1、本科毕业论文（20 届）独立发电系统中的永磁同步风力发电机的控制仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期目 录摘要 .IAbstract .II1.绪论 .11.1 选题背景与意义 .11.2 本设计的主要方法和研究进展 .11.3 本设计的主要内容 .22.风力发电系统 .32.1 风力发电的结构 .32.2 风力发电原理及其组成 .32.3 风力机的分类与选择 .32.4 风轮机的性能与参数 .52.5 风力发电的技术 .62.6 风力机最大功率跟踪 .62.6.1 风力机的最大功率跟踪的运行原理 .62.6.2 最大功率跟踪控制方法 .73.储能系统 .103.1
2、 蓄电池工作原理 .103.2 蓄电池的性能与参数 .103.3 蓄电池充放电方式 .103.4 蓄电池的过放电保护及满电保护 .113.5 蓄电池模型 .114 独立发电系统的控制系统 .134.1 风能充电控制器设计 .134.2 独立发电系统放电控制器的设计 .144.3 逆变器的控制策略 .154.4 整流器的控制策略 .165.独立发电系统系统仿真 .175.1 独立发电系统的仿真模型设计 .175.2 风力发电机系统仿真 .195.3 逆变电路仿真 .21仿真软件 Matlab 介绍 .23总结 .24参考文献 .25致谢 .26ContentsChinese abstract .
3、IAbstract.II1. Introduction .11.1 Background and significance .11.2 Recent advances in research methods and design.11.3 The main contents of design.22 Wind Power Generation System .32.1 Construction of wind power.32.2 Wind power principle and its composition .32.3 Wind turbine classification and sel
4、ection.32.4 Wind turbine performance and parameters .52.5 Wind power technology .62.6 Wind turbine MPPT .62.6.1 The operation principle of maximum power tracking.62.6.2 MPPT control method .73. Energy Storage System .103.1 Battery Works .103.2 Battery performance parameters .103.3 Battery charge and
5、 discharge mode .103.4 Battery discharge protection and full electric protection .113.5 Battery Model.114. Independent power system control system.134.1 Wind Charge Controller.134.2 Independent power system discharge controller design.144.3 Inverter control strategy .154.4 Rectifier control strategy
6、.165. Independent power system simulation system .175.1 The simulation model independent power systems design .175.2 System simulation of wind turbine.195.3 Inverter circuit simulation .21Matlab Introduction.23Summary .24References .25Acknowledgements .26I独立发电系统中的永磁同步风力发电机的控制仿真【摘要】永磁同步风力发电机具有高效率、高功率
7、因数等特点已经成开发研究的热点，其在节能环境保护方面具有长远的意义。本文主要研究的是独立发电系统中永磁同步风力发电机的控制仿真。最先，对独立发电系统布局进行剖析，经过推导演算搭建风力发电系统数学模型；而后，利用添加扰动观察的办法达到对风能的最大功率跟踪目的；接着，根据国家现行规定的发电系统标准设计出符合标准的独立发电系统。按先完全充电继而再持续放电的方略设计出独立风力发电系统的充放电控制器以达到对蓄能设备完全充放电的控制；最后，在 Matlab 软件中进行仿真，分别在 simulink 环境下对独立发电系统进行建模，然后通过改变参数实现系统在不同条件下的仿真模拟，验证系统的可靠性及可行性。关键
8、词：独立发电系统 最大功率跟踪 永磁同步风力发电机 扰动观察法IIControl Simulation System of independent power permanent magnet synchronous wind generatorAbstract:Permanent magnet synchronous generator has the characteristics of high efficiency, high power factor has become a hot pot of research on development, its long-term sign
9、ificance in terms of energy conservation and environmental protection. This paper mainly studies the independent power generation system of permanent magnet synchronous generator control simulation. First of all, the independent power generation system structure analysis, a mathematical model buildi
10、ng wind power generation system is derived; Then, the disturbance observation method is applied to implement the maximum power tracking control of the wind (MPPT); Then, according to the existing provisions of the state power system design conforms to the standard of independent power generation sys
11、tem. According to the first fully charged and then continue to discharge the control strategy of independent power generation system controller is designed in order to realize the battery charge and discharge control; Finally, the simulation in Matlab software, respectively in the simulink environme
12、nt of independent power generation system is modeled, and then implementation system under different conditions by changing the parameters of simulation, test and verify the reliability of system feasibility.Keywords: Independent power generation system; Maximum power tracing; Permanent magnet synch
13、ronous generator ; Disturbance observation11 绪论1.1 选题背景与意义 改革开放以来，国内人口基数庞大并在此基础上不断增长，随着经济贸易稳定发展和城镇化逐步推进，能源需求日益扩大，能源供应的紧迫感逐渐显露，电能供应也无法满足用户需求。三类负荷经常出现限电的现象。随着化石能源的可利用储量面临枯竭。因而，开发利用新技术以解决现有问题迫在眉睫。绿色能源的研究开发已成科研人员面临的重大课题。电力能源是整个能源种类中使用比较方便且较为环保的能源之一，因而电力能源的开发广受关注，绿色新能源的发电技术更引人瞩目。风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，在地球
14、上有十分丰富的蕴藏量，运用前景十分广阔。风力发电是近期内技术发展成熟、具有大规模发展潜力的可再生能源技术，在将来有它可能成为世界最重要的替代能源。发展可再生能源是当今世界一个共同的趋势，欧盟各国开始立法提出 2020 年和 2050 年不同阶段的可再生能源发展目标，同时跟进的有日本、美国、新加坡等发达国家，甚至还有巴西、印度、南非等发展中国家。作为可再生能源技术中最成熟的风能发电，对于应对此前传统能源有关的 形势严峻的环境和社会影响，风力发电是立竿见影、切实可行的解决途径。目前，新能源发电在全球发电市场中已经占有一定的比重，并在不久的将来占据主流。然而世界主要新能源研发国家现有的绿色能源发电技
15、术并不成熟完善，有待进一步地提高。近年来，世界范围内都在积极地进行新能源发电研究，得到了不错的成就。新能源发电主要包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能等绿色能源 1。为了实现偏远地区的供电用电，提高偏远地区的能源的利用率，国内外开展大范围地并网或离网发电系统研究开发。其中，独立发电系统得到极大地推广应用。全国有少部分村落尚未提供电能供应。这些村庄主要分布中西部的偏远山区及东南沿海的孤岛。无电缺电在一定限度上影响该地区的经济发展。然而，这些中西部的偏远山区及东南沿海的孤岛具有丰富的清洁能源，如风能、太阳能、潮汐能等等。这些大部分地区完全可以充分利用环保实惠的可再生能源来解决该地区的用电问题。1.2
16、 本设计的主要方法和研究进展本文以独立发电系统中的永磁同步风力发电机、储能系统以及整个独立发电系统的稳定运行为研究对象，以发电机本体、交流励磁变换器，储能系统运行工况相结合的形式，采用理论分析及利用软件仿真的有效方式进行深入研究。在设计中完成了独立系统风力发电机组和储能设备的数学理论模型搭建；实现了对储能系统的实际控制；使独立系统输出的的功率达到预期设想的要求。文章并2对接近用户的逆变器进行了实时控制。1.3 本设计的主要内容本文主要对传统独立发电系统风电机组和储能电池的优缺点进行分析研究利用MATLAB 对其建模仿真；搭建永磁同步发电系统，对系统进行调试。随后对储能系统进行分析研究，本文采用
17、变流器 VSC 控制以实现直流电压和无功功率的恒定。分析不同负载条件下使交流输出侧的电压保持不变，使系统能够安全稳定的运行。32 风力发电系统2.1 风力发电的结构独立系统是基于同步永磁发电机利用风力发电技术将风能转化为电能，风电机发出的交流电经一系列的变化过程将电能存在蓄电池中，然后将蓄电池中电能逆变后提供给用户系统。该独立系统解决了风力发电不稳定持续的问题，解决了偏远地区照明用电问题。因为该风力发电系统对环境没有污染，独立风力发电系统是比较适用于偏远山区供电的系统 2。独立风力发电系统是由风力发电系统、储能系统、整流装置、逆变装置和负载系统组成的 3如图 2-1 所示。图 2-1 独立风力
18、发电系统结构图2.2 风力发电原理及其组成风力发电的原理是风轮叶片在空气流动的作用下产生力，以驱动电机转动将机械能在电磁感应原理的作用下转化为电能。直驱式风力发电机由发电机系统、偏航系统、电子控制系统、液压系统、风力机系统、冷却元件、塔架、风速计及风向标等组成 4。2.3 风力机的分类与选择按照风轮轴的结构：水平轴式、垂直轴式。按照风机的转速控制方式：恒速恒频、变速恒频。按照风力机的气动功率调节方式：定桨距、变桨距。4图 2-2 水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机水平轴式风力机又根据风轮与塔架相对位置的不同分为顺风式和逆风式两种 5如图 2-2 所示。独立风力发电系统中的风力发电系统选取垂
19、直轴设计的风力机和三相同步永磁发电机 6，这可以提高该系统的发电效率，提高风能的利用率，直驱式发电机可节省去复杂的变速装置，使该系统持久耐用，不易损坏。用永磁同步电机发电是现代最为普遍发电方式之一，永磁同步发电机具有较多的极对数，使得在转子转速较低的情况下，发电机仍然可以正常烦的工作。所以，风力机直接驱动永磁同步电机发电就是针对于在风力机转速较低的状况来设计的方案，省去齿轮箱，简化系统结构，增加系统的可靠性。表 2-1 风力发电机的规格品 牌远大科技 型 号 M9-4000结 构 垂 直 轴 安 装 方 式 直 立 式启 动 风 速4m/s 额 定 风 速 11.5m/s切 入 风 速6m/s
20、 额 定 电 压 150V,50/60Hz额 定 功 率4000KW 最 大 功 率 5000KW风 叶 直 径12m 风 叶 数 量 3(pcs)安 全 风 速20m/s 整 机 重 量 4t52.4 风轮机的性能与参数（1）风轮机功率风轮机输出的功率：(2-1）312pmgPAC上面表达式中， 代表风机输出功率 ； 代表空气密度 ；()W3/)kgm代表实时风速； A 代表风力机叶片面积 ( )； 2代表风能利用系数； 代表风力机传动效率；pCm代表风力机电效率； (2)风轮机的功率系数空气的流动产生风能，通常情况下用风能密度来衡量风能的大小。(2-2)12EtA上面表达式中， 代表空气密度 ； 代表实时风速(m/s)；3(/)kgmBetz 极限已经验证了最大风能功率系数约等于 0.593，0.593 是理论上的峰值。风能功率系数 可以表示为pC(2-3)0.5PA上面表达式中，P 代表风轮机功率。(3)叶尖速比风轮的叶尖圆周速度与风速的比值来衡量，称作叶尖速比 7，可以表示为：(2-4)2tRn上面表达式中，n 代表风轮转速 ； R 代表风轮叶尖半径 ；(/min)r m代表实时风速 ； 代表叶尖线速度；st代表风轮角速度 ；/ad
