最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

燕山大学本科生毕业设计(论文)本科毕业设计(论文)最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用燕山大学年月摘要摘要燕山大学本科生毕业设计(论文)ntc摘要燕山大学本科生毕业设计(论文) 2 7 7 L 摘要燕山大学本科生毕业设计(论文)其次是煤和天然气，这些都是非可再生能源资源。已探明的石油储量将于第章绪论1.1.2我国发展风力发电的必要性人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械燕山大学本科生毕业设计(论文)界平均水平高出50％。在不远的基本趋势和特征。据专家预测，为实现中国2020年国民生产总值翻两番的问题带来新的希望。第章绪论，其技术方千米的树木)、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。随着全球气候变暖和能源放，我国在这种国际形势下更应该加大对风能利用的研究。燕山大学本科生毕业设计(论文)可再生能源利用的迅猛发展特别是风力发电的高速增长引起了能源界的高可持续发展战略，开发新能源尤其是风能资源已成为中国实现可持续发展的上第章绪论使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反尔有所下降。变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控3、变速恒频发电技术变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风控燕山大学本科生毕业设计(论文)高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能具有变速恒频发电技术的机组主要有：双馈异步发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上数、提高系统的稳定性能变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接从而大大缓解了机组轴系的2、无刷双馈发电机组功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组，控制策略实现变速恒频控制。3、高速同步发电机组第章绪论结构简单；发电机发出的全部功率均通过变频器，较双根据风能资源的特点，风力机通常以转速(20~30r／min)旋转，而常见的风力发电机由于极对数较小因此额定转速较高(如：4极电机额定转速为ll50)齿轮箱传动装置不可避免。齿轮箱传动装置的引入不但增加了系统的技采用永磁材料并通过适当的设计提高发电机极对数以减小发电机额定转速，从而实现风力机直接驱动或通过低转速比齿轮变速装置半直接驱动发电机。维护工作量小。1、掌握直驱永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制的原理2、利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器燕山大学本科生毕业设计(论文)、利用Matlabsimulink软件对设计的电路进行仿真研究的性参数，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。制算法。针对直驱永磁同步发电系统提出了一种爬山搜索控制策略。第四章利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统第章风力发电系统介绍风能的计算，由流体力学可知，气流的动能为度，则该体积的空气质量为m=ρv=ρSv动能为燕山大学本科上毕业设计(论文)设通过风轮气流的上游截面积为，下游截面积为是。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即是大于。第章 除了风能利用系数外，风力发电机还有两个非常重要的参数：叶尖速比λ和桨距角β：叶尖速比λ是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。λ=ωR/v(2-15)燕山大学本科上毕业设计(论文)117564239至10kv电网8(1)风轮：由叶片和轮毂组成，是风力发电机组获得风能的关键部件，将捕获的风能转变(2)传动系统：将风轮捕获的机械能传递到发电机。传动系统包括主轴、主(5)偏航系统：偏航系统根据风向标接受的信息，由控制系统自动执行机舱第章风力发电系统介绍(7)塔体和基础：塔架是支撑机舱的结构部件，它使风力机风轮处在较为理想的高度上运转，也是安装维护人员上下机舱的通道。桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大／小,发电机)。在低风速段运变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。调节方法燕山大学本科上毕业设计(论文)额。击应力。变速恒频是指在风力发电的过程中发电机的转速可以跟踪风速变第章风力发电系统介绍变速恒频通常结合变桨距实现额定风速以下和额定风速以上两个阶段的功组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率要求也在不断提于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计在直驱永磁同步风力发电系统中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，燕山大学本科上毕业设计(论文)2.4本章小结第章最大功率点跟踪控制系统的设计变速风力发电系统中最大功率点跟踪控制算法近年来成为了一个热门的研Ratio(TSR)Control叶尖速比(TSR)控制算法是要维持风力机的叶尖速比力在最佳值丸。，处(TSR的最佳值一般是通过计算或实验获得)，这样在任何风速下风力机对风λ参考叶尖速比+-λ风速vPP燕山大学本科生毕业设计(论文)3.1.2功率信号反馈算法PowerSignalFeedback(PSF)ControlP并将它作为功率只小于风力机实际捕获的机械功率，，风力机的转速ω将从逐渐增0F000W1W0W2W2020第章最大功率点跟踪控制系统的设计P1+率-P风力机输出功率P风力机转速w器-Searching(HCS)ControlPP燕山大学本科生毕业设计(论文)MPPMPP下坡区域上坡区域W机速度恒定或者增加：(2)输出功率P增加而转速减小。PP第章最大功率点跟踪控制系统的设计EEDFCBAGW1W2W3WP下一个运行点将会是()，然后与上面的情况类似，风机最后会运燕山大学本科生毕业设计(论文)不断的重复这个过程直到参考转速运行到风速的最大功率点(ω2,p2)能够成功地应用于无惯性的太阳能变换系统中和惯性很小的小型风力发电于惯性较大的大型风力机系统控制算法失效。3.2最大功率点跟踪控制系统的设计节提出了一种新的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法即根据风力机的输出功率和转速的变化来确定风力机实际工作点(即确定风力机的实际运行状态点)第章最大功率点跟踪控制系统的设计PMPP)P(K-1)w(K-1)W(K)WPk)表示在k-1时刻风力机的输出功率ω(k-1)表示在是k-1时刻风力机的转速燕山大学本科生毕业设计(论文)PMPP)P(K-1)w(K-1)W(K)WPMPPK))W(K)W第章最大功率点跟踪控制系统的设计PMPPK))W(K)W(4)P(k-1)>P(k)且ω(k-1)<ω(k)表示转速增加后，风力机输出功率减小燕山大学本科生毕业设计(论文)PMPP)P(K-1)w(K-1)W(K)WKK化趋势相同，根据输出功所以要提高风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上。同理当风力机输出功风力机输出功第章最大功率点跟踪控制系统的设计三角波三角波发制波比较器P△P*△wω；逻辑判断是根据△P,△ω值的正负关系判断出风力机的实际工作点与出功率的大幅度的波动。因此比例系数C大小的选择必须合适，既要提高角波发生器产生的三角波与积分器输出的带有转速控制信息的调制波相比点的跟踪该控制算法的缺点是当风力机的惯性比较小时，控制效果比较好；燕山大学本科生毕业设计(论文)3.3本章小结较第章变换器的设计，LLIdc1Rdc1LdcVDIdc2RL++RR-假设等效电路的电感和电容足够大，开关器件电流经电感平稳，输出因两边电流相等，用占空比α表示为:燕山大学本科学生毕业设计(论文)也随之改变，通过调节PWM触发脉冲的占空比α大小，使输出电压Udc2如果忽略开关损耗和电路损耗，设斩波电路的输入功率与输出功率相等，可得4.2DC/DC变换器参数设计及其仿真l、功率开关器件第章变换器的设计4、滤波电容c的选择燕山大学本科学生毕业设计(论文)ousrguiPrguiGeneratori-ScopeCurrentScopeDiodeParallelRLCBranch1+v-CgIGBTParallelRLCBranch2DCVoltage+v-CgIGBTParallelRLCBranch2DCVoltageSourceEmEV2132122t压波形二极管整流器的输入和输出关系1111成直流电。如果忽略电路损耗，则认为整流器的输入功率和输出功率相等，)第章变换器的设计99=4.3本章小结和。与相电压和 =()()在确定总体控制策略的基础上，对负载变换的DC／DC变换器进行了设计WindTurbineTmPermanentMagnetSynchronousMachineWindTurbineTmPermanentMagnetSynchronousMachineUniversalBridge1第章变速风力发电系统的仿真与分析文主要研究风力机在额定风速以下的运行状态，不涉及风力机的变桨距控制，所以桨距角设定为0。图5-1所示。燕山大学本科生毕业设计(论文)图主电路仿真模型3Zero-OrderHold2Constant1MemoryConstant1111VProduct1VProduct2Zero-OrderldProduct2Zero-OrderldSwitchMemory20Constant2Hold30.0012IProduct2IProductScopeZero-OrderHold1MemoryRepeatingSHold1MemoryScope1图控制电路仿真模型baVvoV第章变速风力发电系统的仿真与分析050-10-150.50.550.60.650.70.750.8t/s0.850.90.95VV0.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951t/s图风力机输出线电压0505000.20.00.2此时的占空比为，如图0.30.50.0.30.50.6t/s图系统输出电压0.80.9V/cbV/cbaV燕山大学本科生毕业设计(论文)501.911.921.931.941.951.961.971.981.992x10图占空比脉冲电压98765w4kw4321002468t/s02468图系统输出功率000-100.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951t/s图风力机输出相电压第章变速风力发电系统的仿真与分析5001020.30.40.50.6图系统输出电压78501.711.721.731.741.751.761.771.781.791.8图x108642002468102468图系统输出功率实现对发电机及风力机的变速运行控制以及对最大功率点的跟踪，从而验风能是一种不产生任何污染物的可再生能源，已经成为世纪最具发展潜机最大功率控制作了较为深入的研究，主要工作体现在以下几点：在大量阅读文献的基础上，了解了人类利用风能的过程及风力机的发展将这一方法应用于主电路的控制中，通过改变脉冲电压即改变占空比文的研究具有较重要的意义。燕山大学本科生毕业设计(论文)．高瑜等．基于风力发电系统的最大功率追踪．．燕山大学本科生毕业设计(论文)致谢本论文是在***老师的严格要求和精心指导下完成的，值此论文脱稿之际，一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义应瓦／平方米可能超过亿千瓦的发电装机和万亿~燕山大学本科生毕业设计(论文)登山搜索算法器结构为了解决不控整流器加并网变换器并网电压较低的缺点，在不控整流器和并网变换器之间可以加入一级升压电路图，可以有效地并网电压避免并网失败。析如图时电容向负载供电，设导通的时间为，此段时间电感上储存的能量为。当功率开关截止时电源电感共同向电容充电并向负载传送能量，设功率开关截止的时间为在此段时间电感上释放的能量为()因均保持不变。当电路处于稳态运行时，一个周期内电感储存的能量和释放的能等即通过调节占空比可以灵活地调节输出电压，可以有效地将发电机出口较低、利用Matlabsimulink软件对设计的电路进行仿真研究步骤、方法及措施燕山大学本科生毕业设计(论文)(—周)查阅资料，学习理论知识，了解题目概况、工作原理及(—周)完成主电路和控制电路方案选择，对所设计的系统进行(—周)系统参数设计与仿真研究。(—周)系统仿真实验研究。(—周)整理实验数据，并与理论比较，撰写论文。．\军等．变速恒频风力发电系统控制方案【】王丰收，沈传文，孟永庆．基于算法的风力永磁发电系统的：．【】，．．，燕山大学本科生毕业设计(论文)系统先通过电机发出交流电作为风电垃圾电力然后通过整流电路比如三相直流然后再用逆变器通过控制达到一动力效率，从而大大地提高了捕捉风能的效．燕山大学本科生毕业设计(论文)机率追踪．．经过这几周的努力毕业设计已经初具轮廓，但是仍有很多问题还是没首先，查阅资料阅读文献，进一步对课题“最大功率跟踪控制在直驱巩固加深了以前学习的书本知识。由此主电路和控制电路有了构思。习了和两种用于仿真的原件。比较之后决定用。为仿统结构与数学模型步发电机、整流、逆变等部分组成。为简化控制采用了二极管整流电路与斩波电路作为—变换器。为了最大限度地利用风能，使系统工作在一个较宽的风速范围内，需引入~变换器。这里采用升压抗的匹配，进而实现最大风能捕获。燕山大学本科生毕业设计(论文))99=几和之间的关系如下：= () ()—变换器的变流控制及其模型为了便于分析，用一等效直流电源代替发电机和二极管整流后所得电替，则斩波器的等效电路如图所示。电压经电容得到平稳的Udc2当开关管开通ton时，能量储存在电感t两端，关断(off)，能量被转移到电容两端。由此得到以下方程：t燕山大学本科生毕业设计(论文)输出电流Idc2可由输出电压Udc2和负载电阻R表示：(8)两边同时除以Idc1，并将式(9)代入可得假如令Ri=Us/Is为二极管整流电路交流侧的等效输入电阻值R，并将式由式知，发电机输出功率可由占空比α、角速度Wm表示，并具有制—占空比α来获得最大功率。当占空比为时αmax，电功率最大。为燕山大学本科生毕业设计(论文)变速风力发电系统中最大功率点跟踪控制算法近年来成为了一个热门叶尖速比控制算法—叶尖速比控制算法是要维持风力机的叶尖速比在最佳值处实验获得，这样在任何风速下风力机对风能的功率信号反馈控制原理：测量出风力机的转速国，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率，并将它加风力发电系统在的控制下最终将运行在最大功率点上。燕山大学本科生毕业设计(论文)图—即为算法的控制原理框图爬山搜索算法就是对风车转速控制的指令值以一定的转速扰动值△进行不变，如果功率减小，则将风车转速扰动反向当且()或者一且()时，说明输出功率和转速的变化趋势相同，根据输出功率与转速的关系可以判或者且()时说明输出功率和转速的变化趋势相反，的建立见附录燕山大学本科生毕业设计(论文)6撰写毕业论文工作的具体安排和打算，完成毕业论文的时间进度表燕山大学本科生毕业设计(论文)无位置传感器最大功率点跟踪控制在永磁同步发电机风力发电系统中院这篇文章提出了一种控制策略利用直接驱动永磁同步发电机对可变的风速风能转换系统执行最大功率点跟踪算法。通过控结果系统具有成本低可靠性更高。本控制结构包括通过一个电压控制回路本通过最佳控制电力电子变换器提取最高效率。一个典型的风能转换系统 (风力机)显示如图所示，在该系统中使用电力电子接口得到最大功率。各种电力电子接口用于发电机外，在发电机外可以是不控整流的直流直流转换器或完全控制的有源整流器。图典型的风能和转换系统提出采用直流斩波器发电机输出功率测量。工作周期直流直流转换器控制变换器的控制电压控制模式中的电池应用程序通过改变控制二极管充电整流器输出电压。在，可变速度控制永磁发电机二极管整流器由直流本机线谐波目前的原因振荡扭矩。在矢量控制基于永磁同步发电机燕山大学本科生毕业设计(论文)本文的目的是结合二极管整流器输入直流直流转换器和控制有源整流有源整流器提供能量给直流电路，谁的电路被有源控制整流器保持不应用型滤波器拓扑风力能源的应用被提及，如图显示在图。在这里，分别代表三相电压在发电机终端电压和逆变器电压。有了作为动力学方程系统的这种拓扑结构的电容式电压技术实现电压控制是可能的。配置的电流开关纹波可以有效衰减，因此电磁转矩振荡。此1ρπλ2ω——风轮半径，单位为；C——风力机的功率系数。pCp风力机转速以及风力机叶片参数如功角、桨距角等而变化。为了便于讨论C。的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比λ，即叶片的叶尖线p速度