最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用.docx

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最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

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

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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

Abstract5

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）Control26

3.1.2功率信号反馈算法PowerSignalFeedback（PSF）Control27

3.1.3登山搜索算法Hill-climbSearching（HCS）Control28

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