风力发电机控制系统仿真设计
此论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略，对固定节距风力发电机组的控制系统模拟进行了初步的研究和探讨。 通过控制系统维护风力发电机组的安全可靠运行，实现稳定的单位输出功率，优化功率曲线控制。使风力发电系统在指定的时间内没有故障或更少的故障，并在出现故障后，能以最快的速度修复系统恢复正常的工作。 主要通过MATLAB仿真软件，建立风电系统控制模型和风力发电系统的完整模型，自主创建风力发电系统控制模型仿真分析，验证风力发电系统控制模型的可用性， 通过单曲线图分析仿真结果，并使用多曲线绘图模块生成可直接用于研究报告的仿真结果图。关键词 风力发电控制系统, 模型, 仿真
目录
1 绪论 1
1.1 风力发电机控制系统的研究背景与意义 1
1.2 风力发电控制系统的研究现状 2
1.3本课题的研究任务及要求 3
2 风电机组控制方法及仿真方法 4
2.1风电机组控制方法简介 4
2.2定桨距风力发电机组 5
2.3同步发电机 8
2.4 Matlab软件简介 10
3 基于Matlab的风电机组仿真平台 11
3.1风电机组仿真模型构架 11
3.2风电机组及其控制系统模型结构 20
4 仿真结果分析 22
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1. 绪论
1.1 风力发电机控制系统的研究背景与意义
由于全球经济的不断发展，根据科学预计，到2050年，全世界所消耗的能源可能会翻倍。生活在地球上的人和动物都离不开碳循环。能源对于社会经济的发展无可替代，但是地球上的生态平衡也受到了严重的破坏。因此需要寻找高效、清洁的新能源。
中东石油危机在20世纪70年代爆发，能源短缺问题越来越严重，风力发电电技术受到了广泛关注，并且发展的非常迅速。 据统计表明，从95年到06，全球风电装机容量年均增长率均在三分之一左右，大中型风力发电是风能利用的主要形式。目前，风电机组的独立能力近年来从最初几十千兆瓦增长到了兆瓦级，技术也越来越成熟。 控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
模式从单组调速失速控制到变桨距变速控制，预计经过几年将基于人工神经网络或智能风力发电机的模糊控制； 20世纪初的运行可靠性还不到二分之一，80年代初的可靠性已经接近五分之四，而如今的可靠性达到了百分之九十八。 因为风能可再生、高效、无污染，发展风电对于保护生态平衡，改进能源结构，确保能源安全，实现可持续经济发展等具有重要意义。
最近20多年来，国际社会能源紧缺压力越来越大，越来越多的目光投向了风电，风电因此发展的非常迅速，技术越发成熟，应用的规模也在不断增长。在当前的风力发电市场，风力发电机组的安装绝大多数是以管塔，横轴，风向，三叶的形式，其他的形式出现的很少。风电产业整体上的技术意识不再具有很大的差异，开始重视大规模，高质量，高效率的发展，向变桨距机组发展成为了新的发展趋势。风力发电机的失速功率调节模式和可变桨距调节是大多数风力发电机中风能收集和转换的主要功率调节方法。风轮机的叶片处于失速功率调节模式时，不可以围绕轴线旋转，功率的调节是通过叶片本身的失速特性实现的。由于这种方法具有结构简单、故障概率低的特点，在风力发电机中曾经得到广泛的应用。 但是这种类型的风电机也一些缺点，其中叶片的失速性能会影响风力发电机的性能是主要的缺点，发电量下降时风力会超过额定值，是因为额定风速偏高。由于刀片的结构和形状复杂，比较重，会造成风轮惯性，这也是一个缺点，在大型风力发电机组中这种情况表现的更加明显。 风力发电机组正从定转速向可变转速机组发展，风力机如果采用变速恒频技术，风力机的风轮转速就是可以调整的了。 可以根据风力发电机的风速调整风力发电机的转速，以最大化风能，改善风力机的转换效率。 采用双馈异步感应发电机技术的变频技术可以使发电机始终处于最佳工作状态，提高了机电转换效率。
1.2 风力发电控制系统的研究现状
20世纪 90 年代以来，变速恒频系统成为国外建立大型风力发电系统使用的主流方法。其原因是运用变速恒频发电系统的风机能在极大的风速范围内以最佳效率运行。如今经过我国科研院所、企业的艰苦奋斗，变速恒频发电的技术要求已被攻破，风电市场开始出现一些国产化的产品。就理论而言，变速恒频技术是当前最有效的调节方法，可用于变速恒频发电的系统有多种类型，下面是对这些系统的简单介绍：
( 1 )鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统
使用的发电机是鼠笼式转子，它可以在定子电路完成变速恒频控制。风力机以及发电机的转速只受风速的影响，因此发出的电的频率是一直变化不断的，要把频率变化的的电能转化为与电网频率相同的恒频电能，只需在定子绕组与电网之间安装变频器就行了，但是变频器的容量要和发电机的容量相同，因此同样运用鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统，大容量的风电机变频器的成本、体积将多出许多。
( 2 )永磁发电机变速恒频风力发电系统
与鼠笼式变速恒频风力发电系统相仿，区别只在于采用的发电机为永磁发电机，转子不要励磁电源。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，将发出的频率变化的交流电通过变频器，转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量要与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机直接耦合，即直接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提高可靠性。但由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高。
( 3 )带变频器的同步发电机风力发电系统
首先将风能转化为频率变化的电能，然后通过变频器，将频率不断变化的电能转化为与电网频率相同的电能，最后送入电网。带变频器的同步发电机风力发电系统的优点是：不需要中间调速机构，就能够在较打大转速范围内得到频率不变的交流电。缺点和上面的两种系统相差不大。
( 4 )交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统
交流励磁双馈电机定子接入电网，双向变频器一边接电网，一边接转子，提供的三相励磁电流的频率、幅值、相位都是可以调节的。磁场旋转速度用ωs表示 ，转子的机械转速用ω表示，定子磁场的同步转速用ω0 表示，三者关系可以表示为ω0 =ωs +ω ，因此能够在发电机定子绕组中感应出同步转速ω的工频电压。当电机转速ω 变化时，只需要相应地改变旋转磁场的转速ωs与转子绕组电流的频率和 ，就能够使定子旋转磁场ω0 不会变动，从而能够实现变速恒频控制。与上面的三种系统相比，交流励磁双馈电机革新在于变速恒频控制的完成是在转子电路中，所以变频器容量的要求很小，只是定子额定功率的 1/3左右，这样变频器的成本就降低了很多。发电机可以在较宽的范围内超同步速、亚同步速和变速运行。还能够方便的控制有功、无功功率。缺点是依然存在滑环和电刷现象。
目录
1 绪论 1
1.1 风力发电机控制系统的研究背景与意义 1
1.2 风力发电控制系统的研究现状 2
1.3本课题的研究任务及要求 3
2 风电机组控制方法及仿真方法 4
2.1风电机组控制方法简介 4
2.2定桨距风力发电机组 5
2.3同步发电机 8
2.4 Matlab软件简介 10
3 基于Matlab的风电机组仿真平台 11
3.1风电机组仿真模型构架 11
3.2风电机组及其控制系统模型结构 20
4 仿真结果分析 22
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1. 绪论
1.1 风力发电机控制系统的研究背景与意义
由于全球经济的不断发展，根据科学预计，到2050年，全世界所消耗的能源可能会翻倍。生活在地球上的人和动物都离不开碳循环。能源对于社会经济的发展无可替代，但是地球上的生态平衡也受到了严重的破坏。因此需要寻找高效、清洁的新能源。
中东石油危机在20世纪70年代爆发，能源短缺问题越来越严重，风力发电电技术受到了广泛关注，并且发展的非常迅速。 据统计表明，从95年到06，全球风电装机容量年均增长率均在三分之一左右，大中型风力发电是风能利用的主要形式。目前，风电机组的独立能力近年来从最初几十千兆瓦增长到了兆瓦级，技术也越来越成熟。 控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
模式从单组调速失速控制到变桨距变速控制，预计经过几年将基于人工神经网络或智能风力发电机的模糊控制； 20世纪初的运行可靠性还不到二分之一，80年代初的可靠性已经接近五分之四，而如今的可靠性达到了百分之九十八。 因为风能可再生、高效、无污染，发展风电对于保护生态平衡，改进能源结构，确保能源安全，实现可持续经济发展等具有重要意义。
最近20多年来，国际社会能源紧缺压力越来越大，越来越多的目光投向了风电，风电因此发展的非常迅速，技术越发成熟，应用的规模也在不断增长。在当前的风力发电市场，风力发电机组的安装绝大多数是以管塔，横轴，风向，三叶的形式，其他的形式出现的很少。风电产业整体上的技术意识不再具有很大的差异，开始重视大规模，高质量，高效率的发展，向变桨距机组发展成为了新的发展趋势。风力发电机的失速功率调节模式和可变桨距调节是大多数风力发电机中风能收集和转换的主要功率调节方法。风轮机的叶片处于失速功率调节模式时，不可以围绕轴线旋转，功率的调节是通过叶片本身的失速特性实现的。由于这种方法具有结构简单、故障概率低的特点，在风力发电机中曾经得到广泛的应用。 但是这种类型的风电机也一些缺点，其中叶片的失速性能会影响风力发电机的性能是主要的缺点，发电量下降时风力会超过额定值，是因为额定风速偏高。由于刀片的结构和形状复杂，比较重，会造成风轮惯性，这也是一个缺点，在大型风力发电机组中这种情况表现的更加明显。 风力发电机组正从定转速向可变转速机组发展，风力机如果采用变速恒频技术，风力机的风轮转速就是可以调整的了。 可以根据风力发电机的风速调整风力发电机的转速，以最大化风能，改善风力机的转换效率。 采用双馈异步感应发电机技术的变频技术可以使发电机始终处于最佳工作状态，提高了机电转换效率。
1.2 风力发电控制系统的研究现状
20世纪 90 年代以来，变速恒频系统成为国外建立大型风力发电系统使用的主流方法。其原因是运用变速恒频发电系统的风机能在极大的风速范围内以最佳效率运行。如今经过我国科研院所、企业的艰苦奋斗，变速恒频发电的技术要求已被攻破，风电市场开始出现一些国产化的产品。就理论而言，变速恒频技术是当前最有效的调节方法，可用于变速恒频发电的系统有多种类型，下面是对这些系统的简单介绍：
( 1 )鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统
使用的发电机是鼠笼式转子，它可以在定子电路完成变速恒频控制。风力机以及发电机的转速只受风速的影响，因此发出的电的频率是一直变化不断的，要把频率变化的的电能转化为与电网频率相同的恒频电能，只需在定子绕组与电网之间安装变频器就行了，但是变频器的容量要和发电机的容量相同，因此同样运用鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统，大容量的风电机变频器的成本、体积将多出许多。
( 2 )永磁发电机变速恒频风力发电系统
与鼠笼式变速恒频风力发电系统相仿，区别只在于采用的发电机为永磁发电机，转子不要励磁电源。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，将发出的频率变化的交流电通过变频器，转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量要与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机直接耦合，即直接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提高可靠性。但由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高。
( 3 )带变频器的同步发电机风力发电系统
首先将风能转化为频率变化的电能，然后通过变频器，将频率不断变化的电能转化为与电网频率相同的电能，最后送入电网。带变频器的同步发电机风力发电系统的优点是：不需要中间调速机构，就能够在较打大转速范围内得到频率不变的交流电。缺点和上面的两种系统相差不大。
( 4 )交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统
交流励磁双馈电机定子接入电网，双向变频器一边接电网，一边接转子，提供的三相励磁电流的频率、幅值、相位都是可以调节的。磁场旋转速度用ωs表示 ，转子的机械转速用ω表示，定子磁场的同步转速用ω0 表示，三者关系可以表示为ω0 =ωs +ω ，因此能够在发电机定子绕组中感应出同步转速ω的工频电压。当电机转速ω 变化时，只需要相应地改变旋转磁场的转速ωs与转子绕组电流的频率和 ，就能够使定子旋转磁场ω0 不会变动，从而能够实现变速恒频控制。与上面的三种系统相比，交流励磁双馈电机革新在于变速恒频控制的完成是在转子电路中，所以变频器容量的要求很小，只是定子额定功率的 1/3左右，这样变频器的成本就降低了很多。发电机可以在较宽的范围内超同步速、亚同步速和变速运行。还能够方便的控制有功、无功功率。缺点是依然存在滑环和电刷现象。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/2331.html
