1、 I 武汉理工大学毕业设计（论文） 千瓦级风力发电系统建模与设计 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气工程及其自动化 专 业 学生姓名： 指导教师： II 摘要 人类的生存和发展离不开能源，能源问题与人类文明的演进息息相关。随着社会和 经济的发展，能源的消耗在急骤增长。为了实现人类社会未来的可持续发展与解决化石能源带来的环境问题，必须大力发展新型能源，风能就是一种非常清洁的能源。 现在常用于风力发电的发电机有双馈发电机和永磁直驱同步发电机，永磁同步直驱发电机相比双馈发电机省去了齿轮箱环节，减小了因为齿轮箱带来的机械损耗和设备的不稳定性，转换效率高，具有优越的低电压穿越能力。本文分析了永
2、磁同步直驱风力发电机的工作原理，建立风力发电系统各部分的数学模型，并在 MATLAB/SIMULINK 中搭建仿真模型进行仿真。风力发电机系统仿真模型包括风速模 型、风力机模型、发电机模型、变流器模型等。仿真对比了不同风速下风力发电机特性。 关键词 ：风力发电； MATLAB 仿真；数学建模；永磁同步发电机 III Abstract Human can not live without energy, the energy issue is closely linked with the evolution of human civilization. With the social and
3、economic development, energy consumption grow rapidly. In order to achieve the sustainable development of human society in the future and solve the environmental problems caused by fossil fuels, we must vigorously develop new energy sources, wind energy is a very clean source of energy. Now doubly-f
4、ed generator and direct-drive permanent magnet synchronous generator are commonly used in wind power generation system.Compared to doubly-fed generator,direct-drive permanent magnet synchronous generator eliminates the gearbox links, mechanical instability and loss of power reduced because of gearbo
5、xs elimination.Besides,direct-drive permanent magnet synchronous generator brings high conversion efficiency, with superior low-voltage ride-through capability. This paper analyzes how direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine works, and builds mathematical model,simulation model in MAT
6、LAB/SIMULINK of each part of wind power system. Wind system simulation model includes wind model, wind turbine model, generator model, rectifiers model. The simulation compares the characteristics of the wind turbine under different wind speed. Key words:wind power generation； MATLAB simulation； mat
7、hematical model； permanent magnet synchronous generator IV 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 风力发电研究的目的及意义 . 1 1.2 国内外小型风力发电产业现状 . 1 1.3 发展我国小型风力发电产业的有利条件 . 2 1.4 论文主要研究内容 . 2 第 2 章 风力发电系统介绍 . 4 2.1 风力发电系统分类 . 4 2.1.1 恒速恒频风力发电系统 . 4 2.1.2 变速恒频风力发电系统 . 5 2.1.3 永磁直驱风力发电系统 . 5 2.2 风电机组主要参数 . 6 2.2.1 风轮直径与扫掠面积 . 7 2.2
8、.2 轮毂高度 . 8 2.2.3 叶片数 . 8 2.2.4 额定风速、切入风速和切出风速 . 8 2.2.5 风轮转速、叶尖速比 . 9 第 3 章 永磁直驱风力发电系统数学模型 . 10 3.1 系统整体结构 . 10 3.2 风速模型 . 10 3.3 风力机模型 . 11 3.4 永磁同步发电机模型 . 12 3.5 变流器模型 . 13 3.5.1 不可控整流器 +BOOST 电路 +PWM 逆变器 . 13 3.5.2 PWM 整流器 +BOOST 电路 +PWM 逆变器 . 14 第 4 章 系统 MATLAB 建模与仿真 . 15 4.1 系统仿真模块设计 . 15 4.1.
9、1 风速仿真模型 . 15 4.1.2 风力机仿真模型 . 16 V 4.1.3 永磁直驱发电机模型 . 17 4.2 仿真参数设定 . 17 4.2.1 风速仿真模型参数 . 17 4.2.2 风力机仿真模型参数 . 18 4.2.3 永磁同步发电机仿真模型参数 . 18 4.2.4 变流器仿真模型参数 . 19 4.3 仿真结果及分析 . 20 4.4 本章小结 . 22 第 5 章 总结与展望 . 23 5.1 全文总结 . 23 5.2 课题展望 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 风力发电研究的目的及意义 国际电工
10、委员会（ IEC）针对小型风力发电机组的最新标准 IEC 61400-2 定义的小型风力发电机组，适用于风轮扫掠面积小于 200m2，将风能转换为电能的系统 1。 随着 世界工业化进程的不断加快，能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要 2。 在当前能源紧缺的环境下，风能利用是受国内外广泛重视的新能源项目之一，其最大的优点是在目前多种新能源利用中相对制造成本价格是最低的。现在
11、的流行方式是大型风力发电机组大规模并网发电的形式，然而投资巨大，动辄几十个亿、几百个亿的投入额度，令普通的中小投资者望而生畏。 本次设计主要研究小型家用千瓦级风力发电装置，这种小型风力发电机，广泛使用在多风的海岛和偏僻的乡村。该研究有利于优化未来的能源利用模式。在 21 世纪这个飞速发展的时代，无论是 工业、科技都在不断进步着，随之而来的是对能源的巨大需求。风力发电这一可再生能源的利用方式能很好地适用这种需求。而作为新兴技术，也有着较大的发展空间和发展前景。 1.2 国内外小型风力发电产业现状 小型风力机械已经有几十年的历史，是一项成熟的技术，最早流行于 20 世纪初的小农场、小牧场中，大多数
12、用于风力机械提水。在美国农村大规模电气化项目启动前，许多农场安装了风力发电机组为自己供电。但是小型风能设备的普及率，在美国经济衰退期间和第二次世界大战后农村大规模电气化项目启动后有所降低。最近几年，由于相当一部分人搬到农村没有电网的地区居住，以及其他激励政策的陆续出台，小型风力发电产业再次兴旺起来。 虽然小型风力发电产业在持续的发展，但远没有大型风力发电产业那么迅速。到目前为止，全球 100w-100kw 的小型风力发电机组生产量为 650000-700000 台，装机容量为200-280mw。最成功的案例是应用于分散家庭的小型风力发电机组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国内蒙古的户用系统，
13、也包括一些较大容量为村落供电的风能互补系统，风力发电机组的单机容量为 1-50kw。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了 移动通信基站 3。 小型风力发电机组的生产和研发主要集中在北美、欧洲、和亚洲，而应用几乎遍及全武汉理工大学毕业设计（论文） 2 世界。处于小型风力发电市场领导地位的生产企业有 northern power 公司（美国）、 energrity公司（加拿大）和 bergey windpower 公司（美国）等。 在美国和欧洲，小型风力发电机有 70%-80%是并网使用的，并且这一比例正在不断上升，单机功率较大，一般至少在 5kw 以上。 小型风力发电机市场更多见于离网和微
14、型电网应用盛行的发展中国家。在电网无法延伸的地方，即使没有附加政策的支持 ，小型风力发电机也往往是经济可行的，比如在一些孤立的海岛上。小型风力发电的发展也部分或者全部替代高价燃油、破坏环境的柴油发电系统提供可行的替代能源方案。 全球 5 个主要国家（中国、美国、英国、加拿大和德国）的小型风力发电机制造厂商占总数的 50%以上。在小型风力发电机制造商在世界的分布方面，小型风力发电机仍集中在北美和欧洲的发达国家，发展中国家仍继续呈现相对缓慢的发展。具有丰富的风力资源的非洲、东南亚和南美等这些非常适合小型风力发电机应用的地区还未被开发 4。 1.3 发展我国小型风力发电产业的有利条 件 我国具有发展
15、小型风力发电产业的有利条件。 1）我国是世界上小型风力发电机组的生产大国。世界上 2/3 的风力发电机组是由我国生产制造的，生产成本具有优势。 2）风力发电与其他可再生能源技术不同，我国拥有生产和研发小型风力发电机组的自有 技术和知识产权，与国际上的先进水平差距不大，产业的发展不会受制于别国的技术。 3）小型风力发电设备规格较为齐全，性能较为可靠。我国已经能够生产 100w-30kw 的风力发电机组，且设备的可靠性较高，能够满足国内各类应用场合的需要。同时，我国也已经研制出 50kw和 100kw 的风力 发电机组，并开始小批量制造和投入市场，为在我国各领域大量应用小型风力发电机组打下了坚实的
16、基础。 4）我国从 20 世纪 80 年代初期就开始批量应用小型风力发电机，从内蒙古草原逐步扩展到三北地区、沿海地区和湖区，从边远无电地区的应用扩展到通信基站、油田抽油机、城镇道路路灯等应用，已积累了丰富的经验，为今后的成功应用打下了坚实的基础。 5）产业化生产的规模已经基本形成。我国拥有世界上最多的小型风力发电机组制造企业，所有的零部件生产和供应基本上都能立足于国内，并有一定的研发能力。 6）我国有丰富的风力资源， 10m 高度的技术可 利用风能储量约为 2.53 亿千瓦。 对于中小型机组来说，我国的风力资源非常丰富，潜在市场巨大 5。 1.4 论文主要研究内容 本文以独立运行小型风力发电系
17、统作为研究对象，本文的工作重点是 了解风力发电原理，选择某地全年气象信息建立风速模型 ,从异步电机、同步电机、直驱电机中选取一种适合千瓦级发电的发电机建立电机模型，基于 matlab 软件建立风力发电机系统模型 。本文的主要研究内容如下： 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 第一章， 阐述了离网小型风力发电这个课题提出的背景、目的和意义，介绍了国内外风力发电发展概况以及我国发展小型风力 发电产业的有利条件，概括总结了风力发电相关技术的发 展状况，并简述了本文的研究内容； 第二章， 论述小型风力发电系统的基本组成及工作原理。介绍了目前比较常见的风力发电的技术。包括恒速恒频风力发电系统以及变速恒频风
18、力发电系统，对各种发电技术进行了比较； 第三章，根据当地全年气象建立风速模型；查找风轮资料建立风力机模型； 了解风力发电原理，从异步电机、同步电机、直驱电机中选取一种适合千瓦级发电的发电机建立电机模型； 第四章，对风力发电基本系统，包括风速、风力机、发电机的数学模型进行了全面的分析，说明了风力发电系统各个部风最通用的模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了各模块的建模，对建好的模型进行仿真，同时对仿真出的结果进行分析、评价； 第五章，总结全文的主要工作 ,并对课题的下一步研究工作进行展望 ,指出有待改进以及可以进行进一步研究的内容。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 第 2 章 风
19、力发电系统介绍 2.1 风力发电系统分类 按风力机容量来分，主要有三种：一是小型单个的风力发电系统，这种系统一般运用于较为偏远、人口稀少的地区，风机的容量较小，一般在几十到几百千瓦 之间，相对于大型风力发电系统来说，供电稳定性较低；二是区域性的风力发电系统，由多台风力机发电并供给一小片区域住户用电；三是大型的风力发电系统，大型风场建立在风力资源丰富的地区，将发出来的电能通过电网供给用户 6。 按叶轮旋转的方式风力发电系统可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。在风力发电系统出现的早期，人们普遍认为水平轴风力发电较垂直轴风力发电有更高的风能利用率，因而对水平轴风力发电系统研究较多；后来随
20、着研究的深入和新型叶轮形式的出现，人们慢慢认识到有些垂直轴型风力发电系统不仅叶尖速 比能达到 1，甚至还能达到 6，变逐渐对垂直轴风力发电系统产生了新的兴趣 7。 按发电机类型来分又可分为以下几种：鼠笼型异步发电系统、绕线式异步发电系统、双馈型发电系统、无刷双馈发电系统以及永磁直驱风力发电系统等。其中双馈型发电系统和永磁直驱风力发电系统是现如今最常见的两种用于风力发电的发电系统。 在风力发电发展的早期阶段由于电力电子技术的限制，人们对风力发电系统研究主要集中于恒速恒频型风力发电系统，即发出固定频率的电能必须要在风速合适的情况下。这种恒速恒频风力发电系统对风能利用效率低，平均 工作时间短。近年来
21、，控制技术以及电力电子技术得到飞速的发展，进而提出了变速恒频风力发电系统，在变化风速的情况下，通过对叶轮迎风角或电机转速的控制实现恒定功率的电能输出。本文只是进行简单的风力发电系统设计，没有涉及到控制部分的内容。 2.1.1 恒速恒频风力发电系统 在恒速恒频发电系统中 ,风力发电时发电机的转速不变 ,这样就得到了和电网频率一样的恒定的电能。恒速恒频系统比较简单 ,它的发电机一般为鼠笼式感应发电机和同步发电机。同步发电机转速是由电机极对数和频率确定的 ,而鼠笼式感应发电机转速稍微高于同步转 速。早期的恒速恒频风力发电系统是采用普通三相同步发电机 ,同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功
22、率 ,频率稳定 ,而且电能质量高 ,可省去无功补偿装置。但在实际利用中，风速的变化是随机的 ,因此，风力机输出转矩很不稳定 ,同步发电机的结构及控制系统又比较复杂 ,并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度 ,成本较高 ,所以用在风力发电机组上使用效果不是很好 8。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 2.1.2 变速恒频风力发电系统 为了解决恒速恒频风力发电中风能利用系数不高等问题，在上世纪七十年代提出了变速恒频风力发电技术。电机控制 技术的发展成熟，以及高性能电力电子器件的出现，为风力发电实现变速恒频工作提供了技术基础。变速恒频技术能够根据风速的大小，调整风力机的转速，保持风力发电机的
23、转速在最佳也尖速比左右，实现最大的风能捕获。实现变速恒频的技术主要有两个：一个是变桨矩控制，另一个是电机转速控制。 早期变速恒频的实现方法主要是通过变桨矩来实现，通过不同风速下调整叶片的攻角来改变风力机的转速。这种方法对叶片的技术要求较高，叶片需要进行复杂的气动特性分析和设计，叶片制造成本较高。同时叶片的攻角的改变损失了部分风能，无法实现风能利用 的最大化。通过对电机电磁转矩的控制来达到调整电机转速的方法是如今变速恒频研究的热点。这种变速恒频风力发电系统的拓扑结构可以分成两大类： 一种是发电机定子和电网相连，转子通过电力电子变流器和电网相连的双馈系统；另一种是通过电力电子变流器直接和电网相连的
24、交 -直 -交系统 9。 双馈风力发电系统又可分为双馈异步风力发电和无刷双馈风力发电系统。双馈发电系统是风力发电中一种重要的结构，已经得到了大范围的应用，运行效果良好。由于风力机的转速较低，而异步电机和普通同步电机需要在转速较高时才能有良好的工作特性，因而这种系统需要齿轮箱对叶轮的转速进行变比，然后与发电机相连发电。齿轮箱的结构复杂、造价较高，给系统的稳定运行和维护都带来了较多问题。 交直交变速恒频风力发电系统按照发电机的种类大致可以分成异步型风力发电系统和永磁同步型风力发电系统。鼠笼型异步发电机结构简单、结实耐用。它的定子经过变流器和电网相连，通过控制变流器的电流和功率等因素来实现对机侧转速
25、控制和网侧并网控制。这种结构主要有两个方面的问题，一方面是上面所提到的齿轮箱的问题，另一方面由于全部的能量都需要经过变流器送入电网，对变流器的功率和耐压等级都较高，需要 大容量的变流器。 2.1.3 永磁直驱风力发电系统 随着电力电子控制技术以及更高电压电流等级开关器件的出现，大容量变流器的研制中遇到的困难日渐解决。这为直驱型风力发电系统的研究奠定了一定的基础。本文着重对无齿轮箱的永磁直驱型风力发电系统进行研究。永磁同步电机的低速特性良好，无需齿轮箱就能实现较好的风能捕获和利用。减少了齿轮箱环节后，一方面减少了齿轮箱可能给系统带来的影响，另一方面降低了在齿轮箱上的功率传递损耗，提高了整个发电系统的风能利用率。 风力机是低速旋转机械，一般运行在每分钟几十转，而发电机要保证发出 50Hz 的交
