystemmodel.Andthesimulationmodelsareusedtovalidatingthemethodoftheoptimumtipspeedratiocontrolbelowtheratedwindspeed.Keywords：WindPower;MPPT;SimulationofWindTurbine;Simulation東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目錄TOC\o"1-3"\u畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 I摘要 IIAbstract III第一章緒論 11.1課題背景 11.1.1世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀 11.1.2國(guó)外風(fēng)能資源與開發(fā)現(xiàn)狀 31.1.3國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源的開發(fā)與現(xiàn)狀 41.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展 51.2.1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀 51.2.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展 71.3主要研究?jī)?nèi)容 9第二章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 112.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 112.1.1風(fēng)力機(jī) 112.1.2發(fā)電機(jī) 122.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 132.2.1風(fēng)能的計(jì)算 132.2.2風(fēng)能的貝茲理論 142.2.3葉尖速比 152.2.4風(fēng)力機(jī)特性 162.3本章小結(jié) 18第三章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制方法分析 193.1最大風(fēng)能跟蹤的理論基礎(chǔ) 193.2最大風(fēng)能跟蹤的算法 193.2.1最佳葉尖速比法 203.2.2功率反饋法 203.2.3爬山搜索法 223.3本章小結(jié) 23第四章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真 254.1MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介 254.1.1MATLAB簡(jiǎn)介 254.1.2SIMULINK簡(jiǎn)介 264.2永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模 264.2.1風(fēng)力機(jī)的建模 274.2.2發(fā)電機(jī)的建模 274.2.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型 294.2.4控制系統(tǒng)模型 294.2.5最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 314.2.6系統(tǒng)模型 314.3系統(tǒng)仿真 324.4本章小結(jié) 33第五章結(jié)束語(yǔ) 35參考文獻(xiàn) 37致謝 39東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章緒論-PAGE44-緒論課題背景能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和人類生活必需的物質(zhì)保證。隨著化石能源的日趨枯竭及人類生存環(huán)境的逐漸惡化，新的無(wú)污染接替能源——可再生能源已引起了世界各國(guó)的高度重視?？稍偕茉粗饕侵杆堋⑻?yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿茸匀荒茉?，這些能源既不存在資源枯竭問(wèn)題，又不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅?？稍偕茉醇夹g(shù)包括開發(fā)和利用可再生能源的各種技術(shù)。國(guó)內(nèi)外可再生能源的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是發(fā)電。用來(lái)發(fā)電的可再生能源主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?，所?duì)應(yīng)的發(fā)電技術(shù)有風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)和地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。但從可再生能源的發(fā)展和利用來(lái)看，風(fēng)能是世界上增長(zhǎng)最快的能源，年增長(zhǎng)率達(dá)27%。世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得能源需求快速增長(zhǎng)，供需矛盾突出。1995年至2015年期間，全世界對(duì)一次能源需求量的增長(zhǎng)，將比20世紀(jì)80年代緩慢。在21世紀(jì)的數(shù)十年內(nèi)，這種趨勢(shì)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(dá)的國(guó)家。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。其中，石油在消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重從39.4%下降到35%，天然氣的比重從23.7%增加到28%，煤炭的比重從31.7%下降到31.2%，核能的比重從2.3%下降到2.0%。盡管經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織國(guó)家對(duì)一次能源的絕對(duì)需求量將有很大的增加，但這些國(guó)家2015年前對(duì)能源需求的增長(zhǎng)率卻相當(dāng)緩慢。這是因?yàn)檫@類國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展普遍比較緩慢，并實(shí)行了節(jié)約能源的政策，而發(fā)展中國(guó)家的能源消耗量則將增長(zhǎng)很快。作為全球能源市場(chǎng)日趨重要的一個(gè)組成部分，中國(guó)的能源消費(fèi)目前已占世界能源消費(fèi)總量的13.6%，使得世界越來(lái)越將能源話題聚集在中國(guó)和亞太地區(qū)。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所指出，三大理由支撐我國(guó)大力發(fā)展可再生能源。第一，我國(guó)能源系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口多，人均資源占有量少；加上能源利用技術(shù)落后，效率低下，能耗高，能源匱乏的威脅可能來(lái)得更早、能源供需缺口將越來(lái)越大。第二，我國(guó)農(nóng)村小康建設(shè)的需要。我國(guó)13億人中農(nóng)村人口占絕大多數(shù)，每年消耗的能量相當(dāng)大，其中約一半來(lái)自可再生能源，但這些能源目前還是以傳統(tǒng)的利用方式為主。同時(shí)，我國(guó)還有700萬(wàn)戶無(wú)電人口，無(wú)法用常規(guī)電網(wǎng)延伸解決用電。第三，保障能源供應(yīng)安全的考慮。1993年我國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)，2003年進(jìn)口依存度已經(jīng)達(dá)到36%，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，石油進(jìn)口量占整體石油需求量中的份額將進(jìn)一步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)石油對(duì)外依存度將達(dá)到50%。這對(duì)我國(guó)能源供應(yīng)安全構(gòu)成一定威脅?？稍偕茉磳儆诒镜刭Y源，通過(guò)一定的工藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，為各種移動(dòng)設(shè)備提供能源，緩解能源供應(yīng)問(wèn)題[1,2]。表1.SEQ表_1.\*ARABIC1未來(lái)世界能源需求地區(qū)2010需求量比例%2020需求量比例%2025需求量比例%北美33.5629.4737.7129.2639.6229.03歐洲33.1629.4234.9927.1535.7626.20亞洲31.7727.9037.7329.2740.5529.71中東5.855.146.855.317.515.50非洲3.382.973.983.094.303.15南美洲6.145.397.635.928.766.42世界113.86100.00128.89100.00136.50100.00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(guó)家都在認(rèn)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。太陽(yáng)能和風(fēng)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(jí)利用，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國(guó)的高度重視。進(jìn)入21世紀(jì)，全球可再生能源在不斷發(fā)展，而在可再生能源中，風(fēng)能始終保持最快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并成為繼石油燃料、化工燃料之后的核心能源。風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射引起的。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽(yáng)照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。據(jù)理論計(jì)算全球大氣中風(fēng)能總的能量是1017kW，而且是可再生的，估計(jì)大約有3.5x1012kW的蘊(yùn)藏風(fēng)能可以被開發(fā)利用，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。而且風(fēng)取之不盡，用之不竭，不存在資源衰竭問(wèn)題；同時(shí)在風(fēng)能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，基本不消耗化石能源，因而不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。盡管從全能量系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看，在風(fēng)電設(shè)備及其原材料的生產(chǎn)、帶蠟和安裝過(guò)程中需要消耗一定的化石能源，進(jìn)而對(duì)環(huán)境構(gòu)成一定的污染，但其排放量相對(duì)于風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電力而言則微不足道。國(guó)外風(fēng)能資源與開發(fā)現(xiàn)狀2005年世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，裝機(jī)容量達(dá)58982MW，亞洲風(fēng)能發(fā)展最快，印度超趕丹麥。風(fēng)能產(chǎn)業(yè)己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)，其從業(yè)人數(shù)己超過(guò)23.5萬(wàn)人。2005年12月31日，世界裝機(jī)容量己達(dá)58982MW，比2004年多11310MW，2004年的裝機(jī)容量比前年增長(zhǎng)8.3GW，而2003年裝機(jī)容量增長(zhǎng)8.1GW。2005年全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)增長(zhǎng)率為24%，2004年增長(zhǎng)率為21%。根據(jù)這種發(fā)展趨勢(shì)，世界風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)2010年世界裝機(jī)容量將高達(dá)120000MW。目前風(fēng)力發(fā)電占全球電量的1%，部分國(guó)家及地區(qū)己達(dá)20%甚至更多。歐洲是全世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快，同時(shí)也是風(fēng)電裝機(jī)最多的地區(qū)。為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，歐洲積極推廣可再生能源應(yīng)用以替代化石能源，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排。歐洲議會(huì)于2001年制定了可再生能源發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃，到2010年可再生能源電力占?xì)W洲電力總供應(yīng)的12%。2005年歐洲在總裝機(jī)容量(40932MW)及新增裝機(jī)容量(6174MW)仍然保持世界領(lǐng)先地位?，F(xiàn)在歐洲不僅擁有全世界最大的風(fēng)電裝機(jī)容量，而且擁有全世界最先進(jìn)的風(fēng)電技術(shù)，和全世界最領(lǐng)先的生產(chǎn)能力，在世界風(fēng)電發(fā)展中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。20世紀(jì)80年代初，丹麥開始發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)電，自1959年丹麥的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張，裝機(jī)容量大幅提高。1996年丹麥政府制定《21世紀(jì)能源戰(zhàn)略報(bào)告》，預(yù)計(jì)風(fēng)電發(fā)展的目標(biāo)是到2005年實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量達(dá)到1500MW的規(guī)模，而事實(shí)上，2000年丹麥的風(fēng)電裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到2140MW，不僅提前完成了2005年的規(guī)劃目標(biāo)，而且已經(jīng)成為世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。丹麥一流的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)培育了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的專業(yè)的風(fēng)電企業(yè)，丹麥有世界領(lǐng)先的風(fēng)機(jī)制造業(yè)以及國(guó)內(nèi)和國(guó)際經(jīng)銷商，大型商業(yè)化風(fēng)力機(jī)制造廠家有vestas、Bonus、NEGMicon等，丹麥企業(yè)制造的風(fēng)機(jī)約占50%的世界市場(chǎng)份額。20世紀(jì)90年代是德國(guó)風(fēng)電迅猛發(fā)展的10年，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模大幅度提高，技術(shù)不斷創(chuàng)新，成本逐漸下降。截止2005年12月31同，德國(guó)裝機(jī)容量達(dá)到18428MW，比2004年新增1798.8MW，增長(zhǎng)10.8%。1998年以后是德國(guó)風(fēng)電高速增長(zhǎng)的黃金時(shí)期，1998-2002年的短短5年間，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)臺(tái)數(shù)增長(zhǎng)從6000臺(tái)增長(zhǎng)到14000臺(tái)左右，增長(zhǎng)1倍還多，累計(jì)裝機(jī)容量從1998年的3110MW增加到2002年12440MW，翻了兩番，增長(zhǎng)速度驚人。目前德國(guó)的風(fēng)電利用規(guī)模處于絕對(duì)的世界領(lǐng)先地位，其裝機(jī)容量多年全球位列第一。在美洲，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較大。美國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)大都集中建在西海岸的加利福尼亞地區(qū)。80年代初期，風(fēng)機(jī)占主流的是100KW以下的小機(jī)型，目前兆瓦級(jí)的風(fēng)機(jī)己成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流。2005年，美國(guó)裝機(jī)容量大幅度增加，其裝機(jī)容量占當(dāng)前世界風(fēng)能容量的17%(10036MW)，其中98%的裝機(jī)容量被安裝在北美。美國(guó)在擴(kuò)展生產(chǎn)稅信貸范圍后，已經(jīng)成為國(guó)際上新裝機(jī)容量領(lǐng)域的老大，其新增容量為2424MW。其總裝機(jī)容量為9149MW，排西班牙之后，居世界第三。亞洲正成為發(fā)展全球風(fēng)電的新生力量，2005年增長(zhǎng)率為48%，在7022MW總裝機(jī)容量的基礎(chǔ)上新增裝機(jī)容量2263MW。亞洲風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主要主導(dǎo)仍是印度。印度早在20多年前就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到可再生能源對(duì)印度經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要性，并致力于發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，特別是這幾年，印度風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，2005年，印度的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展超過(guò)了丹麥并在總裝機(jī)容量(4430MW)及新增裝機(jī)容量(1430MW)方面均為世界第四。表1.SEQ表_1.\*ARABIC2截止2007年底累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量前九名國(guó)家排名國(guó)家累計(jì)裝機(jī)容量1德國(guó)2230萬(wàn)KW2美國(guó)1690萬(wàn)KW3西班牙1470萬(wàn)KW4印度780萬(wàn)KW5中國(guó)590萬(wàn)KW6丹麥310萬(wàn)KW7意大利270萬(wàn)KW8法國(guó)250萬(wàn)KW9英國(guó)240萬(wàn)KW國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源的開發(fā)與現(xiàn)狀我國(guó)具有豐富的風(fēng)力資源。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，我國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億kW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億kW，沿海水深2～15米近海區(qū)域的風(fēng)力資源可開發(fā)的儲(chǔ)量有7.5億kW，總計(jì)為10億kW，這是10m高度計(jì)算的，如果按50m高度計(jì)算，則還要增加一倍．據(jù)國(guó)家有關(guān)部門最新統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)的風(fēng)能資源遠(yuǎn)高于原來(lái)估計(jì)的儲(chǔ)量。中國(guó)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初，而大容量風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用起始于80年代，其商業(yè)化發(fā)展則是90年代初期。1994年，電力部發(fā)布了風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)有關(guān)規(guī)定后，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到重視。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)從新疆、內(nèi)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(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了60MW。近十幾年來(lái)，在國(guó)家有關(guān)部門的大力支持下，我們風(fēng)電產(chǎn)業(yè)獲得了很大的發(fā)展，特別是2005年2月28同全國(guó)人大常委會(huì)表決通過(guò)了《可再生能源法》后，2006年1月1日起實(shí)施的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》將制定我國(guó)可再生能源總量目標(biāo)制度；可再生能源并網(wǎng)發(fā)電審批和全額收購(gòu)制度；可再生能源上網(wǎng)電價(jià)與費(fèi)用分?jǐn)傊贫龋豢稍偕茉磳ｍ?xiàng)資金和稅收、信貸鼓勵(lì)措施等，這必將大力促進(jìn)包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展。截止2005年12月31日，我國(guó)除臺(tái)灣省累計(jì)風(fēng)電機(jī)組1846臺(tái)，裝機(jī)容量1260MW，共有風(fēng)電場(chǎng)62個(gè)。與2004年累計(jì)裝機(jī)容量764MW相比，增長(zhǎng)了65.5%。2005年風(fēng)電上網(wǎng)電量約為15.3億KWh。我國(guó)能源發(fā)展規(guī)劃，到20l0年和2020年風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)分別為500萬(wàn)kW和3000萬(wàn)kW。按此規(guī)劃計(jì)算，從2006～2020年平均每年裝機(jī)約190萬(wàn)kW，投資約152億元人民幣，其中購(gòu)買風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投資約95億元人民幣。而3000萬(wàn)kW占當(dāng)時(shí)全國(guó)總電力裝機(jī)的3%，風(fēng)電電量只占1.5%。據(jù)有關(guān)單位的初步預(yù)測(cè)，2020年以后，風(fēng)力發(fā)電將在能源供應(yīng)和減排溫室氣體方面起顯著作用，屆時(shí)風(fēng)電成本將“十分接近”常規(guī)電源。2020年以后發(fā)展風(fēng)電的主要目的是盡快培育出本國(guó)的風(fēng)電設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)，以滿足風(fēng)電市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的需求[3,4]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制裝置、監(jiān)測(cè)顯示裝置等組成。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面，目前實(shí)際運(yùn)用的技術(shù)主要有：(1)定槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。這一特點(diǎn)給定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個(gè)必須解決的問(wèn)題。一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速即定額風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。槳葉的這一特性被稱為自動(dòng)失速性能。二是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)(突甩負(fù)載)的情況下，槳葉自身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)。早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪并不具備制動(dòng)能力，脫網(wǎng)時(shí)完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機(jī)械剎車裝置進(jìn)行制動(dòng)，這對(duì)于數(shù)十千瓦級(jí)機(jī)組來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大，但對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如果只使用機(jī)械剎車，就會(huì)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了解決上述問(wèn)題，槳葉制造商首先在20世紀(jì)70年代用玻璃鋼復(fù)合材料研制成功了失速性能良好的風(fēng)力機(jī)槳葉，解決了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率控制問(wèn)題：20世紀(jì)80年代又將葉尖擾流器成功地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，解決了在突甩負(fù)載情況下的安全停機(jī)問(wèn)題，使定槳距(失速型)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終占據(jù)主導(dǎo)地位，直到最新推出的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍有機(jī)形采用該項(xiàng)技術(shù)。(2)變槳距發(fā)電技術(shù)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)性能。當(dāng)功率在額定功率以下時(shí)，控制器將葉片節(jié)距角置于0。附近，不作變化，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)功率超過(guò)額定功率時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。但是，隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單個(gè)葉片已重達(dá)數(shù)噸．對(duì)操縱如此巨大的慣性體，并且響應(yīng)速度要能跟上風(fēng)速的變化是相當(dāng)困難的。事實(shí)上，如果沒(méi)有其他的措施的話，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)對(duì)高頻風(fēng)速度變化仍然是無(wú)能為力的。因此，近年來(lái)設(shè)計(jì)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對(duì)槳葉進(jìn)行節(jié)距控制以外，還通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電源來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，以吸收瞬變的風(fēng)能，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，在相同的額定功率點(diǎn)，額定風(fēng)速比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要低。對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)較高。當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅下降。因?yàn)檫@時(shí)隨著風(fēng)速的升高，功率上升已趨緩，而過(guò)了額定點(diǎn)后，槳葉己開始失速，風(fēng)速升高，功率反而有所下降。對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于槳葉節(jié)距可以控制，無(wú)需擔(dān)心風(fēng)速超過(guò)額定點(diǎn)后的功率控制問(wèn)題，可以使得額定功率點(diǎn)仍然具有較高的功率系數(shù)。由于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號(hào)來(lái)控制的，它不受氣流密度變化的影響。無(wú)論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統(tǒng)都能通過(guò)調(diào)整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。這對(duì)于功率輸出完全依靠槳葉氣動(dòng)性能的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)蛻，具有明顯的優(yōu)越性。(3)變速恒頻發(fā)電技術(shù)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于20世紀(jì)的最后幾年加入到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主流機(jī)型的行列中。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)越性在于：低風(fēng)速時(shí)它能夠根據(jù)風(fēng)速變化，在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，儲(chǔ)存或釋放部分能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。因而在更大容量上，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有可能取代恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而成為風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制主要通過(guò)兩個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以獲得最佳葉尖速比，因此可作為跟蹤問(wèn)題來(lái)處理。在高于額定風(fēng)速時(shí)，主要通過(guò)變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來(lái)限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負(fù)荷最小化。目前具有變速恒頻發(fā)電技術(shù)的機(jī)組主要有：雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)組，高速同步發(fā)電機(jī)組，低速永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組。本文主要討論永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[5]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展(1)單機(jī)容量增大在過(guò)去20年中，風(fēng)力機(jī)的典型裝機(jī)容量從50kw增加到1000kw以上。隨著技術(shù)逐漸成熟，多樣化的設(shè)計(jì)概念也逐漸走向統(tǒng)一。由于風(fēng)力場(chǎng)中所采用的大的風(fēng)機(jī)比小的更加經(jīng)濟(jì)，因而風(fēng)機(jī)的容量不斷增加。作為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷向火型化發(fā)展。兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)逐步成為國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。美國(guó)己經(jīng)研制成功7MW風(fēng)力機(jī)，而英國(guó)IF在研制10MW的巨型風(fēng)力機(jī)。目前，變速變槳型雙饋式3MW風(fēng)電機(jī)組己經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行。而且，隨著風(fēng)機(jī)容量的增大，其中必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。大型機(jī)器更適合濱海風(fēng)力場(chǎng)，在人口密度較高的國(guó)家，隨著陸地風(fēng)力場(chǎng)利用殆盡，濱海風(fēng)力場(chǎng)在未來(lái)的風(fēng)能開發(fā)中將占有越來(lái)越重要的份額。(2)風(fēng)機(jī)槳葉的變化單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長(zhǎng)度也不斷增長(zhǎng)，目前2MW風(fēng)機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑己經(jīng)達(dá)72m。目前最長(zhǎng)的葉片己經(jīng)做到50m以上?，F(xiàn)有的大部分風(fēng)機(jī)都具有3葉片，只有極少數(shù)風(fēng)機(jī)還只有2個(gè)葉片的類型，而且這種風(fēng)機(jī)的數(shù)量還在進(jìn)一步減少之中。風(fēng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)已是足夠成熟，機(jī)器的可靠性極高，可利用率通常在98％～99％之間。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。風(fēng)電界普遍認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑或掃風(fēng)面積比額定容量更能反映風(fēng)電機(jī)組的特性，而風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑與額定容量并不是一一對(duì)應(yīng)的。(3)塔架高度上升在中、大型風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了更高的塔架，以捕獲更多的風(fēng)能。在地處平坦地帶的風(fēng)機(jī)，在50m高度捕捉的風(fēng)能要比30m高處多20%。(4)控制技術(shù)的發(fā)展尤其值得注意的是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)變速恒頻風(fēng)機(jī)得到了快速發(fā)展，并成為市場(chǎng)的主流技術(shù)。同時(shí)，隨著全功率變流技術(shù)正在興起，無(wú)齒輪箱系統(tǒng)的市場(chǎng)份額也在迅速擴(kuò)大，其取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)機(jī)軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過(guò)置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率交流電輸出。由于它被設(shè)計(jì)成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動(dòng)力效率，從而大大地提高了捕捉風(fēng)能的效率。試驗(yàn)表明，在平均風(fēng)速6.7m/s時(shí)，變速風(fēng)電機(jī)要比恒速風(fēng)電機(jī)多捕獲15％的風(fēng)能。同時(shí)，由于機(jī)艙質(zhì)量減輕和改善了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)減輕，基礎(chǔ)等費(fèi)用也可降低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。(5)海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)也成為新的大型風(fēng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域而受到重視。丹麥、德國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)都在計(jì)劃較大的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。由于海上風(fēng)速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風(fēng)電場(chǎng)平均設(shè)備利用小時(shí)數(shù)為2000h，好的為2600h，在海上則可達(dá)3000h以上。為便于浮吊的施工，海上風(fēng)電場(chǎng)一般建在水深為3～8m處，同容量裝機(jī)，海上比陸上成本增加60％(海上基礎(chǔ)占23％、線路占20％；陸上僅各占5％左右)，電量增加50％以上。主要研究?jī)?nèi)容第一章介紹了風(fēng)力發(fā)電研究的意義和背景，以及全球和我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀和前景。簡(jiǎn)單介紹風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展。第二章闡述了風(fēng)力發(fā)電的理論基礎(chǔ)，介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一些重要特性參數(shù)及其特性，分析了風(fēng)力機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、分類以及各種功率控制方法。第三章重點(diǎn)研究了風(fēng)力機(jī)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(jiàn)的最大功率跟蹤控制算法。并提出在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用葉尖速比控制進(jìn)行仿真分析。第四章中為驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤控制方法，在MATLAB／SIMULINK中搭建了包括風(fēng)輪氣動(dòng)系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型在內(nèi)的1.5MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制效果。第五章總結(jié)文章所做的工作，并提出了不足。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。主要的部件包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、功率變換器等。風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，進(jìn)而直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)電力電子變換器輸送到電網(wǎng)。本文只介紹風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的最主要部件之一，是由槳葉與輪軸組成，槳葉具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。所以它不僅決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有效功率的輸出，還直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在理論上，最好的風(fēng)輪也只能將約60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在目前風(fēng)力機(jī)主要是以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的機(jī)組為主。其中又有定槳距和變槳距風(fēng)輪，定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。本文主要研究的是采用定槳距，變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在目前風(fēng)力機(jī)按照風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸在空間的方向，可分為水平軸風(fēng)力機(jī)(水平軸)和垂直軸風(fēng)力機(jī)(立軸)兩大類，其中水平軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)相對(duì)成熟，是目前風(fēng)電市場(chǎng)中最常用的機(jī)型(約占現(xiàn)有的97％)。但是立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)極大地克服了平軸機(jī)結(jié)構(gòu)上固有的缺陷。故而形成開發(fā)新型高效風(fēng)力機(jī)的主要技術(shù)趨勢(shì)。水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特征是旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行。和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)裝置在地面或低空，便于維護(hù)，而且不需要迎風(fēng)裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)噪音，導(dǎo)致噪聲污染。垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的尖速比要小得多，低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用在以前因?yàn)樵胍魡?wèn)題不能應(yīng)用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的場(chǎng)臺(tái)(如城市公共設(shè)施、民宅等)。此外，風(fēng)力機(jī)又有定槳距和變槳距風(fēng)輪之分。其中定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪彀的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，將葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。本文主要討論定槳距風(fēng)力機(jī)。發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。它不僅直接影響這個(gè)重要轉(zhuǎn)換過(guò)程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到前一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的運(yùn)行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運(yùn)行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個(gè)重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。其中交流發(fā)電機(jī)主要分為同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)(或稱為感應(yīng)發(fā)電機(jī))和永磁式發(fā)電機(jī)3種機(jī)型。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給，主要目的是通過(guò)控制勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速和功率變換器來(lái)產(chǎn)生恒壓的直流電和恒壓恒頻的交流電。永磁同步發(fā)電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于省去了勵(lì)磁繞組和容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工和裝配費(fèi)用減少，運(yùn)行更為可靠。采用稀土永磁體后可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比；由于省去了勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率得以提高：處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率比電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小。永磁同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁損耗和電刷滑環(huán)間的摩擦、接觸損耗。與凸極式交流同步發(fā)電機(jī)相比，同等功率的稀土永磁發(fā)電機(jī)的總損耗大約要小10％～15％。美國(guó)通用電器公司研制的一臺(tái)150kVA、切向磁化結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機(jī)，在1200rpm狀態(tài)滿載運(yùn)行時(shí)，效率仍可保持在89.2％。稀土永磁發(fā)電機(jī)不僅效率高，而且其高效率段比較寬，在負(fù)載變化范圍較大時(shí)，仍能有較高的效率。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的繞線式同步發(fā)電機(jī)當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，阻抗壓降和電樞反應(yīng)的影響大，端電壓下降厲害，為保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定，只能增加勵(lì)磁電流來(lái)提高氣息磁密，這樣就使得鐵損耗和勵(lì)磁損耗明顯增大，而稀土永磁發(fā)電機(jī)由于稀土永磁體高內(nèi)稟矯頑力的特點(diǎn)，使得電樞反應(yīng)的影響很小，負(fù)載變化時(shí)，氣隙磁密變化很小，鐵耗可以當(dāng)作不變參數(shù)來(lái)看[6]。此外永磁同步發(fā)電機(jī)適用于小型直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)，不需要外加變速裝置；穩(wěn)定性好，易于操作與維修成本低；無(wú)電刷式轉(zhuǎn)子，堅(jiān)固耐用等。本文所研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的就是永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)風(fēng)能的計(jì)算由流體力學(xué)可知，氣流的動(dòng)能為：(2.1)式中：氣流動(dòng)能:氣流質(zhì)量：氣流速度設(shè)單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)截面積為的氣體的體積為，如果以表示空氣密度，則該體積的空氣質(zhì)量為(2.2)這時(shí)氣流所具有的動(dòng)能為(2.3)式中：風(fēng)能：空氣密度：截面積：氣流速度由風(fēng)能的公式可以看出，風(fēng)能大小與氣流通過(guò)的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。風(fēng)能的貝茲理論貝茲理論是在假定風(fēng)輪是“理想”的基礎(chǔ)上建立的，這種“理想”的風(fēng)輪全部接收風(fēng)能，葉片無(wú)限多，對(duì)空氣流沒(méi)有阻力?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的[7]。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為，為實(shí)際通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速，為葉片掃掠后的風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)輪葉片前的風(fēng)速面積為，葉片掃掠后的風(fēng)速面積為，風(fēng)吹到葉片上所作的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則必須>，<，。如圖2.2所示：圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC2貝茲理論計(jì)算簡(jiǎn)圖于是，風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得(2.4)式中：作用力：空氣密度故風(fēng)輪吸收功率為(2.5)此功率是由動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。從上游至下游動(dòng)能的變化為(2.6)令，可以得到(2.7)因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力和風(fēng)輪輸出功率分別為(2.8)(2.9)風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對(duì)微分求最大值，得(2.10)令，解方程得，將其帶入的表達(dá)式，得到最大功率為(2.11)將上式除以氣流通過(guò)掃掠面時(shí)風(fēng)所具有的動(dòng)能，可推得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率(或稱理論風(fēng)能利用系數(shù))為(2.12)這就是貝茲理論的極限值，它說(shuō)明風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)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(zhuǎn)動(dòng)能。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異。應(yīng)此，風(fēng)力機(jī)實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)<0.593，目前的技術(shù)水平下，風(fēng)力機(jī)能達(dá)到的風(fēng)能利用系數(shù)大都在0.4~0.5之間。風(fēng)輪實(shí)際能得到的有用功率輸出為(2.13)葉尖速比除了風(fēng)能利用系數(shù)外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)還有兩個(gè)非常重要的參數(shù)：葉尖速比和槳距角。葉尖速比是為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來(lái)表示。(2.14)其中：風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速：風(fēng)輪的半徑：風(fēng)速槳距角是指風(fēng)輪葉片上某一點(diǎn)的弦線與葉片旋轉(zhuǎn)平面間的夾角。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角在安裝時(shí)固定，不能變化。而變槳距風(fēng)力機(jī)的槳距角可以隨著風(fēng)速變化而變化，以限制功率的增加[8]。風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是個(gè)復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程，要精確地對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行建模，必須用基于空氣動(dòng)力學(xué)中槳葉的基本理論。但是，如果用槳葉的基本理論建模，將不可避免要解決風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪幾何學(xué)問(wèn)題、復(fù)雜冗長(zhǎng)的計(jì)算問(wèn)題等困難，此外，還要同時(shí)處理一系列的風(fēng)速信號(hào)，而不是只有一個(gè)風(fēng)速信號(hào)[10,11]。為了避免這些問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的模型來(lái)描述風(fēng)力機(jī)，它反映了風(fēng)速與從風(fēng)中獲得的能量的關(guān)系，氣動(dòng)方程為：(2.15)(2.16)其中：通過(guò)風(fēng)輪掃掠面積的風(fēng)的功率，單位為：空氣密度，單位為：風(fēng)輪半徑，單位為：實(shí)際風(fēng)速，單位為：風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率系數(shù)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，它隨風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)如功角、槳距角等而變化[9]。風(fēng)力機(jī)可分為變槳距和定槳距兩種。變槳距風(fēng)力機(jī)的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)的曲線來(lái)表示，如圖2.3所示。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC3為0。、5。、10。、15。時(shí)的曲線風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速比的函數(shù)(表示為)，同時(shí)也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)(表示為)，綜合起來(lái)可表示為。從圖中可以看到，當(dāng)槳葉節(jié)距角逐漸增大時(shí)，曲線將顯著縮小。如果保持槳葉節(jié)距角不變，風(fēng)能利用系數(shù)只與葉尖速比有關(guān)系，則可用一條曲線描述特性，這就是定槳距風(fēng)力機(jī)的性能曲線(=0。)，如圖2.4所示。變槳距風(fēng)力機(jī)是定槳距風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展，而定槳距風(fēng)力機(jī)特性是變槳距風(fēng)力機(jī)特性的基本情況，具有代表意義，是討論最大風(fēng)能追蹤的依據(jù)，因此定槳距風(fēng)力機(jī)及其特性是本文研究的重點(diǎn)。本文采用槳葉節(jié)距角為0。。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC4=0。時(shí)曲線由圖中可以看出，相同尖速比時(shí)槳距角為0。時(shí)的最大風(fēng)能利用系數(shù)最大，約為0.4382，對(duì)應(yīng)的最佳葉尖速比約為6.333。本章小結(jié)本章首先宏觀介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，然后具體介紹了本文將用到的風(fēng)力機(jī)和直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)。介紹了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的幾個(gè)基礎(chǔ)概念和理論，包括葉尖速比，風(fēng)能計(jì)算和風(fēng)能的貝茲理論，并且重點(diǎn)了解了風(fēng)力機(jī)特性，為后面建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型和仿真打下基礎(chǔ)。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章結(jié)束語(yǔ)東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章結(jié)束語(yǔ)東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章結(jié)束語(yǔ)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制方法分析最大風(fēng)能跟蹤的理論基礎(chǔ)風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、能量密度低、不穩(wěn)定特性的能源。風(fēng)速的變化會(huì)引起風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，如果沒(méi)有必要的機(jī)械或者電氣控制，則由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將隨之改變。因而發(fā)電機(jī)的輸出電壓及頻率都將不恒定。在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即頻率保持恒定。恒速恒頻，即為在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中保持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速(也就是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到頻率恒定的電能。而在保持恒頻的同時(shí)需要最大限度的吸收風(fēng)能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能，則需要控制風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤是指在額定風(fēng)速以下，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其隨著風(fēng)速的變化而變化，從而使風(fēng)力機(jī)保持在最佳葉尖速比狀態(tài)，將風(fēng)能利用系數(shù)保持在最大值，獲得最大功率輸出的方法。對(duì)于任意一臺(tái)風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片的設(shè)計(jì)使得風(fēng)能利用系數(shù)和尖速比、槳距角呈一定關(guān)系，在某一特定槳距角下，都存在唯一的一條和的對(duì)應(yīng)曲線，這條曲線常被稱為曲線。風(fēng)力機(jī)的曲線一般由葉片生產(chǎn)廠家提供，由于設(shè)計(jì)的不同，不同葉片的曲線是有區(qū)別的，但其大概形式是相同的。一條典型的曲線如圖2.3所示：由曲線可以看到，一個(gè)值對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)值。而且存在一個(gè)最佳的葉尖速比，使得在此葉尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)為最大，此時(shí)的和分別稱為最佳葉尖速比和最大風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)就是使得風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速時(shí)都運(yùn)行在最佳葉尖速比狀態(tài)下，使風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，從而最大限度的捕獲風(fēng)能。由尖速比計(jì)算公式式(2.14)知，最佳葉尖速比的值已知時(shí)，對(duì)于每一個(gè)特定風(fēng)速都可以得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速值[12]。最大風(fēng)能跟蹤的算法最大風(fēng)能跟蹤(MPPT)是風(fēng)力發(fā)電的核心問(wèn)題，但風(fēng)能的跟蹤的特性是由風(fēng)力機(jī)決定的。因此無(wú)論是那種風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風(fēng)能跟蹤控制主要有最佳葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法。最佳葉尖速比法最佳葉尖速比法的基本思想是當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過(guò)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)固有特性計(jì)算出此時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速，并適時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終運(yùn)行于該最佳轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。用風(fēng)速計(jì)直接測(cè)出風(fēng)速信號(hào)，由最佳葉尖速比和式(2.14)求得對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，將它與測(cè)得的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電功率輸出，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速而變化，即始終運(yùn)行在最佳葉尖速比的情況下。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC1最佳葉尖速比控制法原理圖該方法需要測(cè)量風(fēng)速、轉(zhuǎn)速，還需要知道風(fēng)力機(jī)固有的葉尖速比曲線，由于風(fēng)速的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量較為困難，因此該方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問(wèn)題。但由于該方法是最大風(fēng)能跟蹤的最直接實(shí)現(xiàn)思想，在風(fēng)速測(cè)量精確的前提下，具有很好的準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度。因此該方法仍然獲得了一定應(yīng)用，本文即采用該方法進(jìn)行控制。功率反饋法功率反饋法的基本思想當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，首先測(cè)量得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)風(fēng)力機(jī)固有的最佳功率曲線計(jì)算此時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出參考功率，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳功率曲線上實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。由式(2.13)知風(fēng)力機(jī)獲得的功率：風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率測(cè)量需要轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，所以可以通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出電功率代替機(jī)械功率用于控制過(guò)程計(jì)算。傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)上會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗所以最后得到的電功率還要乘以一個(gè)效率，由于功率損耗和輸出功率相比較很小，本文暫時(shí)不考慮功率損耗，假定電功率等于風(fēng)力機(jī)輸出功率[13]。即：(3.1)由式(3.1)和式(2.14)計(jì)算得到：(3.2)額定風(fēng)速以下為獲得最大功率輸出，設(shè)置槳距角，在不同的風(fēng)速下通過(guò)控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比條件下，從而使得風(fēng)力機(jī)獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)。=0時(shí)由式(2.14)、式(2.16)和式(3.1)可以求得(3.3)其中(3.4)由式(3.3)和式(3.4)可以得到不同風(fēng)速下的電功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。將由第二章得到的最佳風(fēng)能利用系數(shù)=0.4382和最佳葉尖速比=6.333代入式(3.2)，并且，取風(fēng)力機(jī)半徑R=35m，空氣密度=1.225此時(shí)式(3.2)對(duì)應(yīng)的電功率和轉(zhuǎn)速的曲線就是最佳電功率曲線。將上述兩組曲線繪在同一幅圖中：圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC2不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速-功率曲線和最佳功率曲線由上圖可以看出，最佳功率曲線是在每一個(gè)風(fēng)速下輸出最大功率點(diǎn)的連線，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為每一特定風(fēng)速下為獲得最大風(fēng)能而對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。這樣，系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速和功率，在不同轉(zhuǎn)速下，將對(duì)應(yīng)的最佳功率和風(fēng)力機(jī)的輸出功率進(jìn)行比較，以比較得到的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率，使風(fēng)力機(jī)沿著最佳轉(zhuǎn)速—功率曲線運(yùn)行，即可使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速，最大限度的捕獲風(fēng)能。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC3最佳功率曲線控制原理圖該方法無(wú)需測(cè)量風(fēng)速，但需測(cè)量轉(zhuǎn)速，還需知道風(fēng)力機(jī)固有的最佳功率曲線。相比葉尖速比控制，該方法省去了風(fēng)速測(cè)量，具有較好的效果和更好的實(shí)用價(jià)值，但對(duì)于不同的風(fēng)力機(jī)，最大功率曲線需要事先通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)得，這會(huì)增加功率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用的成本。爬山搜索法爬山搜索算法是為了克服前兩種算法的缺點(diǎn)而提出來(lái)的，它無(wú)需測(cè)量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)輪機(jī)的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過(guò)測(cè)量功率的變化來(lái)自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。其追蹤最大風(fēng)能的原理如圖3.4所示：計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率，并和上個(gè)控制周期的風(fēng)力機(jī)功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值反號(hào)，否則，保持其符號(hào)不變。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說(shuō)，當(dāng)風(fēng)車的功率一直增加時(shí)，保持轉(zhuǎn)速指令增加(或減小)的方向不變，當(dāng)風(fēng)車的功率減小時(shí)，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)反號(hào)。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這種最大功率跟蹤具有以下的缺點(diǎn)。(1)固定的速度步長(zhǎng)導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)速度波動(dòng)，風(fēng)速快速變化時(shí)跟蹤較慢；(2)逆變器死區(qū)時(shí)間引起轉(zhuǎn)矩電流脈動(dòng)，這會(huì)影響最大功率跟蹤算法中的功率比較；(3)固定轉(zhuǎn)速擾動(dòng)產(chǎn)生的階梯狀變化的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速指令值使得風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很不平穩(wěn)；(4)擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤的最大功率點(diǎn)與實(shí)際值相差很大，降低了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)小時(shí)，降低跟蹤的快速性[14]。圖3.SEQ圖_3.\*ARABIC4傳統(tǒng)爬山算法控制流程圖爬山搜索算法雖然克服了最佳葉尖速比法和功率反饋法對(duì)風(fēng)機(jī)特性參數(shù)的強(qiáng)依賴性的缺陷，但是它要求轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速變化具有瞬時(shí)響應(yīng)特性，對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)的大慣性大時(shí)滯的特點(diǎn)，頻繁的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)并不能得到及時(shí)的響應(yīng)，爬山搜索算法的實(shí)際控制效果并不理想。而我們?cè)趯?shí)驗(yàn)條件下對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)其他部分進(jìn)行研究時(shí)，風(fēng)速可以是給定的，因此本文將采用最佳葉尖速比法。本章小結(jié)了解了最大風(fēng)能跟蹤的理論基礎(chǔ)，介紹了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)三種常用的風(fēng)能跟蹤算法，即最佳葉尖速比法，功率反饋法和爬山搜索法，并將三種方法進(jìn)行了對(duì)比，并提出了將葉尖速比法作為本文建立系統(tǒng)的控制方法。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介本章所用到的仿真軟件是MATLAB軟件。MATLAB是一個(gè)集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算及圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)。MATLAB軟件除了具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、出色的圖形圖像處理、友好的編程環(huán)境之外，還提供了幾十多個(gè)涉及眾多工程應(yīng)用領(lǐng)域的工具箱。下面僅將本章所用到的仿真軟件和仿真工具箱做一簡(jiǎn)單介紹。MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB名字是由MathWorks公司開發(fā)的一個(gè)有重大影響的軟件產(chǎn)品。它是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，現(xiàn)已成為國(guó)際科技界公認(rèn)的優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，在世界范圍內(nèi)廣為流行和使用。該軟件的特點(diǎn)是：強(qiáng)大的計(jì)算功能、計(jì)算結(jié)果和編程可視化及極高的編程效率，這是其他軟件無(wú)與倫比之處。MATLAB包含的幾十個(gè)工具箱，涉及自動(dòng)控制、人工智能、電力系統(tǒng)、系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別、動(dòng)態(tài)仿真、信號(hào)分析、圖像處理、數(shù)值計(jì)算和分析等學(xué)科，廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)控制、電子、電力、機(jī)械、汽車、建筑、財(cái)經(jīng)、生命科學(xué)等諸多工程技術(shù)領(lǐng)域。MATLAB軟件具有以下優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)：(1)提供了便利的開發(fā)環(huán)境。隨著MATLAB的商業(yè)化與軟件的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近于windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互更強(qiáng)，操作也更簡(jiǎn)單。(2)簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言。MATLAB語(yǔ)言的語(yǔ)法特征類似于C語(yǔ)言，具備了比較完備的程序調(diào)試功能有利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的技術(shù)人員使用。(3)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力。MATLAB提供了數(shù)以千計(jì)的，涉及眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的函數(shù)指令。通常只須調(diào)用一個(gè)函數(shù)指令就可以完成許多工程應(yīng)用中的復(fù)雜計(jì)算。如今，MATLAB的計(jì)算功能優(yōu)勢(shì)已不局限于矩陣運(yùn)算，它還體現(xiàn)在數(shù)值計(jì)算、工程優(yōu)化、動(dòng)態(tài)仿真等諸多方面。(4)出色的圖形處理功能。MATLAB所具備的圖形圖像處理功能主要體現(xiàn)在：二維曲線處理、三維曲線處理、圖形的光照處理、色度處理、四維數(shù)據(jù)表現(xiàn)，圖形動(dòng)畫等。(5)應(yīng)用廣泛的模塊集和工具箱。MATLAB對(duì)許多專業(yè)領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集或工具箱。一般說(shuō)來(lái)，用戶可以直接利用工具箱完成計(jì)算、仿真、應(yīng)用等工作，而不需要編寫復(fù)雜的程序代碼。MATLAB工具箱所涉及的工程應(yīng)用領(lǐng)域有：樣條擬合、優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)仿真、模糊邏輯等。(6)實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)。新版本的MATLAB提供了較好的代碼編譯器，可以把M文件編譯成C／C++程序代碼，以便于代碼的移植。另外，MATLAB還提供了與VC++、VB、Excel等軟件的接口，使得這些軟件之間的互訪成為可能。(7)模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)的仿真。SIMULINK是MATLAB的一個(gè)分支產(chǎn)品，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真。在SIMULINK所提供的仿真環(huán)境下，可以完成對(duì)信號(hào)處理、通信設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)控制仿真等功能[15,16]。SIMULINK簡(jiǎn)介SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的部分擁有不同的采樣率。對(duì)于建模，SIMULINK提供了一個(gè)圖形化的用戶界面(GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖形建模。通過(guò)圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。SIMULINK包括一個(gè)復(fù)雜的由接收器、信號(hào)源、線性和非線性組件以及連接件的模塊庫(kù)，當(dāng)然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的部分擁有不同的采樣率。對(duì)于建模，SIMULINK提供了一個(gè)圖形化的用戶界面(GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖形建模。通過(guò)圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。SIMULINK包括一個(gè)復(fù)雜的由接收器、信號(hào)源、線性和非線性組件以及連接件的模塊庫(kù)，當(dāng)然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。作為一種圖形化的仿真工具包，SIMULINK能夠驚醒動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析，可以處理線性和非線性系統(tǒng)，離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)，以及單任務(wù)和多任務(wù)系統(tǒng)，并在同一系統(tǒng)中支持不同的變化率。由于SIMULINK環(huán)境使用戶擺脫了深?yuàn)W的數(shù)學(xué)推理的壓力，也擺脫了煩瑣的編程困擾，只需使用者具備相關(guān)的專業(yè)知識(shí)即可。因此，用戶在此環(huán)境下對(duì)工程應(yīng)用領(lǐng)域的仿真、分析與計(jì)算變得較為簡(jiǎn)單。特別是對(duì)一些研發(fā)工作而言，起到了縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)的可靠性的作用[17,18]。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模風(fēng)力機(jī)的建模直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)由于省去了齒輪箱，其運(yùn)動(dòng)方程為[19]：(4.1)式中：風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速：風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩：傳動(dòng)裝置傳給發(fā)電的扭矩由式(2.13)和式(2.16)得風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：(4.2)在SIMULINK中建立風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速-轉(zhuǎn)矩模型，如圖4.1所示：圖4.SEQ圖_4.\*ARABIC1風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機(jī)的建模永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型一般在坐標(biāo)系下建立，坐標(biāo)系是包括永磁同步電機(jī)在內(nèi)的所有交流電機(jī)最常用的坐標(biāo)系。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，是由于定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相互吸引作用而產(chǎn)生的。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小、方向與定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值、相位有關(guān)。為了便于分析，將坐標(biāo)系定位于轉(zhuǎn)子磁鏈之上，此時(shí)在軸方向?yàn)榇沛湻较?，軸方向超前軸90。電角度，這樣就形成了一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系。電機(jī)所有交流變量都可以在這個(gè)坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為直流量并投影于、兩個(gè)軸上，對(duì)兩個(gè)軸上的分量分別控制，就控制了這個(gè)變量。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，是不可控制量，因此只需控制定子磁場(chǎng)，就可以控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。定子磁場(chǎng)中可變的部分是定子電流產(chǎn)生的電流勵(lì)磁磁場(chǎng)，在坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)定子電流的解耦控制，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，這也是矢量控制的實(shí)現(xiàn)方法。本文在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的永磁同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為：(4.3)式中：和分別為發(fā)電機(jī)的軸和軸電流；和分別為發(fā)電機(jī)的軸和軸電感；為定子電阻；為電角頻率，；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)；為永磁體的磁鏈；和分別為的軸和軸分量。定義軸的反電勢(shì)，軸的反電勢(shì)已，假設(shè)發(fā)電機(jī)軸和軸電感相等，即，所以，式(4.3)可寫為：(4.4)由此在MATLAB/SIMULINK中建立發(fā)電機(jī)模型為如圖4.2所示：圖4.SEQ圖_4.\*ARABIC2永磁發(fā)電機(jī)模型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：(4.5)其中為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為發(fā)電機(jī)反力矩，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于采用永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，沒(méi)有使用增速齒輪箱，所以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，即有：(4.6)直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：(4.7)簡(jiǎn)化為：(4.8)由此可得永磁同步發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩模型如圖4.3所示：圖4.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型控制系統(tǒng)模型永磁發(fā)電機(jī)由永磁體勵(lì)磁，不需要提供勵(lì)磁電流，定子電流只產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此可以采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制法產(chǎn)生相應(yīng)的電壓矢量和，從而控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。為確定矢量方向，因軸分量與無(wú)功功率相關(guān)，采用零軸電流控制方法，設(shè)置軸電流參考值為，從而在最小電流的情況下得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩。因軸分量與轉(zhuǎn)矩相關(guān)，可以通過(guò)控制軸的速度控制軸電流參考值。由式(4.4)可知，、軸之間存在著耦合項(xiàng)和，即不僅依賴于，而且也與有關(guān)系，這會(huì)給控制帶來(lái)很大問(wèn)題。通過(guò)加入前饋補(bǔ)償?shù)姆椒梢韵詈享?xiàng)。因此定義兩個(gè)新的輸入量分別為(4.9)通過(guò)加入前饋補(bǔ)償，消除了、軸之間的耦合項(xiàng)[20,21]?？刂葡到y(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)速度參考值由最大功率點(diǎn)跟蹤算法得出，與實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速相比較，通過(guò)PI控制器得到軸電流參考值，軸電流參考值設(shè)置為0。由永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與有功電流成正比，可以通過(guò)調(diào)節(jié)有功電流來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，跟隨設(shè)定的最優(yōu)轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)模型如圖4.4所示：圖4.4控制系統(tǒng)模型其中：PI子模塊如圖4.5所示：圖4.5PI子模塊模型最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊由最佳葉尖速比計(jì)算公式可得最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊如圖4.6所示：圖4.6最