最大功率跟蹤控制在直驅型風力發電系統中的應用畢業論文(存儲版)

　　

【正文】 磁同步發電機轉子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發電機的維護工作，并且降低了噪音。圖31所示為TSR的控制原理框圖，將風速v和風力機轉速ω的測量值作為控制系統的輸入信號，通過計算得出風力機此時的實際葉尖速比λ，然后與風力機的最佳值，相比較，所得誤差值用來對風力機的轉速進行控制，直到風力機運行在最佳葉尖速比上。如果只是當前風速下風力機的最大功率輸出點，ω1是此時風力機實際的風輪轉速，PSF控制算法將由該轉速ω1，根據最大功率曲線計算出相應的最大輸出功率，并將它作為風力機輸出功率的給定值；由于風力機此時的輸出功率只小于風力機實際捕獲的機械功率，風力機的轉速ω將從逐漸增加到ω0，隨著轉速ω的增加風力發電系統在PSF的控制下最終將運行在最大功率點P0上。每條曲線的形狀就像一座小山，有了這種關系，我們就不需要知道任何P(ω)曲線的細節，也不需要知道實際的風速v，只需要檢測風力機的轉速ω和輸出功率P的改變，根據登山搜索算法來搜索最佳的參考速度，在該速度下風力機的輸出功率最大，即為山坡的頂點。重復這個過程直到系統運行點為(ω1,P1)， 這時即為風速下的最大功率點。 最大功率點跟蹤控制系統的設計在綜合分析研究以上三種最大功率點跟蹤控制算法優缺點的基礎上，本節提出了一種新的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法即根據風力機的輸出功率和轉速的變化來確定風力機實際工作點(即確定風力機的實際運行狀態點)與該風速下的最大功率點(MMP)的關系：在風力機的運行過程中實際工作點是在趨向于最大功率點還是在背離最大功率點，并以此作為調節圖31的風力發電系統拓撲結構中的雙重Sepic變換器PWM觸發脈沖的脈寬大小，以調節三相不控整流橋輸出端電容上的電壓值，實現對風力機的變速控制，使風力機跟蹤最大功率點：該方法不需要知道風力機的最佳功率曲線，也不需要測量風速。圖39 風力機狀態點趨向于最大功率點(4)P(k1)P(k)且ω(k1)ω(k)表示轉速增加后，風力機輸出功率減小了，根據這一關系可以確定，K1時刻與k時刻風力機的運行狀態點都在最大功率點的右側(如圖310)，且K時刻的狀態點比Kl時刻的狀態點遠離最大功率點。三角波發生器產生的三角波與積分器輸出的帶有轉速控制信息的調制波相比較后就得到所要的PWM觸發脈沖，用來調節三相不控整流橋輸出端電容上的電壓，進而對發電機的轉速以及風力機的轉速進行控制，實現對最大功率點的跟蹤該控制算法的缺點是當風力機的慣性比較小時，控制效果比較好；而對于大慣性的風力機，則控制效果非常差，幾乎達不到對最大功率點的跟蹤。由此得到以下方程：Udc1Idc1ton=（Udc2Udc1）Idc2toff(41) 因兩邊電流相等，用占空比α表示為:Udc2=Udc1(ton+toff)/toff= Udc1/(1α)(42)其中占空比α表示為： α= ton/(ton+toff)(43)當風力發電機輸出電壓隨風速變化時，DC—DC變換器的輸入電壓Udc1也隨之改變，通過調節PWM觸發脈沖的占空比α大小，使輸出電壓Udc2不變。因此，本文功率開關器件選擇使用IGBT。模擬電感值為30mH。與相電壓Us和Is之間的關系如下： Udc1= （412） Idc1= （413）在確定總體控制策略的基礎上，對負載變換的DC／DC變換器進行了設計以及對不控整流器進行了概述。Sepic變換器輸出端的濾波電容大小為47000e6F。圖58 風力機輸出相電壓電壓經過主電路和控制電路作用后的負載電壓如圖58示。人類社會發展的歷史與能源開發和利用水平密切相關。 中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會與NREL合作，在UNEP的支持和資助下，對中國部分地區的風力資源進行了詳細的測算，初步結論是不包括新疆、西藏等西部地區，風能密度在300瓦／平方米以上的陸地面積超過65萬平方公里，可以安裝風力電機組37億千瓦；風能密度400瓦／平方米以上的陸地面積超過28萬平方公里，可以安裝14億千瓦的風力發電設備；如果再考慮海上風能資源開發潛力，可能超過20億千瓦的發電裝機和4萬億～5萬億千瓦時的電量?晦兒引。 (2)功率反饋法 功率反饋法的基本思想當風速變化時，首先測量得到轉速，根據風力機同有的最優功率曲線計算此時的發電機輸出參考功率，對發電機進行功率調節保證風力發電機運行在最優功率曲線上實現最大風能跟蹤。當電路處于穩態運行時，一個周期T內電感儲存的能量和釋放的能等即UdciIdclton=(UdcoUdci)Idcltoff,Udci=Udco(1D),Idcl(1D)=Idco。 ：整理研究所有資料，以及參考實驗數據并與理論比較，撰寫論文。 4.（13—16周）系統仿真實驗研究。 (4)變速恒頻發電技術所謂變速恒頻,就是通過交直交系統,先通過電機發出交流電,作為風電,這種電流是不穩定的,比如三相橋或者12相整流,把交流轉化為直流,然后再用逆變器,通過PWM控制,達到一個穩定頻率的三相電流。另外，發電機也會經常碰到大滯后、時變、非線性負荷影響，還有葉片上的沉積物、下雨、老化、大氣條件、電網電壓和頻率變化等誤差源和不確定因素，使得控制過程和系統數學模型變得非常復雜，因此對于風力發電機很難總結出一個精確的數學模型。比較之后決定用MATLAB。其三相電路對稱，則發電機輸出的相電壓可表示：= （1） 式中： 為發電機定子電阻； 為發電機同步電抗； 為相電流；為與永磁同步電機拖動轉速成比例感應電動勢，且有：=Kφ（2)式中：k為電機常數，φ 為發電機的勵磁磁通；為機械角速度。變換器輸入電阻。 假設等效電路的電感和電容足夠大，開關器電流經電感平穩，輸出直流電壓經電容得到平穩的當開關管SW 開通()時，能量儲存在電感L兩端，關斷（），能量被轉移到電容C兩端。可通過調節PWM脈沖，改變開關管的占空比α，完成改變負載的功能，以實現負載阻抗的匹配，進而實現最大風能捕獲。通過畫一些簡單的圖去熟悉其用法。與定速恒頻風力機組相比，變速恒頻風力機組可以在風速低于額定風速時，通過調節發電機轉子轉速，盡可能多地捕獲風能，同時穩定發電機輸出能的頻率；在風速高于額定風速時通過變槳距保持額定發電功率。 (2)變槳距發電技術 變槳距風力發電機組與定槳距JxL力發電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩的特點。 2.（5—8周）完成主電路和控制電路方案選擇，對所設計的系統進行理論分析。制定研究方案和專題研究計劃，搜索、整理、歸納研究中所獲得的文獻資料，以及怎樣開展研究等等。當功率開關S0導通時．電源向電感充電，同時電容向負載供電，設導通的時間為ton，此段時間電感上儲存的能量為UdciIdclton。該方法需要測量風速、轉速還需要知道風力機固有的葉尖速比曲線，由于風速的實時準確測量較為困難，因此該方法在實際應用中存在一些問題。風力發電作為一種新型的可再生能源，是全球范圍內增長最快的一種能源形式，具有環境友好、技術成熟、全球可行的特點，在世界各地得到越來越廣泛的應用H1。通過登山搜索控制，再經控制器調節產生變化的PWM觸發脈沖，實現對發電機及風力機的變速運 行控制以及對最大功率點的跟蹤，從而驗證了該MPPT控制策略的正確性。系統輸出功率如圖57所示。圖51 主電路仿真模型三相不控整流橋中選用的二極管為普通二極管，其正向電流定額和反向電壓定額分別可達數千安和數干伏以上；雖然其反向恢復時間一般為5us，適用于開關頻率再lkHz以下的整流電路中，由于本仿真系統中發電機的轉速不是很高，整流二極管的開關頻率遠在lkHz以下，所以選用普通二極管來構建三相整流橋是合適的。為簡化分析，如果忽略線路漏感等影響，設 Ulm為線電壓峰值。 儲能電感L的選擇電感器本身就是一個儲能原件，其儲存的電能與自身的電感和流過它本身的電流的平方成正比：E=L*I*I／2。IGBT是在MOSFET基礎上研制成功的，它兼有功率MOSFET高輸入阻抗、高速特點和巨型晶體管大電流密度特性，具有安全工作區寬、易于并聯等獨特優點，IGBT被認為是理想的新型電力電子器件。圖41 Boost等效電路假設等效電路的電感和電容足夠大，開關器件 電流經電感平穩，輸出直流電壓經電容得到平穩的Udc2。比例系數C用來調節sepic變換器的PWM觸發脈沖占空比的變化速率，比例系數C選的越大，則PWM觸發脈沖占空比的變化速率就越快，風力機轉速的變化率就越大，相應地對最大功率點的跟蹤速度就越快，但是太大的轉速的變化率容易引起風力機輸出功率的大幅度的波動。圖38 風力機運行狀態點偏離最大功率點(3)P(k1)P(k)且ω(K1)ω(k)表示轉速減小后，風力機的輸出功率增加了，根據這一關系可以確定，K1時刻與后時刻風力機的運行狀態點都在最大功率點的右側(如圖3—9)，且K時刻的狀態點比k1時刻的狀態點更加接近最大功率點。但是對于慣性較大的大型風力機系統，由于風力機具有較大的轉動慣量，系統的時間常數較長，因此登山搜索算法對整個風電系統無法進行有效的控制。圖35 登山搜索示意圖在圖3—5中，假設風速發電機運行在A點，即風機運行在Pω特征曲線的(ωA,PA)處。圖34 風力機輸出功率與轉速關系假設風力機轉速的增加引起風力機輸出功率的增加，HCS控制使風機轉速沿著上升的區域接近最大功率點，反之，將減速使風力機沿著下降區域接近最大功率點。 功率信號反饋算法Power Signal Feedback(PSF)Control功率信號反饋(PSF)控制原理：測量出風力機的轉速ω，并根據風力機的最大功率曲線計算出與該轉速所對應的風力機的最大輸出功率P，并將它作為風力機的輸出功率給定值，對風力機進行控制，以實現對最大功率點的跟蹤。 葉尖速比控制算法TipSpeed—Ratio(TSR)Control葉尖速比(TSR)控制算法是要維持風力機的葉尖速比力在最佳值丸。在大力開展風能利用的今天，風力發電機組的發電量正在不斷增加，對風力發電機組可靠性和效率要求也在不斷提高，齒輪箱的存在嚴重限制了風力發電機的發展。據統計，采用變速恒頻風力系統，在風輪直徑和風能資源相同的條件下，年發電量比恒速恒頻系統可增加20％30％。在低風速時，將槳葉節距調節到可獲取最大功率位置，槳距角調整優化機組功率的輸出；當風力機發出的功率超過額定功率后，槳葉節距主動向失速方向調節，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化，槳葉僅需要微調維持失速狀態。當轉速達到一定時，再調節到0176。目前的水平軸風力發電機按照轉速和功率調節方式的不同可以分為以下幾種：(1)定槳距失速調節型定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。(8)電控系統：完成整個發電機組的控制、電壓并網和遠程通訊等控制功能。(2)傳動系統：將風輪捕獲的機械能傳遞到發電機。能量的轉換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發電機的型式而異。針對直驅永磁同步發電系統提出了一種爬山搜索控制策略。為連接轉速不同的風力機與發電機，采用轉速比較高的(如l：50)齒輪箱傳動裝置不可避免。無刷雙饋發電機組雙饋無刷發電機定子有兩套級數不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網；另一個稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網，取消了電刷和滑環，轉子的極數應為定子兩個繞組極對數之和。目前具有變速恒頻發電技術的機組主要有：雙饋型風力發電機組雙饋異步發電機是結合了異步發電機和同步發電機的優點而發展起來的一種新型發電機。無論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統都能通過調整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。事實上，如果沒有其他的措施的話，變槳距風力發電組的功率調節對高頻風速度變化仍然是無能為力的。早期的定槳距風力發電機組風輪并不具備制動能力，脫網時完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機械剎車裝置進行制動，這對于數十千瓦級機組來說問題不大，但對于大型風力發電機組，如果只使用機械剎車，就會對整機結構強度產生嚴重影響。近年來，可再生能源利用的迅猛發展特別是風力發電的高速增長引起了能源界的高度重視。(3)減少能源損耗，減少溫室氣體排放風能屬于可再生能源，風電作為一種溫室氣體零排放的替代能源技術，被廣泛認為有可能在未來取代傳統的化石燃料，選擇風力發電可以延緩煤、石油、天然氣等常規能源日益嚴峻的枯竭趨勢。利用風能來發電，能減少環境污染、保護氣候資源，使人類的健康和地球上的生命免受不良影響。據專家預測，為實現中國2020年國民生產總值翻兩番的目標，能源供應至少要翻一番，2020年中國僅用發電的煤耗將需要近14億噸標煤，能源供應需求量將超過30億噸標準煤。我國能源發展面臨的問題日益突出，概括起來主要有四個方面：(1)能源資源總量少，優質資源尤其短缺中國人均擁有能源只有世界平均值的40％，特別是中國石油資源量嚴重不足，最終可開采儲量僅占世界石油可采儲量3％左右，剩余可開采儲量僅占世界剩余可開采石油儲量的1．8％。歐美都公布了2030年風電發展目標，提出了2030年風電滿足20％甚至更多電力需求的宏大目標，屆時都將發展約3億千瓦的規模，這也為全球風電的長期發展定下了基調。目前在全球范圍內，歐洲和美國在風電市場中占統治地位，其中德國是目前風電裝機容量最大的國家，裝機容量超過2000萬千瓦，美國和西班牙也都超過了1000萬千瓦。穩定、可靠和清潔的能源供應是人類文明、經濟發展和社會進步的保障，石油、天然氣、煤等化石能源在上兩個世紀無疑促進了人類文明的進步和發展。近年來在世界能源消費構成中，占能耗比重展大的是石油，其次是煤和天然氣，這些都是非可再生能源資源。全球已有35個發達國家和100個發展中國家制定了全國性的可再生能源的發展目標。經過30年的努力，隨著市場不斷擴展，風電的成本也大幅度下降，每千瓦時風電成本由20世紀80年代初的20美分下降到2007年的46美分。以歐美等發達國家為代表，全球風電呈現出規模