毕业设计(论文)风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真.doc
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1、风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power by Zhang PeinanSupervisor: Associate Professor Su HongyuHei long jiang University Cambridge collegeMay 2012毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目:风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真设计(论文)的基本内容:(1)了解风机发电机的工艺机理;(2)建立风力发电系统模型;
2、(3)讨论风电系统最大功率调节方法;(4)以MATLAB为工具,对上述研究进行仿真。毕业设计(论文)专题部分:题目:设计或论文专题的基本内容:学生接受毕业设计(论文)题目日期 第2周指导教师签字:2012年3月8日风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题。常规能源如:煤、石油、天然气等,不仅资源有限,而且其应用时造成了严重的环境问题。而风能最为一种清洁可再生能源,发展迅速,已经成为世界新能源最主要的发展方向之一,因此,对风能的开发和利用已经受到了世界各国的高度重视。本文以直驱式永磁同步风力发电系统为例,对目前常用的几种风力发电系统最大
3、功率跟踪控制方法进行了讨论和比较,并以其中的一种方法为例进行了仿真验证。本文在分析国内外风力发电的现状以及风电产业现状的基础上,首先介绍了风力发电系统的总体结构和各组成部分的结构及其运行原理,分析了风力发电机最大功率跟踪控制的基本原理和方法,比较了最佳叶尖速比控制、最佳功率曲线控制和爬山搜索法。基于他们的数学模型在MATLAB/SIMULINK中分别搭建了包括风力机气动模型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等,在此基础上建立了直驱式永磁风力发电系统的模型,并采用最佳叶尖速比控制法,对风力机在额定风速以下进行了仿真,通过仿真验证了该方法的控制效果。关键词:风力发电;最大功率点跟踪;风力机模拟
4、;仿真Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power AbstractThe environment and energy are urgent problems of survival and development of human .Mainly, Conventional energy like coal,oil and natural gas is not only restricted ,but also causing serious air pollutio
5、n .As a clean and renewable energy , the wind power has gotten a quick development and become one of the most promising new energies. Therefore, the utilization of wind power development is regarded by many countries in the world. By taking direct-drive permanent magnet synchronous wind power system
6、 as an example, several maximum power point tracking control method of the current wind power generation system is discussed and compared in this paper, then one of the methods is simulated and verified.Based on the current status and foreground of wind power industrial home and abroad, the paper fi
7、rstly describes the structure and composition of wind turbines operating principle, and secondly analysis maximum power of the wind turbine control principles and methods, and then compares the optimum tip speed ratio control, the best power curve control, and mountain climbing search method. Then a
8、 model of permanent magnet direct drive wind turbine is built in MATLAB/SIMULINK based on the mathematical model, include rotor model, permanent magnet generator model and the control system model. And the simulation models are used to validating the method of the optimum tip speed ratio control bel
9、ow the rated wind speed.Keywords:Wind Power; MPPT; Simulation of Wind Turbine; Simulation目 录毕业设计(论文)任务书I摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪论11.1 课题背景11.1.1 世界能源消费现状11.1.2 国外风能资源与开发现状31.1.3 国内风能资源的开发与现状41.2 风力发电技术现状及发展51.2.1 风力发电技术现状51.2.2 风力发电技术的发展71.3 主要研究内容9第二章 风力发电系统介绍112.1 风力发电系统的总体结构112.1.1 风力机112.1.2 发电机122
10、.2 风力发电系统的理论基础132.2.1 风能的计算132.2.2 风能的贝兹理论142.2.3 叶尖速比152.2.4 风力机特性162.3 本章小结18第三章 风力发电系统最大风能跟踪控制方法分析193.1 最大风能跟踪的理论基础193.2 最大风能跟踪的算法193.2.1 最佳叶尖速比法203.2.2 功率反馈法203.2.3 爬山搜索法223.3 本章小结23第四章 风力发电系统的建模与仿真254.1 MATLAB/SIMULINK简介254.1.1 MATLAB简介254.1.2 SIMULINK简介264.2 永磁直驱风力发电系统建模264.2.1 风力机的建模274.2.2 发
11、电机的建模274.2.3 发电机转矩模型294.2.4 控制系统模型294.2.5 最佳转速计算模块314.2.6 系统模型314.3 系统仿真324.4 本章小结33第五章 结束语35参考文献37致 谢39第一章 绪论1.1 课题背景能源是社会经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。随着化石能源的日趋枯竭及人类生存环境的逐渐恶化,新的无污染接替能源可再生能源已引起了世界各国的高度重视。可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等自然能源,这些能源既不存在资源枯竭问题,又不会对环境构成威胁。可再生能源技术包括开发和利用可再生能源的各种技术。国内外可再生能源的一个重要
12、应用领域就是发电。用来发电的可再生能源主要有风能、太阳能、生物质能、地热能等,所对应的发电技术有风力发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术和地热发电技术。但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27%。1.1.1 世界能源消费现状当前,包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。世界经济的快速发展使得能源需求快速增长,供需矛盾突出。1995年至2015年期间,全世界对一次能源需求量的增长,将比20世纪80年代缓慢。在21世纪的数十年内,这种趋势将一直保持下去,而能源的利用效率将提高,特别是在工业发达的国家。在一次能源的产量和消耗中,居第一位的仍
13、然是石油,煤炭和天然气分别居第二位和第三位。其中,石油在消费结构中的比重从39.4%下降到35%,天然气的比重从23.7%增加到28%,煤炭的比重从31.7%下降到31.2%,核能的比重从2.3%下降到2.0%。尽管经济合作与发展组织国家对一次能源的绝对需求量将有很大的增加,但这些国家2015年前对能源需求的增长率却相当缓慢。这是因为这类国家的经济发展普遍比较缓慢,并实行了节约能源的政策,而发展中国家的能源消耗量则将增长很快。作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分,中国的能源消费目前已占世界能源消费总量的13.6%,使得世界越来越将能源话题聚集在中国和亚太地区。国家发展和改革委员会能源研究所指
14、出,三大理由支撑我国大力发展可再生能源。第一,我国能源系统面临严峻挑战。人口多,人均资源占有量少;加上能源利用技术落后,效率低下,能耗高,能源匮乏的威胁可能来得更早、能源供需缺口将越来越大。第二,我国农村小康建设的需要。我国13亿人中农村人口占绝大多数,每年消耗的能量相当大,其中约一半来自可再生能源,但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。同时,我国还有700万户无电人口,无法用常规电网延伸解决用电。第三,保障能源供应安全的考虑。1993年我国成为石油净进口国,2003年进口依存度已经达到36%,随着国民经济的持续增长,石油进口量占整体石油需求量中的份额将进一步增长,预计2020年我国石油对外
15、依存度将达到50%。这对我国能源供应安全构成一定威胁。可再生能源属于本地资源,通过一定的工艺技术,不仅可转换为电力,还可以直接、间接地转换为液体燃料,为各种移动设备提供能源,缓解能源供应问题1,2。表 1.1未来世界能源需求 地区2010需求量 比例%2020需求量 比例%2025需求量 比例%北美33.56 29.4737.71 29.2639.62 29.03欧洲33.16 29.4234.99 27.1535.76 26.20亚洲31.77 27.9037.73 29.2740.55 29.71中东5.85 5.146.85 5.317.51 5.50非洲3.38 2.973.98 3.
16、094.30 3.15南美洲6.14 5.397.63 5.928.76 6.42世界113.86 100.00128.89 100.00136.50 100.00随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化,很多国家都在认真探索能源多样化的途径,积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。太阳能和风能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源,作为这两种能源的高级利用,太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。进入21世纪,全球可再生能源在不断发展,而在可再生能源中,风能始终保持最快的增长态势,并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射引起的。风能是太阳
17、能的一种转换形式,是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍是十分可观的。据理论计算全球大气中风能总的能量是1017kW,而且是可再生的,估计大约有3.5x1012kW的蕴藏风能可以被开发利用,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。而且风取之不尽,用之不竭,不存在资源衰竭问题;同时在风能的转换过程中,基本不消耗化石能源,因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看,在风电设备及其原材料的生产、带蜡和安装过程中需要消耗一定的化石能源,进而对环境构成一定的污染,
18、但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。1.1.2 国外风能资源与开发现状2005年世界风电产业蓬勃发展,装机容量达58982MW,亚洲风能发展最快,印度超赶丹麦。风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业,其从业人数己超过23.5万人。2005年12月31日,世界装机容量己达58982MW, 比2004年多11310MW,2004年的装机容量比前年增长8.3GW,而2003年装机容量增长8.1GW。2005年全球风机装机增长率为24%,2004年增长率为21%。根据这种发展趋势,世界风能协会预计2010年世界装机容量将高达120000MW。目前风力发电占全球电量的1%,部分国家及
19、地区己达20%甚至更多。欧洲是全世界风力发电发展速度最快,同时也是风电装机最多的地区。为了应对全球气候变化,欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源,实现温室气体减排。欧洲议会于2001年制定了可再生能源发展指导计划,到2010年可再生能源电力占欧洲电力总供应的12%。2005年欧洲在总装机容量(40932MW)及新增装机容量(6174MW)仍然保持世界领先地位。现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量,而且拥有全世界最先进的风电技术,和全世界最领先的生产能力,在世界风电发展中独领风骚。20世纪80年代初,丹麦开始发展现代风电,自1959年丹麦的风电产业迅速扩张,装机容量大幅提高。1996年丹
20、麦政府制定21世纪能源战略报告,预计风电发展的目标是到2005年实现装机容量达到1500MW的规模,而事实上,2000年丹麦的风电装机已经达到2140MW,不仅提前完成了2005年的规划目标,而且已经成为世界风电产业的大国和强国。丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业,丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商,大型商业化风力机制造厂家有vestas、Bonus、NEG Micon等,丹麦企业制造的风机约占50%的世界市场份额。20世纪90年代是德国风电迅猛发展的10年,风电装机规模大幅度提高,技术不断创新,成本逐渐下降。截止2005年12月31同,德国装机容量达到1842
21、8MW,比2004年新增1798.8MW,增长10.8%。1998年以后是德国风电高速增长的黄金时期,1998-2002年的短短5年间,风电累计装机台数增长从6000台增长到14000台左右,增长1倍还多,累计装机容量从1998年的3110MW增加到2002年12440MW,翻了两番,增长速度惊人。目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位,其装机容量多年全球位列第一。在美洲,美国的风力发电规模较大。美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。80年代初期,风机占主流的是100KW以下的小机型,目前兆瓦级的风机己成为风力发电机组的主流。2005年,美国装机容量大幅度增加,其装机容量占当前
22、世界风能容量的17%(10036MW),其中98%的装机容量被安装在北美。美国在扩展生产税信贷范围后,已经成为国际上新装机容量领域的老大,其新增容量为2424MW。其总装机容量为9149MW,排西班牙之后,居世界第三。亚洲正成为发展全球风电的新生力量,2005年增长率为48%,在7022MW总装机容量的基础上新增装机容量2263MW。亚洲风电产业的主要主导仍是印度。印度早在20多年前就已经认识到可再生能源对印度经济社会发展的重要性,并致力于发展风力发电,特别是这几年,印度风力发电进入了高速发展时期,2005年,印度的风电产业发展超过了丹麦并在总装机容量(4430MW)及新增装机容量(1430M
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