论文 风力发电智能控制器设计和仿真研究Word格式.docx
《论文 风力发电智能控制器设计和仿真研究Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文 风力发电智能控制器设计和仿真研究Word格式.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一、课题的目的和意义
（一）我国发展风力发电的必要性
能源是国民经济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。
随着经济发展提速，人民生活水平提高，中国能源发展面临的问题日益突出，概括起来有四个方面：
1.资源短缺能源资源总量少，优质资源尤其短缺。
总体而言，中国人均拥有的能源很少，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的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问题。
2.效率低下能源利用技术落后，能源利用效率低。
目前，中国能源效率为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，世界平均水平的3倍。
同时，中国正处在经济高速增长时期，工业化、城镇化、小康化建设都需要能源作支撑，能源消耗总量将不断提高，大力提高效率是降低能源消耗总量的重要措施之一。
3.环境污染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%。
能源消耗过分依赖煤炭造成了严重的煤烟型环境污染。
不仅造成土壤酸化、粮食减产和植被破坏，而且引发大量呼吸道疾病，直接威胁人民身体健康。
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，排放总量上中国将超过美国，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。
据专家预测表明，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，预计到2020年全国电力装机将约10亿千瓦，如果按2002年的电源结构和供电煤耗383克标煤/千瓦时估算，2020年中国仅用发电的煤耗将近14亿吨标煤能源供应需求量将超过30亿吨标准煤。
要满足如此巨大的需求量，石油一半以上靠进口，煤炭也接近开采极限，因此保障能源供应必须调整能源结构，大规模开发可再生能源资源。
风电是最接近商业化的可再生能源技术之一，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。
风能是一种优质的、洁净的、可再生的、储量丰富的能源。
利用风能来发电，能使环境避免污染，气候得到保护，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近期体现在以下几个方面：
（1）满足能源供应；
（2）促进地区经济特别是西部地区的发展；
（3）改善中国以煤炭为主的能源结构；
（4）促进风机设备制造业的自主开发能力和参与国际市场的竞争能力；
（5）减少温室气体排放；
（6）在解决老少边地区用电、脱贫致富方面发挥重大作用。
（二）小型风力发电系统特点
风力发电的基本设备是风力发电机组。
从能量转换角度看，风力发电机组包含风力机和发电机两个部分。
风力机的功能是将风能转换为机械能。
发电机的功能是将机械能转换为电能。
风力发电机组的单机容量由几十瓦到几兆瓦。
我国通常按照容量的大小将风力发电机组分为大型（100kW以上）、中型（10kW~100kW）、小型（1~10kW）和微型（50~1000W）。
小型风力发电机因其安装方便、机动性高等优点已被广泛应用于风力资源丰富的地区。
目前，我国安装使用的微小型风力机有50W，100W，150W，200W，300W和500W以及1kW，2kW，3kW，6kW，10kW和20kW等11种型号若干种机型。
小型风力机由叶片、发电机、回转体、尾翼、立柱、蓄电池和底座构成。
叶片带动发电机发电，电能就储存在蓄电池中。
由于风是间歇性的，利用风力发电并希望得到稳定的电能的简单办法就是利用蓄电池。
具体方法为：
强风时，将发出的电输入蓄电池中；
风力不足时，由蓄电池进行放电输出电能。
小型风力发电机组通常有两种运行方式：
1.独立运行方式
又称离网运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，用蓄电池储能，以保证无风时的用电。
2.风力发电与其他发电方式相结合
风力发电与其他发电方式（如柴油机发电或太阳能发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。
独立运行方式的小型风力发电机组，是我国远离电网的边远偏僻农村、牧区、海岛和特殊处所发展风力发电解决其基本用电问题的主要运行方式，除具有风力发电的一般优点外，其自身优点主要有：
（1）机动性高小型发电机可配合需要增加或变更组件大小；
（2）安装方便可根据需要随时安装，安装简单，快速解决日常用电问题；
（3）能源使用多元化小型发电机可与多种不同的可再生能源组合，方便可靠；
（4）量身定做的电力使用某些小型发电机种可以配合实际的电力需求调节发电量，提升发电效率；
（5）减少对环境的冲击减少因燃烧木柴、干草以及使用电池后遗留下的重金属对环境与地下水的污染。
（三）课题的目的和意义
风能利用的能量密度低且具有随机性、不稳定性和分布的不均匀性，这些给风能的利用带来了许多问题。
现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。
因此，本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风电系统，实现风电系统可靠及优化运行，包括：
1.掌握小型风力发电的运行机理，提高能量转换效率，实现优化运行，充分利用风能；
2.结合风力发电特点，改进对蓄电池管理和控制，延长蓄电池使用寿命；
3.提高系统可靠性，保证系统安全运行。
因此，研究可靠性更高、价格更廉的小型风力发电控制系统，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，具有重要意义。
二、风力发电发展概况
经过20多年的不断发展，风力发电机组的技术形式逐步形成了目前最常见的水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。
进入21世纪之后，随着现代电力电子技术的不断发展，新材料的涌现以及工艺的不断完善，世界风力发电技术又向前迈进了一大步。
（一）世界风力发电现状及展望
自20世纪的最后两年以来，全世界风力发电的装机容量快速增长，特别是在欧洲，为了实现减排温室气体的目标，对风电执行较高收购电价的激励政策促进了风电技术和产业的发展，风电成本继续下降。
由于海上风能资源比陆地丰富，海上风电场在欧洲已经从可行性示范进入商业化示范阶段。
风电机组技术继续向着增大单机容量的方向发展，正在研制风轮直径超过100m的5MW机组，预计2013年，单机容量达到15MW。
1996年至2000年世界上风电增长率5年平均达到31%，2000年末装机总容量为1770万MW，2001年末达到2447万MW，一年增加677万kW，增长率为32%，说明风电高增率趋势仍然继续。
2004年全世界新增装机容量为8000MW，2004年底全世界风电装机总容量为47000MW，并作了2020年风电达到世界电力总量的12%的规划蓝图（即风力12）。
2005年世界各国风电装机容量排在前十名的国家是德国、西班牙、美国、丹麦、印度、意大利、荷兰、英国、日本和中国。
世界上，在小型风力发电方面，中国和美国主要生产制造功率为300W到3kW风力机，其中美国在3kW到10kW小型风力机上占明显优势。
在欧洲，主要生产制造功率为300W到100kW风力发电机。
到2020年，美国预计安装小型风力机容量为50000MW，可解决10000人就业。
英国正在研制屋顶用小型风力发电机。
世界各国的小型风力发电机正在努力向着：
运动部件少、维护少、寿命长、采用新的电力电子技术和计算机技术等方向发展。
（二）国内风力发电现状及展望
我国的风力发电事业始于20世纪50年代，目前已经形成一定的规模。
在大型风电方面，拥有750kW以下各类风力发电设备的制造能力，2006年1月28日，首台兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电机及控制装置研制成功，填补国内空白。
2006年1月10日，1.2MW永磁直驱风力发电机在哈尔滨试制成功，它是我国自主创新研制的容量最大的风力发电机。
到2005年，全国15个省（自治区）已建风电场62座，累计运行风力发电机组1864台，总容量126.6万kW。
2010年目标为总容量500万kW，2020年目标为总容量3000万kW，2050年预计达到3-5亿kW装机容量。
但是，目前我国自行研制和开发大型风力发电机组的技术力量与国外相比相差很多，继续加大对风力发电技术研究的投入，实现关键技术的国产化是保证我国风电事业的持续稳定发展的当务之急。
从20世纪70年代中期，我国开始中小型风力发电机组研究，经过近30年的研制、生产和推广应用，开发了从50W到200kW容量40多种风力发电机组，产品性能良好，运行平稳，质量可靠，价格较低，使用寿命长等特点。
到2000年底，全国独立运行小型风力发电机组累计安装19.8万台，其中内蒙古安装14.45万台，占总量的73%，为农村电气化做出了贡献。
到2004年底，全国累计生产微小型机组293153台，总装机容量89524.2kW，年发电量为9246kWh。
在满足国内需要的同时，还远销到印尼、日本、德国、瑞典等23个国家和地区，2004年累计出口各种小型风力发电机组11189台。
我国小型风力发电机组保有量、年产量、生产能力均列世界之首。
目前，国内小型风力发电系统技术现状，有以下几个方面特点：
1.商用小型风力机组，生产制造技术成熟；
2.研究限速方式和卸荷方式，如电磁限速、电光储能等；
3.注重研究新型和新材料风叶，提高风能利用系数；
4.注重风力发电机研究，开发全永磁悬浮发电机。
针对上述小型风电的技术研究和产业发展现状，国家经贸委的《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》之“（四）继续做好离网型风力发电技术的普及和推广应用”中提出：
“引导小型风力发电机生产企业加大技改力度，提高小型风力发电机组的性能，推动风-光混合发电系统的推广应用”。
“十一五”研发重点建议：
对现有10kW以下的户用风力发电机组及配套件（逆变控制器、蓄电池）进行技术升级，主要是提高产品性能、质量、可靠性、降低成本；
更新换代，研发新一代风力发电系统；
组织规模化专业生产，加快产业化步伐。
内蒙古“十五”科技发展规划中指出：
“加快离网型风力发电技术、并网型风力发电等技术开发与产业化进程。
在小型风力发电系列产品及新型风力发电装置、逆变控制器、贮能装置等方面，加强试点示范，促进其形成产业。
”这些为进一步利用风能提供了政策保障和支持。
三、风力发电技术的发展
风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。
研究新型高效的风力发电机，配以新型的高效率的电能变换回路拓扑结构、先进的控制理论是提高风力发电系统的能量转换效率的重要途径。
（一）发电机
在风力发电系统中，发电机是将叶片接收的风能最终变成电能的设备。
随着空气动力学、控制理论、材料科学，特别是电力电子和计算机技术的迅速发展，风力发电技术发生了巨大变化，产生了许多新型发电机，从独立和并网运行方式来看，风力发电机主要有：
独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。
主要类型有永磁式直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励交流发电机和电容自励异步发电机等。
主要目的是通过控制励磁、转速和功率变换器来产生恒压的直流电和恒压恒频的交流电。
值得一提的是，2006年，在中国广东诞生了全球首台全永磁悬浮风力发电机，该发电机的研制成功使世界风力发电机技术取得了关键性的突破，完全由我国科技工作者自主研发的。
实验表明加装了全永磁悬浮轴承后的发电机，发电输出功率可提高20%以上，可以说，在相同风速下，全永磁悬浮发电机可提高发电量20%。
与传统风力发电机相比，永磁悬浮发电机真正做到了“轻风启动，微风发电”，可用以开发国内广大地区的低风速资源，大幅增加年发电时间。
（二）储能技术与方式
风能是随机性的能源，具有间歇性，并且不能直接储存起来。
因此，即使在风能资源丰富的地区，把风力发电机作为获得电能的主要方式时，必须配备适当的储能装置。
在风力强的期间，除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来；
在风力弱或无风期间，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。
可见储能装置是风力发电系统中实现稳定和持续供电必不可少的工具。
当前风力发电系统中的储能方式主要有蓄电池、储能飞轮、抽水储能、压缩空气储能和电解水制氢储能等几种。
蓄电池储能以电化学形式储存能量，以其低廉的价格和成熟的技术，在独立运行的小型风力发电系统得到广泛使用。
目前，独立运行风力发电系统控制策略主要是蓄电池控制。
蓄电池的控制有很长的研究历史，目前也应用于风电系统中，但缺乏结合风力发电的特点，研究出适合风力发电的蓄电池控制策略。
另外，一般的研究仅仅将两种策略分开考虑，缺乏两者统一的系统的研究。
基于小型风力发电系统工况分析，蓄电池充放电控制具有重要的理论意义和实际应用价值。
第二章风力发电系统原理与仿真软件
一、系统组成与原理
（一）系统结构
本文的独立运行小型风力发电机系统。
它主要包括风力机、三相交流永磁同步发电机（PMSG）、三相二极管整流器、DC/DC变换器、蓄电池以及控制系统几个组成部分。
1.发电机
在发电机部分，主要包括反馈式感应发电机、感应式、永磁同步发电机（PMSG）等形式。
反馈式感应发电机一般用于较大功率系统，感应电机则用于中低功率系统，永磁同步发电机则最常被用于小功率系统。
永磁同步发电机具有以下优点：
（1）稳定性好；
（2）不需要外加直流励磁电源；
（3）构造简单，装置成本低；
（4）易于操作与维修成本低；
（5）适用于小型直驱式风力机，不需要外加变速装置；
（6）无电刷式转子，坚固耐用。
2.DC/DC变换器
DC/DC变换器采用Buck变换器，经过仔细分析，它能够满足风力发电的需求，相对于其它类型的变换器具有如下优点：
（1）电路简单，调整方便，可靠性高；
（2）对功率管及续流二极管的耐压要求低；
（3）储能电感在功率管导通时储存能量，在功率管关断时储存的能量向负载供电，带负载能力强，电压调整率好；
（4）输出电压纹波低。
但是Buck变换器的输入电流是脉动的，这将会引起对输入发电机的电磁干扰。
所以在实际应用中常在电源与变换器之间增加一个输入滤波网络。
3.蓄电池
在独立运行小型风力发电系统中，蓄电池是不可缺少的组成部分。
它既能存储风力发电机在满足负载使用后发出的多余能量，在无风期提供给负载使用,又能平衡发电机输出与负载用电量。
蓄电池又称二次电池。
目前市场上蓄电池产品主要有4类:
铅酸蓄电池（LA）、镉镍蓄电池（NiCd）、镍氢（NiMH）和锂离子（Li-ion）电池。
与传统的铅酸蓄电池相比，阀控密封铅酸电池（VRLA）具有能量高、成本最低、寿命最长（10年）、容量更高、不漏液、安全、无污染、可回收、免维护、使用方便等优点。
也克服了传统的铅酸蓄电池的两大缺点：
一是在使用寿命期间，需不断加水；
二是由于富液有漏酸危险，不能任意方向放置。
考虑到独立运行小型风力发电机组使用环境和用电对象，采用阀控密封铅酸电池。
图2-1风力发电机模拟图
如图2-1所示，与常规风力发电系统相比，该系统有以下特点：
（1）由于采用不可控整流桥和DC/DC变换器，可控开关器件只有一个，整个控制过程通过调节占空比来实现，具有结构简单、动态特性好、效率和可靠性高等优点；
（2）通过调节占空比可以调节发电机的输出电压和电流，进而改变发电机的转矩-转速特性，这样就可以控制风力机的风能利用系数，从而改变小型风力发电系统的输出功率。
（3）不需要检测风速和风力机转速，既可以实现系统功率控制；
（二）风力机及其运行特性
根据风力机的空气动力学特性，风力机输出机械功率可表示为
式中，
为风能利用系数；
R为风轮半径，单位m，ρ为空气密度，单位kg/m3；
V为风速，单位m/s。
由公式可知，在风轮叶片大小、风速和空气密度一定时，影响功率输出的唯一
因素是风能利用系数
，输出功率与
成正比，而
是叶尖速比λ的函数，λ可以表示为
为风力机角速度，单位rad/s；
n为风力机转速，单位r/min。
风力机特性通常用
和λ之间的关系来表示，典型的
=f（λ）关系曲线如图所示。
图2-2
与λ关系曲线图
从图中可以看出，在
随着λ的变化过程中，存在着一点
可以获得最大的风能利用系数
，即最大输出功率点。
（三）功率调节原理
永磁同步发电机发出的电能由一个三相二极管整流器整流后经一直流电容滤波，再经由Buck变换器给负载。
通过调节Buck变换器的占空比改变发电机的负载特性和输出功率，实现蓄电池充电控制为主要内容的功率调节。
AC/DC转换器即发电机到Buck变换器部分采用三相二极管整流电路。
发电机和二极管整流器的电路示意图，如图所示
图2-3功率调节原理图
二、仿真软件
（一）软件介绍
PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件，具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。
本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。
PSIM是专门用于电力电子以及电机控制领域的专业化仿真软件。
PSIM具有快速的仿真功能和友好的用户界面等优点，针对各不同用户而提供的一种强有效的仿真环境。
PSIM具有独特仿真速度、可控制任意大小的电力变换回路、及对控制回路仿真功能的特点，在各不同系统的仿真领域、控制环的设计、以及电机驱动系统设计领域被广泛应用。
（二）系统仿真模型
1.风力机仿真模型
（1）风力机参数
标准输出功率
20kw
基本风速
7m/s
基本转速
12m/s
初始转速
10m/s
转动惯量
8000kg*m^2
2.PMSG永磁同步发电机
（1）永磁同步发电机特点
①体积小，重量轻
转子部分采用高磁场的永磁体取代电磁线圈，永磁体的体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。
②效率高，节能效果显著
由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁耗能，因此PMG系列单相永磁同步发电机比常规电励磁发电机明显节约能量。
其效率能提高10—15%，燃油消耗率降低20%，是一种节能产品。
③电压波形质量好，适用于各种负载情况。
由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下都可使电压波形畸变率保持在较小的范围内。
④电机过载能力强，适合于在恶劣环境下工作。
电机的损耗小，温升低，过载能力强，更适合于在各种恶劣环境下工作。
⑤无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长。
无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁磁体和铁心固定成为一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。
⑥电磁干扰小，电磁兼容性好。
电机的电磁噪声极小，对通讯设备和电子仪器的干扰非常微小，其影响几乎可忽略不计。
（2）电机参数
定子绕组阻抗
0.875Ω
定子d轴阻抗
0.0065H
定子q轴阻抗
线电压反电动势最大值
5500krpm
极对数
80
瞬时惯量
0.0008kg*m^2
3.仿真整流和波形图
该图演示了风力机经过转矩传感器和速度传感器，并与永磁同步发电机相连，经电感后得到交流电，通过三相桥式整理电路和滤波电容，得到了较稳定的直流电。
同时也给出了交流和直流的波形。
图2-4三相桥式整流图
4.整流前波形图
图2-5交流波形
5.整流后波形图
图2-6直流波形
（三）Buck变换电路
图
升级会员 