直驱式永磁风电模拟系统及其并网研究-硕士论文开题报告

.南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 学 号： 学 科： 电力系统自动化 所在院系： 自动化学院 指导教师： 2014年 9 月 27 日填注：本表内容尽可能打印,宋体小四号，单倍行距。一、 拟选定学位论文的题目名称直驱式永磁风电模拟系统及其并网研究二、 选题的科学意义和应用前景第二次工业革命，电能的应用更加广泛，人类进入了电气时代，电能，主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、热能（火力发电）、原子能（核电）、风能（风力发电）、化学能（电池）及光能（光电池、太阳能电池等）等。2000年我国火电的发电总量达10556亿千瓦时，居世界第二。但是随着能源危机的到来，以及环境条件日益恶化，人类不能依赖化石能源，虽然火电仍然占有绝对大的比例，但是未来的几年必然是新能源的时代。新能源的开发利用能缓解能源短缺和降低环境污染，面对这种情况，加快发展可再生能源是我国能源战略的必然选择和唯一选择。而其中风力发电的清洁无污染，具有大规模开发的价值，随着风力发电技术水平的提高以及风电开发规模的增大，风力发电的成本也将进一步降低，因此世界各国都将风能作为国家能源发展战略之一。目前，全球有商业运营的风电装机国家有75个，其中22个国家装机容量超过了1GW。据全球风能理事会统计，2011年全球风电新增的装机排名前十位国家是中国，美国，印度，德国，英国，加拿大，西班牙，意大利，法国和瑞典。7个国家的年新增装机容量超过1GW装机大关，加拿大年新增市场实现了翻番式突破性的增长，使其成为全球瞩目的风电装机市场。全球前十位国家装机容量主导了全球88%的风电新增装机市场。我国在风电装机容量方面遥遥领先。大规模应用风电的愿景是美好的，但是有一些问题必须解决。例如，风电的大规模并网势必造成电网的波动。去年初，我国风电机组屡出事故，先是在2月，中电集团的酒泉风电场598台风电机组脱网，损失出力84万千瓦，占事故前酒泉地区风电出力的54.4%，而到了4月，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网，损失风电出力153.5万千瓦。所以怎样实现软并网且不影响电网的稳定性，是研究人员应该考虑的问题；还有成本的问题，火电水电的技术已经非常的成熟，而风电最多算是刚刚的起步，风电的成本还是比较高的，目前我国实行的是按照资源区设立风电标杆上网电价，全国共分为四类风能资源区，补贴的价格每千瓦时大约在0.5元到0.6元之间，而风电的发电成本在0.7元到0.8元之间，“火电的价格在0.2元到0.3元，而水电则更便宜仅在0.18元左右，所以电网公司大量收风电，即便有补贴也是几乎不赚钱的，而收火电和水电则获利颇丰。”所以如何尽可能的降低成本，让风电更加普及，也是研究人员需要考虑的问题。变速恒频风力发电技术将电力电子技术、电机控制技术、信息处理技术等结合在一起,大大提高了风力发电的电能质量和效率。相较于恒速恒频风力发电技术，变速恒频风力发电技术可以随着风速的变化，不断调整风力机的转速，使发电机始终运行在最大功率点附近。为了将发出的电能控制为恒频,变速恒频风力发电机组通常包含可变速发电机、发电机侧变流器、网侧变流器等,其主要实现形式有鼠笼型异步风电系统、磁场调制风电系统、开关磁阻风电系统、双馈风电系统、永磁直驱型风电系统等。其中鼠笼型风电机组变流器的容量与系统容量相同,比较适合小容量的风电系统;双馈风力发电系统具有较宽的转速运行范围、灵活的控制方式,且变流器容量仅为系统容量的一小部分,在当前得到了广泛的应用;直驱式的永磁同步风电系统一次性安装成本较高,但省去了齿轮箱、降低了系统噪声、维护成本低廉,具有较高的可靠性,是当前风电技术发电的主要方向，所以本文将进一步研究直驱式风电系统。三、 背景科研项目情况简介风能是一种取之不尽、用之不竭的环境友好型清洁能源，使得风力发电成为目前新能源发电领域最为成熟、开发规模最大、商业化程度最高的发电方式。同时，风能已成为我国在电力系统领域增长速度最快的可再生能源和世界发展最快的绿色能源。风能是不可控、间断、随机的，大规模的风电并入电网以后，必须要解决电量消纳问题。当风电场满发时，当电网不能完全消纳，多余的电力如何处理。当风电场出力很小，甚至为零时，当地电网是否有足够容量备用机组能保证负荷用电需要。在上述的情况下会带来的电力调度、电力调峰、电力储存等问题，是全新的问题。风电场多处偏远地区，一般接于电网末端，会使系统潮流发生了变化，影响了电网的稳定性。现有电网在规划之初没有考虑风电的接入，接入风电后风电场附近的功率和电压有可能不在安全运行范围之内。现阶段，风电的功率调节问题是制约风电接入电网的主要因素，是面临并必须解决的主要问题。电能储存装置是解决有功功率调节问题的有效手段，利用储能技术可以解决电力调度、电力调峰等问题；变桨控制器可调节风力发电机组的输出功率以达到平滑的效果；静止无功补偿装置可以改善风电场的电能质量，并提高电网系统稳定性。这些技术可以解决由于风电并网引起的诸多问题，如电网的无功功率调节、动态与静态稳定性、谐波干扰、闪变等。此外，由于普通鼠笼式感应发电机和双馈感应发电机存在齿轮箱，双馈感应发电机还存在碳刷和滑环，会使系统成本高，可靠性变差，维护量加大且存在噪声污染大的问题。在低负荷运行下，效率比较的低，特别是随着机组容量的增加，问题更为突出。由于直驱永磁同步发电机具有多方面的优点，现阶段受到越来越多人的关注。该类型发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，工作效率得以提高；运行时不需要从电网吸收无功来建立磁场，而且还可以提高电网的功率因数；采用直驱方式，取消了齿轮箱，改善风电机组的效率及可靠性，系统的维护量减少且可降低噪声的污染。因此，直驱永磁同步风电机组必然会成为未来发展的主要机型。四、学位论文主要研究内容本学位论文主要包括以下几方面内容：1，永磁同步发电机控制：主要研究电机的矢量控制，通过比较各种控制方法的优劣，选出一种适合之后硬件平台搭建的控制方式。2，MATLAB仿真：主要研究永磁同步发电机以及并网变流器的数学模型，搭建MATLAB仿真模型，分析仿真结果，为硬件平台的搭建做准备。3，硬件平台的搭建：主要研究基于TMS320F2885的实验室风电模拟平台，通过分析计算选取合适的元件，搭建可以在实验室 运行的模拟风电实验平台，并实现并网。五、 预期解决的主要问题问题1：变速恒频控制（VSF），也就是风速低于风力机的额定风速的情况下，控制发电机的转速随着风速的变化而变化，使得发电机始终运行在最大功率点附近，提高发电机的效率，提高发电机和风力机的寿命。目前国际上比较公认的方法是最大功率追踪法（MPPT），至于怎么快速找到最大功率点，方法确是很多，而且每个方法也各有千秋，所以就需要根据实际情况选择甚至改进出一种适合的方法。问题2：模拟实验平台的搭建，直驱式永磁风力发电系统是当下研究的热点，所以关于这方面的文献很多，风力机体积庞大，不适合实验室的环境下研究，因此理论和仿真居多，本文要通过一台永磁同步电机模拟风力机来拖动另一台当做发电机的永磁同步电机来在实验室展示风力发电的全过程。 问题3：风电的并网问题，去年初，我国风电机组屡出事故，先是在2月，中电集团的酒泉风电场598台风电机组脱网，损失出力84万千瓦，占事故前酒泉地区风电出力的54.4%，而到了4月，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网，损失风电出力153.5万千瓦。而后国家电监会在调查后认为，目前投入运营的风电机组很多不具备低电压穿越能力，另外，风机安装量暴增，风电在电网的比例越来越高，但是风电因其的特殊性必然会对电网的稳定性造成影响，因此本文将通过实验平台分析和研究并网过程中的问题，争取使风电发出的电能满足并网要求。六、开题条件本课题具有良好的开题条件，前期准备充分，对直驱式永磁同步风电研究已经有一段时间，实验室已经取得永磁同步电机的调速阶段性成果，指导老师多年从事电力系统控制与稳定方面的研究，且风电是未来新能源开发的主力军，国内外直驱式的风电机组的研究进行的如火如荼，有大量的研究材料供研究参考。七、文献综述开发利用可再生能源和实现能源的可持续发展成为各国能源战略的重大举措。风能作为成熟的可再生能源技术，具有蕴含量丰富，无污染，可再生，分布广等特点，成为可再生能源发展的重要方向。所以，大力发展风电对优化能源结构，实现能源供应的多样化，多元化，保护生态环境，应对气候变化和促进经济社会可持续发展具有重要的意义。虽然我国的风电规模不断扩大，但是风力发电技术并不完善，风力发电开发规模的增大和发电量的增加，风电并网势在必行，但是风力发电的电能质量不高，并网会对电网造成冲击，这就要求较高的并网控制技术，而现阶段我国风电并网控制技术还不完善，核心技术仍然掌握在发达国家手里。在实验室开展对风力发电技术的研究，有利于提高风力发电的技术水平，基于此，在实验室建立风力发电的试验平台就显得尤为必要。下面我们就在实验室建立风力发电的试验平台的过程中的问题加以说明。1.风速模型在实验室模拟风力发电，首先得“有风”。关于风速模型的建立，国内外的学者有着各自不同的方法，文献1通过对风力机叶片受力的分析，提出一种基于自回归的风速模型，并说明这种建立风速模型的方法很适合实验室风电模拟。文献2认为考虑风电场内机组尾流效应的风速模型能准确地描述风速扰动下风电输出功率的波动，使得研究更具有价值和意义。文献3在建立风速模型的时候不仅考虑了尾流效应和时滞效应来计算风速的及衰减，还综合考虑了风电机组的位置排列和地形因素，并验证了所建立的模型的有效性，但是没有考虑地形及风向动态对风速的影响，后续会完善。但是由于实验室的特殊性，比如说实验室大多只是模拟一台机组，就不会考虑机组的排列组合问题，实验室模拟大多采用的是组合风模型，也就是把风速当做是基本风，阵风，渐变风，随机风的组合。文献46都是采用这种风速模型。2.模拟风力机的选取及控制实验室模拟风力机，大多是采用一个电机，然后控制电机按照选定的风速模型旋转，这就涉及到电机的选取和电机控制策略的选取。选取的电机大多是以下几类：直流电机，异步电机，无刷直流电机，永磁同步电机等。直流电机的结构不复杂，数学模型简单，而且可以达到很好的控制性能，但是由于电刷和换向器的限制，功率不是太大，因此只能应用在一些小功率的场合7。异步电机相对于直流电机省去了换向的烦恼，也可以达到更大的功率，但是相应的其数学模型要比直流电机要复杂，因此控制的难度更大点。在很长的一段时间内，实验室大多采用直流电机或者异步电机来模拟风力机，但是随着高性能永磁材料，微电子技术，自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展，永磁同步电机得到了迅速的发展。由于其调速性能优越，且体积小，重量轻，效率高，转动惯量小，不存在励磁损耗问题，因此在各个领域的应用前景都非常广阔。永磁同步电机按其工作原理，驱动电流和控制方式的不同，可分为具有正弦波反电动势的永磁同步电机（PMSG）和具有梯形波反电动势的永磁电动机，后者又称为无刷直流电机(BLDCM)8。所以现在的风力机模拟电机一般都选取永磁同步电机。至于控制策略的选取，不同电机的控制策略是不相同的，直流电机的控制策略比较简单，也可以说谈不上什么策略，给的直流电大就转的快嘛。异步电机和永磁电机因为都是交流电机，所以控制策略上大致相同，只不过同一种的控制策略会有不同的控制效果，主要有：矢量控制，直接转矩控制，无传感器控制，自适应控制，智能控制9。就目前的趋势，永磁电机大多用矢量控制中的id=0控制，异步电机更多的是用直接转矩控制，各种控制方法各有优劣，一般根据不同的控制目的做出不同的选择。3.模拟发电机的选取及控制发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键10。目前所存在的风力发电机主要有这么几种。按照运行类型可以大致分为三类：恒速风力发电机，有限速风力发电机和变速风力发电机。恒速发电机一般是指笼型异步发电机，因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，这种发电机简单可靠成本低，适合用于风电发展的初期建设。有限速风力发电机主要是在绕线型异步电机的转子上外接电阻，提高了转差率，所以称为有限速发电机，但是由于外接电阻的发热问题，这种发电机应用不是和广泛。变速风力发电机是目前的主流发电机，主要分为三种：有刷双馈异步发电机，电励磁同步发电机和永磁同步发电机。有刷双馈异步发电机优点：变电系统的刚性连接转为柔性连接，也就是原动机转速不收发电机输出频率的限制，发电机输出电压也不受转子的瞬间状态影响，缺点：存在多级齿轮箱及滑环、电刷，不可避免地带来摩擦损耗，增大了维护量及噪声等；在电网故障瞬间，骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施，增大了软硬件投入，而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷。电励磁同步发电机优点：噪声低、电网电压闪变小及功率因数高。缺点：系统成本较高，功率变换器损耗较大。永磁同步发电机优点：无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此效率高、寿命长、免维护。缺点：初期建设投入较大11。文献12 以永磁直驱风力发电机系统为主题， 介绍了永磁直驱风力发电机原理及其结构， 对比分析了其相对于双馈异步发电机的优势， 并对其控制系统进行了综述。文献13 讨论了未来风力发电系统可靠性技术发展的主要方向，为研究具有故障容错能力和高可靠性的直驱永磁风力发电系统提供了理论基础。文献14 阐述了风力发电机的组成及设计思想；介绍了新型兆瓦级风力发电机产品，如双馈异步、永磁和电励磁同步及直接驱动等发电机，为我国自主研发风力发电机提供前期的理论支持。还有发电机的控制策略的选取，由于风速是在不断的变化中，所以必须控制发电机在变化的风速中始终运行在最大功率点附近，提高发电机的利用效率。怎样快速的找到最大功率运行点就变得特别重要，也就是最大功率追踪控制(MPPT)。文献15 针对风力发电系统最大功率点跟踪定步长爬山算法容易发生误判和振荡等缺点，采用自适应改进型最优梯度法对现有的定步长爬山算法进行优化，并仿真证明比传统的爬山法快2/3。文献16采用风速湍流作为搜寻信号，进而实施最大功率点跟踪控制。并在MATLAB下仿真表明新算法可以有效的提高风能转换系统的质量和效率。文献17采用无模型自适应控制器(MFAC)来进行MPPT，并搭建实验平台证明此控制可以用于MPPT控制。文献18采用扰动观察法的MPPT控制方法，并在PSIM软件中仿真证明该方法能快速稳定精确的跟踪到最大功率点。文献19在改进了传统的定步长爬山法，采用变步长的爬山法实现最大功率追踪，并仿真证明该方法的可行性。4.并网逆变器发电机发出的电能是不能直接并入电网使用的，因为风速在不断变化，势必发电机发出的电能频率不稳定，电压和电流波动较大，且不是标准正弦波，所以要经过交直交变换，也就是想将发出的交流电整流成为直流，在经过逆变器，转换成符合电网要求的电能。迄今为止，并网问题仍然是风力发电的一个重要的问题。目前，并网运行问题主要包括有功和无功控制、电压和频率控制、电压闪变和谐波、低电压穿越能力等202122。随着风电场的容量越来越大,对系统的影响也越来越明显,研究风电并网对系统的影响已成为重要课题。早期风电的单机容量较小，大多采用结构简单，并网方便的异步发电机，直接和配电网相连。而风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，因此，风电很有可能给配电网带来谐波污染电压波动及闪变问题，风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难，需要重新评估系统的发电可靠性，分析风电的容量可信度，研究新的无功调度及电压控制策略以保证风电场和整个系统的电压水平及无功平衡，及对孤立系统的稳定性影响等。随着电力电子元件的性价比不断提高，变速恒频电机，双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用，风电场可以像常规机组一样，承担电压及无功控制的任务，正逐渐成为新的研究热点23。还要研究风电并网对原电网的影响，比如，潮流与网损，电能质量（电压闪变和谐波污染），稳定性。怎样使风电安全有效并对电力系统产生积极作用，是今后我们要研究的热点。八、学位论文工作进度安排2014.8 - 2014.9明确课题方向，搜集相关资料，阅读、理解资料，撰写开题报告； 2014.10-2014.12建立风电模拟平台模型，并进行发电机的MPPT建模,并仿真； 2015.1 - 2015.3制作PCB板（控制板，驱动板），搭建硬件平台； 2015.4 - 2015.6调制PCB板，对电机进行矢量控制；2015.7 - 2015.10研究并网，实现模拟平台并网运行； 2015.11 - 2016.2撰写硕士论文，准备论文答辩。硕士生签名： 年 月 日九、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日查阅主要文献资料目录清单序号作 者题 目刊物名称期（卷）号年份起止页码1岳一松, 蔡旭风场与风力机模拟系统的设计与实现电机与控制应用420082曹娜, 赵海翔, 任普春风电场动态分析中风速模型的建立及应用中国电机工程学报3620073佘慎思,李征,蔡旭基于风电场动态时空关系的风速分布模型研究电网技术1520144杨宇, 魏毅立, 王琼基于DSP的风力机系统及其模拟器的研究工业控制计算机62013265范明明基于DSP的风机实验系统的研究与实现哈尔滨工业大学20106刘贤兴, 邓甜甜, 姜来福永磁同步风力发电系统最大功率追踪新方法现代科学仪器 ISTIC120147王前双, 胡育文, 黄文新.风力机模拟技术综述电机与控制应用320108郑吉, 王学普无刷直流电机控制技术综述微特电机320029王民廷交流异步电机控制方法综述科技信息3201110刘细平, 林鹤云风力发电机及风力发电控制技术综述大电机技术3200711程明, 张运乾, 张建忠风力发电机发展现状及研究进展电力科学与技术学报3200912徐鹏飞, 邢仁周直驱永磁同步发电机在风电中的应用研究科学与财富6201454-5413邓秋玲, 姚建刚, 黄守道直驱永磁风力发电系统可靠性技术综述电网技术9201114谢宝昌兆瓦级风力发电机综述电机与控制应用2200715崔畅, 赵强PSMG风力发电系统MPPT优化控制策略研究国外电子测量技术5201360-6316黄悦华, 李光勖, 黎欢欢等风力发电系统最大功率点跟踪策略电测与仪表5201217-1917陈贵林, 刘吉斯, 杨娟霞等基于模拟平台的MPPT无模型自适应控制研究电力电子技术10201327-2918钱苏翔, 詹彦, 熊远生扰动观察法在小型风机MPPT中的仿真研究机械设计与制造, ,82013165-168.19孟杰, 谢勇, 方宇直驱型风力发电系统MPPT研究扬州大学学报：自然科学版3201259-6220Hansen D，Hanscn L HWind turbineconceptmarketpenetrationover 10years(19952004)WindEnergy21HansenLH，HelleL，BlaabjergFConceptual surveyofgenerators andpowerelectronics for windturbinesRisonatioeallaboratory，Technical Report Rim-R-1205(EN)，Reskilde，Denmark2200122Po linder H，MovrenJDevelopmentsinwind turbinegenerator systernsEleetrimacs3200523雷亚洲与风电并网相关的研究课题电力系统自动化,8200384-8924李辉, 薛玉石, 韩力并网风力发电机系统的发展综述微特电机5200955-6025耿华, 杨耕, 马小亮.并网型风力发电机组的控制技术综述电力电子技术6200633-3626张明锐, 陈洁, 王之馨等一种新型的永磁同步风力发电机并网系统电力系统保护与控制142013141-14827杨晓萍, 郭鑫.直驱式永磁风力发电机组并网控制电力系统及其自动化学报62011122-126 28何东升, 刘永强, 王亚.并网型风力发电系统的研究高电压技术12008142-14729杨得润, 包广清.直驱风电系统的一种多电平拓扑及其并网研究大电机技术 I