2MW直驱式风力发电控制系统研究毕业设计论文.doc

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1、本科生毕业设计说明书题 目：2MW直驱式风力发电控制系统研究49 2MW直驱式风力发电机控制系统研究摘要本文首先对风力发电的现状以及前景展望作了简要的介绍，并主要对2MW直驱式风力发电机的变流电路作了详细的分析。具体研究内容如下：研究了阵风、渐变风和随机风的数学模型，介绍了风能转换基本原理、风力机模型和桨距角控制策略。并由风能利用系数与桨距角、叶尖速比的关系曲线，详细阐述最大风能捕获原理。介绍了直驱式各种变流电路和变流方式及其优缺点，重点研究了2MW直驱式风力发电机的变流主电路，并分别研究其整流升压逆变部分。分析了同步电机的数学模型，进行了CLARK变换和PARK变换以此来研究定子方程和转子方

2、程。同时也进行了同步电机的矢量控制分析，把直流电机的控制思想移植到交流电机上，把交流电机当直流电机来控制。关键字：风力发电；直驱式同步发电机；变流电路；矢量控制 毕业设计说明书Study on control system of 2MW direct-drive wind turbineAbstractThis paper firstly has a brief introduction of the status and prospects of wind power, and then analyzes current circuit of 2MW direct-drive wind tu

3、rbine in detail, Specific studies are as follows:(1)The mathematical model of gust, ramp change of wind speed and random change of wind speed has been studied, and the basic principles of wind energy conversion, wind turbine model and the pitch control strategy has been described too. With power coe

4、fficient and pitch angel, this article elaborates maximal wind energy capturing principle.(2)Introduced advantages and disadvantages of direct-drive current circuits, then mainly made a study on current circuit of 2MW direct-drive wind turbine, and made a research on current circuit, boost circuit a

5、nd inverter circuit of it respectively.(3) Analyzed mathematical model of synchronous motor and study the stator and rotor equations with CLARK and PARK transform equations. Also conducted a synchronous motor vector control analysis, used control ideas of the DC motor to study AC motor and controlle

6、d AC motors as DC motors.Keyword: wind power generation; direct-drive synchronous wind power system; current circuit; vector control目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景11.2 风力发电系统的研究现状21.3 风电的未来发展趋势41.4 国内外风电发展现状61.4.1 世界风电概述61.4.2 国内风电概述9第二章 风力发电系统工作原理及其空气动力学模型和原理112.1 风力发电系统工作原理112.2 风力机模型122.2.1 空气动力学

7、模型122.2.2 风速模型132.2.3 风能转换原理152.2.4 定变桨距发电机组和桨距角控制模型172.3 最大风能捕获原理20第三章 直驱式并网系统中的变流部分研究233.1 永磁直驱式同步发电机并网方式233.2 直驱式风电系统中的各种变流电路243.3 直驱式并网型风电系统的变流方式273.4 变流器主电路研究以及工作原理293.4.1 主电路的结构293.4.2 主电路的工作原理303.4.3 整流部分的电路的工作原理303.4.4 升压斩波电路以及恒压输出原理32第四章 永磁同步电机的数学模型及矢量控制364.1 基本坐标变换关系364.2 三相静止坐标系下永磁同步电机基本方

8、程384.3 同步旋转坐标系下永磁同步电机数学模型404.4 永磁同步发电机的矢量控制技术424.4.1 永磁同步发电机的电流控制策略424.4.2 单位功率因数控制策略44第五章 总结与展望47参考文献48致谢50毕业设计说明书第一章 绪论1.1 课题背景能源是人类文明历史发展赖以存在和发展的重要物质基础，在过去的很长时间里，以煤炭、石油、天然气等为主的化石能源极大地推动了人类历史的发展。长久以来，在大量使用化石燃料发展经济的同时，造成了严重的环境污染和生态系统的破坏，如大气污染、水污染、臭氧层破坏、物种濒危、绿色屏障锐减、地荒漠化、酸雨侵害、温室效应、垃圾积留、人口激增等问题，国际上概括为

9、“3P”和“3E”问题：Population（人口）、Poverty（贫穷）、pollution（污染）、Energy（能源）、Ecology（生态）、Environment（环境）。随着经济快速发展和人口的不断增长，能源需求与日俱增，加快了能源的消耗，导致了以石化燃料为主的不可再生能源面临资源枯竭的严峻形势。据专家统计，如果按照现在的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可供开采200年，预测已探明的石油储量仅能开采40年，天然气能开采60年1。与此同时，日益严重的环境污染问题也需巫待解决，因此，我们当下正面临着能源危机和环境保护两方面巨大的压力。从人类长远的发展来看，走可持续的发展道路，大

10、力开发利用新能源、发展可再生能源，已经成为人类社会发展的一项重大战略举措。可再生能源主要有太阳能、水能、风能、海洋能、氢能、地热能以及核能等。由于具有可再生、无污染、绿色环保等显著优点，风力发电成为当前的研究热点之一。风能是由于地球表面大量空气在不停地流动而产生的动能，约有2%的太阳辐射能转变为风能。据官方统计，全球共有风能资源约4.3l09 MW，其中可用的风能资源大概为2l07 MW，达到全球能源需求总量的15倍以上2。 与传统发电方式比较，风力发电具有很多自身的优点，具体表现如下：可再生清洁能源。风能是一种绿色无污染可再生洁净能源，基本上不消耗资源，更不会污染环境，具有火力发电无法比拟的

11、优点。可靠性高。目前，大中型风力发电机组的可靠性从20世纪80年代的50%提高到98%，超过了火力发电，而且机组寿命也超过了20年。运行维护简单。由于采用了微机技术，现代大中型风力机具有很高的自动化水平，具有风机自诊断功能，其安全保护也越来越完善，不仅可以实现单机独立控制，而且也能实现多机群体控制和远程遥控，完全可以做到无人值守，必要时，只需进行定期的维护，避免了火力发电存在的大修问题。实际的占地面积小。根据统计的结果，变电、监控和机组等建筑仅占传统火力发电厂使用土地面积的1%，其余的场地仍可供其他方面使用。发电方式多样化。风力发电不仅可并网运行，也可和太阳能发电、柴油发电、水利发电等其他能源

12、组成互补系统向电网供电，同时也可独立运行。这样，为解决边远供电困难或无电地区的用电问题，提供可能性。正是因为风力发电具有如此多的优点，欧美各国早就重视风能的发展，他们通过立法或实行各种优惠政策积极激励、扶持和推进风力发电的发展。最近这些年，风力发电在亚洲国家以及其他地区国家发展非常迅速。据估计，世界范围内每年可开发的风能约为53万亿kWh。全球风电总装机容量在2020年可能达到1231亿kW，其中我国风电装机容量占0.14%，可达1.7亿kW。1.2 风力发电系统的研究现状按照控制方式来划分，风电系统可分为恒速恒频系统（CSCF）和变速恒频系统（VSCF）两大类。CSCF系统的特点是，不管风速

13、怎么变化，始终维持风力机转速为恒定值，这个值一般是同步速，从而实现恒定发电频率，其中，发电机大多数为同步发电机或感应发电机。当风速不断变化时，风机叶尖速比不可能一直持在最佳值状态，也就不能实现风能最大捕获的目的，导致风能转换效率比较低。由于CSCF系统还是一种刚性的耦合系统，在风速突变时，风力机的叶轮将要承受巨大的扭力和风力摩擦，时间久了，将会造成严重的磨损。为了使机械转速保持不变，风力同样会在风机主轴、齿轮箱、电机等部件上产生巨大的机械应力，这些都会减短风机的使用寿命。在并网运行时，将会给稳定运行的电力系统带来潜在的影响。在VSCF风电系统中，当风速不断的变化时，风机始终能够保持在最佳叶尖速

14、比，从而提高风能的转换率，通过恰当的控制策略从而产生恒定频率的电能。相对于CSCF发电系统，VSCF风能的利用率较高，各个部件受到的机械应力得到了显著的下降，降低了运行的噪声。近年来，由于引入了电力电子装置，变流机组的控制灵活性提高了，使得机组性能符合了电网公司的高标准，从而进一步提高了电力系统调节的灵活性和暂态、静态稳定性。由于具有以上种种优点，VSCF发电系统己经开始逐渐地取代了CSCF发电系统，在2004年和2005年，在全球所安装的所有风电机组中，92%的风电机组应用了VSCF系统，并且这个比值还在不断上升。目前，VSCF型风电机组主要可分为两种：基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组和基

15、于永磁同步发电机的直驱型机组345，基本结构图分别如图1.1和图1.2所示。图1.1 双馈型机组结构图图1.2 直驱型机组结构图在双馈风力发电机中，发电机转子与风力机之间通过齿轮箱藕合相连，发电机定子三相绕组与电网直接相连，转子绕组三相接头与电网之间通过背靠背变换器相连。通过控制转差功率，发电机可在次同步、同步、超同步三种工况下运行，同时，电机也有较宽的转速调节范围和较强的网侧功率控制能力。一般，在双馈风力发电机组中，选取的变流器通常是部分功率变流器。由于仅仅输送转差功率，通常使用机组容量的1/3-1/2倍作为变流器容量，价格和成本比全功率变流器要低许多，因此具有一定的诱惑力。正因为具有那么多优势，在风力发电行业中，变速恒频双馈型风电机组应用非常广泛。从21世纪初开始，双馈型风电机组占有的市场比例已高于CSCF风电机组，并且从此成为了大规模并网风电机组的主流机型6。但是，在工作过程中，双馈型风电机组的缺点开始显现出来了。首先，齿轮箱的成本很高，并且由齿轮箱自身导致的噪声问题和漏油问题都不能得到完全地解决，能量转换效率还是较低，系统的可靠性也得不到保证；其次，必须按时对双馈电机中的电刷和滑环进行维护，大量的检修工作在某种程度上降低了系统的可靠性。电机在低负荷下