摘 要

风能作为一种成熟清洁能源，已经成为继水电之后的第二大可再生能源。目前，风力发电技术逐渐成熟起来，风电发电的最大功率追踪一直是研究的热点。本课题围绕风力发电系统中的最大功率追踪部分展开了理论研究和实践活动。本文采用的是基于功率追踪曲线下的最大功率控制和变桨距控制，通过两者之间的互相配合达到追踪最大功率的目的。

首先，本文在第一章介绍了风力发电的历史、发展现状；由于风力发电系统的建模是本课题的基础，所以在第二章对风力发电机的基本特性进行了分析，探讨了输出功率的影响因素，并根据风速的不同将风力机的运行区域进行了分类：启动并网区域、最大功率跟踪区域、转速恒定区、恒功率运行区、停机区，之后根据不同区域下的限制条件绘制出了最大功率追踪曲线。然后，本文选择了双馈异步风力发电机作为研究对象，并对其进行了建模，以便于后续对于风力机的控制。最后，综合考虑不同区域下风力机的控制方法和控制目标的要求，在MATLAB中搭建了仿真模型，并验证了不同的风速下、风速阶跃的情况下是否能有效快速地追踪最大功率。

关键词：风力发电；最大功率追踪；双馈异步风力发电机；MATLAB 建模

Abstract

As a mature and clean energy, wind energy has become the second renewable energy after hydropower. At present, the technology of wind power generation has gradually matured. The maximum power tracking of wind power generation has always been the focus of research. This topic focuses on the theoretical research and practical activities of the maximum power point tracking in wind power generation system. The maximum power tracking method used in this paper is based on the power feedback control of the power tracking curve. Through the feedback of the electromagnetic power and the actual speed of the machine, the speed of the fan and the pitch angle are adjusted to track the maximum power.

Firstly, this paper introduces the history and development of wind power generation in the first chapter. Because the modeling of wind power generation system is the basis of this project, the basic characteristics of wind turbine are analyzed in the second chapter, the influencing factors of the output power are discussed, and the operation area of the wind turbine is carried out according to the different wind speed. Classification: starting with the grid area, the maximum power tracking area, the constant speed area, the constant power operation area, the shutdown area, and then draw the maximum power tracking curve according to the restricted conditions under different regions. Then, this paper selects the doubly fed induction generator as the research object and modeling it, so as to facilitate subsequent control of the wind turbine. Finally, considering the requirements of the control method and control target of wind turbines in different regions, a simulation model is built in MATLAB, and the maximum power tracking ability is verified under different wind speeds.

Key words: wind power generation; maximum power point tracking; doubly fed induction generator; MATLAB modeling

目录

摘 要 2

Abstract 3

目录 4

第1章 绪论 1

1.1风力发电的背景和意义 1

1.2 风力发电的发展史 1

1.3全球风电产业的发展现状 3

1.4 论文的内容安排 4

第2章 风力发电系统的建模 5

2.1风力发电机的组成结构 5

2.2风力发电机的基本特性 6

2.2.1风力发电的理论基础 6

2.2.2贝兹理论 8

2.3风力发电的功率调节 9

2.3.1风力机的功率-转速特性 9

2.3.2 风力机的功率跟踪曲线与运行区域 10

2.4 风力机的功率调节方式 12

2.5 本章小结 13

第3章 DFIG最大功率追踪的设计与仿真 14

3.1 双馈异步风力发电机 14

3.2 DFIG的控制策略 14

3.3 最大功率跟踪的设计 15

3.4 MATLAB模型的建立 17

3.4.1最大功率跟踪控制器的设计 17

3.4.2桨距角控制器 19

3.5 MATLAB模型的仿真 20

3.5.1 恒定风速下的仿真结果 20

3.5.2 阶跃风速下的仿真结果 24

3.6 本章小结 27

第4章 总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

致 谢 29

参考文献 30

第1章 绪论

1.1风力发电背景和意义

人口持续增长以及全球经济不断发展对能源需求提出了更高的要求，这使得使用传统化石能源面临的许多问题逐渐凸显出来，如环境污染加快、能源紧张等。煤、天然气和石油在当今世界能源比例中任然非常重要，目前这三者占一次能源消耗的80%以上^[1]。由于传统化石能源十分稀缺，加之所具有的不可再生性，其价格不断上涨，按照目前世界上的已知的储量消耗速度和消耗速度，传统化石能源很可能在40到200年内逐渐耗尽^[1]。因此，迫切需要寻找清洁且可再生的替代能源也成为当今世界需要解决的主要问题之一。

可以用来替代传统化石能源的主要包括水，核能等可再生能源。水能与核能由于其清洁可靠，都是现阶段的首选，但水电开发总量有上限，且水电站的建立对自然环境有一定影响；核能面临的主要问题是核泄漏的风险较大，核废料处理难度较大。可再生能源还包括风能、太阳能等等。根据目前的发展情况，风电是一种具有高度商业化，开发利用和可再生能源技术成熟度的发电方式。

风能是清洁无污染的可再生能源，在中国广泛分布。世界上风电总量十分可观，此外，风力发电没有燃料价格风险且不需要外部能源提供动力，发电成本也低。正是由于这些优势，风电已经成为许多国家可持续发展计划的重要组成部分，发展非常迅速。主要发达国家和许多发展中国家已经将风能、地热能等可再生能源发展作为应对新世纪气候变化和能源变化双重挑战的重要手段。

1.2 风力发电的发展史

人类利用风能的历史最早可以追溯到公元前，当时的风能主要是航海时用来助航。大约在1000前^[2]，人们就已经掌握了帆船技术，即依靠风力直接推动帆使船舶航行，然而电能具有能远距离传输的特点，而机械能则不可以。因此，风能利用的主要方式是将风能转化为电能。具体而言，风的流动驱动风机涡轮机的叶片将风能转化为机械能；然后风机驱动发电机轴旋转，将机械能转化为电能以进行长距离传输。但是风能具有能量密度低、间歇性和波动性等不利性质，其可控性和可调节性不如常规能源。

近年来，由于环境影响小、发电成本低、规模效益显着、技术迅速，风力发电已成为增长最快的新能源，并以开始大规模上网。但是与传统能源发电几乎同时代出现的风力发电却经历了近百年的技术积累时期。风力发电发展的历史可以大致分为以下几个阶段：

（1）从19世纪末到20世纪60年代末，风能发展仍处于小范围。1887左右，Charles F.Brush（美国电力行业的主要创始人之一）在俄亥俄州安装了第一台风力发电机。这台电机的风机安装有144个叶片，叶轮直径达到了17m。然而，这钟风力发电机在低风速下的效率并不高，仅为12kW。1891年，丹麦科学家Poul La Cour在此基础上进一步发展了风机，他发现叶片较少，但旋转较快的风力发电机比叶片多但转速慢的风力发电机更高效。利用这个原理，他设计了一台发电功率为25千瓦，但只有四个叶片的风力发电机。丹麦因为能源匮乏，风力发电得以在此得到持续的发展。第一次世界大战结束后，丹麦成立了数百个小型风力发电站。1957年，丹麦Geders海岸安装了一台200千瓦的风力发电机。与此同时，在美国和德国，一些风力发电机的设计理念相继出现^[2]。

（2）1973年的石油危机的出现也刺激了风力发电的发展。大约在1970年，有两次能源危机发生了，这期间世界范围内各种传统能源价格一路上涨，从而风力发电的发展在一些国家得到大力支持。超大型风力发电机得以被建立起来用于验证之前的猜想以及做进一步研究。Geders进一步改进了古典的三叶片逆风风力发电机的设计，并成为激烈竞争中的又一最大赢家。同时代的Tvind 2MW风力发电机也脱颖而出。这一台风力发电机叶轮直径为54米。其中最具代表性的是德国的GROWIAN，这是当时世界上最大的风力发电机组，额定功率为3兆瓦，风轮直径为100米。除此之外，加利福尼亚州的80年代也出现了加州风电潮。但是这些风力大电机的开发和实际运行中都或多或少的碰到了各种技术问题和实际问题而没有能够长期运行，但是在这些实践中，积累了大量的技术和经验。自80年代以来，世界上风力技术在世界上越来越商业化。随着风电技术商业化的不断发展，丹麦的许多农产品供应商已开始纷纷进入风力机相关机械产品的生产。由于这些公司通常拥有丰富的机械知识，他们很快就主宰了丹麦的风力发电机生产行业。这些公司的投资无疑对风力发电技术的发展起到了巨大的作用^[2]。

（3）现代风力发电技术阶段始于20世纪90年代。近代以来，风电开始大规模发展。经过了近百年的技术积累和经验积累，再加上风力发电产业成熟的商业化，大型风力发电机组技术不断成熟。大规模的风电的商业应用首先在北欧。1996年，Vestas公司也建造了1.5MW的风机样机。同年，在丹麦建成的Lesbihe风力发电厂配备了Bonus Energy的40台600千瓦的风力发电机。兆瓦级的风力发电机真正开始飞速的发展是在1998年，在这之前，600~700kW风力发电机时主流机型。从那以后，市场趋势开始显现，即向着更大的风力发电机、更大的发电厂规模发展。目前，风力发电机组市场的主流机型是1.5~2.5MW的风力发电机组。一般来说，考虑到风力发电机的起重和制造等因素，单机容量较大的风力发电机，其每千瓦的造价就越低。基于经济效益的绝对优势，风力发电机将继续向着更大的方向发展^[2]。

1.3全球风电产业的发展现状

在过去几十年里，风力发电行业发展的速度不断超过预期的发展速度。从2001-2010年，全球风力发电累计装机容量连续10年以接近30%的年均速度不断增长，也就是说每3年全球风电装机容量都要翻一番。2009-2013年，风力发电装机的速度开始放缓，但是全球风电市场依旧扩大了200GW左右。2013年全球风电新增装机容量为35.5吉瓦，累计装机容量已经达到了318吉瓦，预计2020年有望超过1500吉瓦^[3]。

表 1-1 2017年全球风机新增装机容量

风力技术的发展之前主要集中在欧美，但从今以后的一段时间里全球的风电发展格局将会发生改变：欧洲市场将会保持稳中有升，美国因为风电税额抵免政策的结束呈现不确定性；取而代之的是亚洲将成为风电的主导力量，拉丁美洲和非洲潜力也十分巨大，2017年全球新增风电装机容量中，中国已成为最大的国家，其次是美国、德国、英国等发达国家。总体来看，发展中国家逐渐成为了主导力量。目前而言，中国的风力发电总装机为世界第一，到2020年和2050年，我国风电装机容量计划将分别达到200GW和1000GW，发电量将占据总发电量的5%和17%，风电将一跃成为中国的五大能源之一。美国的目标则是到2030年风力发电占总量的30%；欧盟则将目标定在到2020年和2050年将风力发电的比重提高到17.5%和50%；丹麦计划到2020年将风力发电增加到42%。

风力发电技术已经十分的先进和可靠，并且随着风力发电成本的不断降低，风力发电技术在不久的将来将可以与传统化石能源相竞争。但是随着风力发电在电力系统所占的比重增加，其随机性、间歇性等特点对电力系统的影响日益显著。尽管目前我国风力发电量比重还低于欧美国家，但由于我国风电主要集中在三北地区，这形成了“大规模——高集中——高电压——远距离输送”^[3]的模式，该模式使得风电并网问题非常突出。

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