直驱风电系统最大功率捕获技术的仿真研究

论文摘要

现有小型风电系统一般采用发电机输出经过不控整流后直接对蓄电池充电或再经过逆变后供给负载用电,并没有对风电转换环节进行控制,使得风能利用系数比较低,一般在0.3左右。据贝兹理论风能利用系数的极限值为0.593,如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行,年发电量可以提高20%～30%。本文主要研究小型变速直驱风力发电系统的风能捕获策略,以达到最大限度抽取风能的目的;为使风能变为通常用户能够使用的三相电能,变速风力发电机要求有一个功率电子转换器把变频变压的电能转换成恒压恒频的电能输出。主要研究工作及成果如下:第一,对风力发电系统的风力机,同步发电机,整流器和逆变器三个组成部件的特性进行分析,手工建立数学模型并用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立仿真模型。第二,在数学模型的基础上对直驱风电系统最大功率捕获技术进行仿真分析。本文提出通过转速控制策略来实现风力机的最佳运行,从而提高风能利用系数到最大值（本文风力机最大Cp为0.46）,实现额定风速以下最大限度捕获风能的目的。尽管不同的风力机都有各自λ-Cp特性,但都对应有最大值,特性规律类似。第三,当风速超过额定风速（本文的风电系统为12m/s）时,采用增大发电机负载转矩的方式来限制风力机的功率输出,使风电系统能够安全运行。第四,当发电机组达到最优运行时,通过控制整流器使其输出恒定的直流电压和通过控制逆变器输出合适的交流电压。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 世界能源消费现状
• 1.1.2 中国能源消费现状
• 1.1.3 我国的风能资源及分布
• 1.2 国内外风电研究的现状
• 1.2.1 世界风电发展现状
• 1.2.2 中国风电发展现状
• 1.3 风力发电机组能量捕获技术
• 1.3.1 恒速恒频发电机系统
• 1.3.2 变速恒频发电机系统
• 1.4 风力发电功率调节技术
• 1.4.1 变桨距功率调节与定桨距失速功率调节
• 1.4.2 主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合
• 1.5 风力发电计算机仿真技术
• 1.6 风电技术发展趋势
• 1.7 本文主要研究内容
• 第二章 直驱风电系统构成
• 2.1 风力机
• 2.2 低速交流发电机
• 2.3 整流逆变装置
• 2.3.1 不控整流与相控整流
• 2.3.2 三相高频PWM整流
• 2.4 控制部分
• 2.5 限速装置
• 2.6 尾舵
• 第三章 系统建模
• 3.1 引言
• 3.2 风力机数学模型
• 3.3 永磁同步发电机数学模型
• 3.4 整流器及控制数学模型
• 3.5 三相逆变器数学模型
• 第四章 最大功率追踪控制
• 4.1 引言
• 4.2 尖速比控制
• 4.3 转速控制
• 4.3.1 风速的测量
• 4.3.2 发电机转速的测量
• 4.4 逆变器电流滞环控制
• 4.4.1 电流滞环控制
• 4.4.3 逆变器的电流控制
• 4.5 失速功率调节
• 第五章 系统的运行仿真分析
• 5.1 MATLAB及其仿真简介
• 5.2 风电系统各部分仿真
• 5.2.1 仿真参数
• 5.2.2 仿真
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录