最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

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能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视。近年来人类所取得的高新科学技术应用于风力发电系统中，不断提高风能的变换效率和质量，具有十分重要的意义。风能资源属于自然现象，所以对风力资源的开发和利用具有许多不便的方面。本文主要研究变速风力发电系统最大功率点的跟踪问题，以使风力机在处于额定风速以下时能够实现最大风能捕获。风力发电系统所采用的功率变流器和最大功率点的跟踪控制策略提供了基本的研究平台，以完成本课题的研究。为了将风能输送给电网，变速风力机要有变流器将发电机发出的电压和频率都不断改变的电能转换成恒频恒压的电能，再传输给电网。本文采用了变速风力机，永磁发电机，三相ACDCDCAC变流器，变压器等构建了变速风力发电系统。鉴于DCDC直流环节在能量传输中的重要性，本文专门研究了BOOST变换器在变速风力发电系统中所起的作用。本文接着阐述了变速恒频风力发电系统最大功率输出原理，分析对比了几种常见的风能跟踪算法，对爬山算法进行了着重研究。关键词变速风力机，永磁发电机，最大功率点跟踪，ACDCDCAC变换器，BOOST变换器最后用MATLAB仿真工具建立了风力发电控制系统的仿真模型，实现风力机最大功率点追踪MPPTMAXIMUMPOWERPOINTTRACKING控制。ABSTRACTTHEENVIRONMENT，ENERGYAREURGENTPROBLEMSOFSURVIVALANDDEVELOPMENTOFHUMANMAINLY，CONVENTIONALENERGYARECOALOILANDNATURALGASITISNOTONLYRESTRICTED，BUTALSOCAUSINGSERIOUSAIRPOLLUTIONTHEREFORE，THEUTILIZATIONOFRENEWABLEENERGYESPECIALLYWINDPOWERDEVELOPMENTISREGARDEDBYMANYCOUNTRYINTHEWORLDINTHERECENTYEAR，THEHUMANUSEDHIGHTECHAPPLIEDTOWINDPOWERSYSTEM，CONTINUOUSLYIMPROVINGTHEEFFICIENCYANDQUALITYOFTHEWINDPOWERHAVEGREATSIGNIFICANCEWINDENERGYRESOURCESBELONGTOTHENATURALPHENOMENON，SOTHEDEVELOPMENTANDUSEOFTHEWINDRESOURCEHAVEMANYINCONVENIENCETHISTHESISFOCUSESONTHEPROBLEMOFMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGFORACHIEVINGTHEMAXIMUMWINDENERGYTRACKINGOFVARIABLESPEEDWINDTURBINEPOWERGENERATIONSYSTEMSATLOWWINDSPEEDPOWERELECTRONICCONVERTERSANDMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGSTRATEGYSINWINDGENERATORSYSTEMSPROVIDETHEBASICPLATFORMTOACCOMPLISHTHERESEARCHOFTHISTHESISINORDERTOSENDWINDENERGYTOAUTILITYGRID，AVARIABLESPEEDWINDTURBINEREQUIRESAPOWERELECTRONICCONVERTERTOCONVERTAVARIABLEVOLTAGEVARIABLEFREQUENCYSOURCEINTOAFIXEDVOLTAGEFIXEDFREQUENCYSUPPLYVARIABLESPEEDWINDTURBINE、PERMANENTMAGNETGENERATOR、THREEPHASEACDCDCACCONVERTERASWELLASTRANSFORMER,AREINTRODUCEDINTHETHESISFORESTABLISHINGVARIABLESPEEDWINDENERGYCONVERSIONSYSTEMSFURTHERMORE，ASTHEIMPORTANTSECTIONOFDCLINKTODELIVERPOWEROFENERGYINTHECONVERTERSYSTEM,BOOSTCONVERTERAREINTRODUCEDANDSPECIFICALLYANALYZEDINTHISTHESISSECOND，INTRODUCEDTHEPRINCIPLEOFMAXIMUMPOWEROUTPUTOFVSCFWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，ANALYZEDANDCOMPAREDOFSEVERALFAMILIARWINDPOWERTRACKINGALGORITHM，ESPECIALLYCLIMBINGALGORITHMATLAST，SETUPTHEWINDPOWERSYSTEMMODELBYMATLABTOOL，ANDACHIEVEDWINDTURBINEMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTKEYWORDSVARIABLESPEEDWINDTURBINE，PERMANENTMAGNETGENERATOR,MAXIMUMPOWERPOINTTRACKING，ACDCDCACCONVERTER,BOOSTCONVERTER目录摘要4ABSTRACT5第1章绪论911课题背景9111全球风电产业的发展现状及前景9112我国发展风力发电的必要性1012风力发电技术的现状及发展1314论文的内容安排16141主要研究工作16142论文结构安排17第2章风力发电系统介绍1821风力发电的理论基础1822风力发电机的组成结构2123风力机的分类及功率控制方法2224本章小结25第3章最大功率点跟踪控制系统的设计2631最大功率点跟踪算法的分类26311叶尖速比控制算法TIPSPEEDRATIOTSRCONTROL26312功率信号反馈算法POWERSIGNALFEEDBACKPSFCONTROL27313登山搜索算法HILLCLIMBSEARCHINGHCSCONTROL2832最大功率点跟踪控制系统的设计3133本章小结37第4章DCDC变换器的设计3841DC/DC变换器概述3842DC/DC变换器参数设计及其仿真3943本章小结42第5章变速风力发电系统的仿真与分析43第1章绪论11课题背景目前，作为世界能源主要支柱的石油、天然气、煤炭等不可再生资源的储量非常有限。近年来在世界能源消费构成中，占能耗比重展大的是石油，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20102035年耗掉800；而天然气和煤，从现在算起。天然气只能再用4080年，煤可再用200300年。随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。据美国能源信息署EIA统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为2156亿吨2001年达到2390亿吨，2010年为2772亿吨预计2025年达到3712亿吨，年均增长185。稳定、可靠和清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障，石油、天然气、煤等化石能源在上两个世纪无疑促进了人类文明的进步和发展。但是，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感受到了环境恶化的威胁，能源危机及其带来环境污染成为阻碍人类进一步发展的桎梏。因此必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发洁净绿色的可再生能源，研究风力发电、太阳能发电、生物质能、海洋能发电等环保型可再生能源。全球已有35个发达国家和100个发展中国家制定了全国性的可再生能源的发展目标。111全球风电产业的发展现状及前景在政策的鼓励下，20032007年，全球风电平均增长率为247。2007年，全球大约生产了2000亿千瓦时风电电力，约占全球电力供应的1，全球风电新增装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。2008年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。作为能源领域增长最快的行业，风电行业共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元。目前在全球范围内，欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机容量最大的国家，装机容量超过2000万千瓦，美国和西班牙也都超过了1000万千瓦。印度是除美国和欧洲之外新增装机容量最大的国家，装机总量也超过了600万千瓦。风电与火电等传统电力相比，最大的竞争劣势就是成本较高、经济性不好。经过30年的努力，随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的46美分。在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌。尽管风电还存在着如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展等方面的问题，但在市场逐步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显、特别是政策环境前景非常明朗的情况下，世界各国都对风电发展充满了信心。全球风能理事会对风力发电的成本下降进行了研究，认为风力发电的成本下降60依赖于规模化发展，40依赖于技术进步。估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降2025，海上风机的造价可以降低40以上，发电成本可以同幅下降。欧美都公布了2030年风电发展目标，提出了2030年风电满足20甚至更多电力需求的宏大目标，届时都将发展约3亿千瓦的规模，这也为全球风电的长期发展定下了基调。国际能源署2008年颁布的2050年能源技术情景判断，20102050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。随着风电技术的同趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化发展态势。112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能，以后则是电能。我国利用风能的历史悠久，迄今已经有数千年，是世界上利用风能最早的国家之一。远在三千年前，就有了风帆航运，在一千七百年前发明了帆布风车提水机，主要用于农田灌溉、盐池提水、风力磨粉等。随着中国经济发展的提速，社会发展日新月异，人民生活水平不断提高，但是这很大程度上是以牺牲大量资源、破坏生态环境为代价的。我国能源发展面临的问题日益突出，概括起来主要有四个方面1能源资源总量少，优质资源尤其短缺中国人均拥有能源只有世界平均值的40，特别是中国石油资源量严重不足，最终可开采储量仅占世界石油可采储量3左右，剩余可开采储量仅占世界剩余可开采石油储量的18。因此，中国能源供应将面临长期后备资源不足，特别是优质能源短缺的问题。2能源利用技术落后，能源利用效率低目前，中国在能源利用技术方面与世界其他国家存在着较大的差距，能源效率仅为32，约低于世界平均水平10个百分点；单位GDP能源消耗是美国的35倍、日本的97倍，是世界平均水平的3倍。3环境污染问题日益严峻中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家。目前能源消耗构成中煤炭占67，过分依赖消耗煤炭能源造成了严重的煤烟型环境污染。中国每吨标准煤的能源消耗，排放的温室气体比世界平均水平高出50。在不远的将来，中国将在排放总量上超过美国，成为世界第一大温室气体排放国。4能源结构不合理中国能源以煤为主，这远远偏离当前世界能源消耗以油气等优质能源为主的基本趋势和特征。据专家预测，为实现中国2020年国民生产总值翻两番的目标，能源供应至少要翻一番，2020年中国仅用发电的煤耗将需要近14亿吨标煤，能源供应需求量将超过30亿吨标准煤。面对如此巨大的能源需求和“石油供求不足，煤炭接近开采极限“的严峻形势下，调整能源结构和大规模开发可再生能源成为当务之急。世界风能总量为210”，大约是世界总能耗的3倍；如果风能的L被利用，则可以减少世界3的能源消耗。风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增长率达到27。风能产业将作为新兴产业在未来20年高速增长，是可再生能源发展的重点，也是最有可能大规模发展的能源之一。国际能源专家预言2L世纪是风力发电的世纪，绿色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。我国具有非常丰富的风力资源，国家非常重视风电产业的发展。利用风能来发电，能减少环境污染、保护气候资源，使人类的健康和地球上的生命免受不良影响。我国发展风电的必要性主要体现在以下几个方面1实现能源多元化，调整我国当前能源结构目前，我国可开发和利用的风力资源储量约为10亿K，而目前我国风力发电仅占全国电力装机容量011。根据国家发改委的长期产业规划，中国的风电装机规划为2005年完成100万K，2010年500万K，2015年I000万K，2020年3000万K，届时风电装机占全国电力装机的2。因此，风力发电作为成熟技术的优势对缓解我国电能紧张、改善我国能源结构有重要作用。2通过自主研发，提升风力发电机组的国产化率和行业竞争力我国风力发电起步较晚，目前全国已建成60多个风电场，装机规模达到了100多万KW，装机量以每年20以上的速度递增。目前风电机组主要制造商集中在欧美国家，我国大部分风力发电机依靠进口。如2004年我国764万KW的风电装机容量中，82的设备来自进口，其中丹麦NECMICON公司的产品就占到中国总装机容量的30；而大部分国产风力机组，其技术也主要靠国外引进。因此，研究具有自主知识产权的风力发电系统具有极大的产业化和市场发展前景，同时能够提高我国风力发电的技术水平，提高我国风电行业在国际上的行业竞争力。3减少能源损耗，减少温室气体排放风能属于可再生能源，风电作为一种温室气体零排放的替代能源技术，被广泛认为有可能在未来取代传统的化石燃料，选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势。经过计算，平均每装一台单机容量为L兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳相当于种植276平方千米的树木、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，我国在这种国际形势下更应该加大对风能利用的研究。4在解决偏远边区用电、脱贫致富方面发挥重大作用。我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸难以解决供电问题。这些地方一般使用柴油或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。如果能够充分利用该地区的风力资源来解决无电、缺电问题，将大量节约燃料和社会资源，同时还能减少环境污染，有着十分显著的经济效益和社会效益。地球上风能资源蕴藏丰富，是一种清洁、廉价的可再生能源。近年来，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度重视。大力发展风力发电必将对我国的能源结构产生积极的影响，为中国实现可持续发展做出突出贡献。我国政府己通过立法将可再生能源纳入国家可持续发展战略，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关键。12风力发电技术的现状及发展在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有1、定桨距风力发电技术定桨距风力发电机组的主要结构特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距失速型风力发电机组在近20年的风能丌发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术。2、变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电组的功率调节对高频风速度变化仍然是无能为力的。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，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。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于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制的，它不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。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机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于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能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。目前具有变速恒频发电技术的机组主要有1、双馈型风力发电机组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带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。风力机的机械速度足允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范刚内均有最佳功率系数。因此双馈异步发电机具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点，在风力发电技术中，由于双馈发电机能变速恒频运行，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机械应力并降低了系统成本。与此同时，采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率。因此目前双馈发电机己经成为主流的风力发电机。2、无刷双馈发电机组双馈无刷发电机定子有两套级数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的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，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。3、高速同步发电机组在同步发电机和电网之间使用变频器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决，变频器的使用，使风力发电机可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力，通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，而控制电磁转矩可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。同步发电机经全容量变频器接入电网实现变速恒频发电。除具有变速恒频运行、有功无功独立可调以及良好的运行稳定性以外，同步发电机还具有以下特点电机制造技术成熟、运行可靠且无需定期维护，特别适用于海上风电场等维护与检修困难的场合；交直交变频器中的交一直变换可采用二极管整流直流斩波，结构简单；发电机发出的全部功率均通过变频器，较双馈风力发电系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩。因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能做出更快的响应。4、低速永磁直驱发电根据风能资源的特点，风力机通常以转速2030RMIN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L500RMIN。为连接转速不同的风力机与发电机，采用转速比较高的如L50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术要求和成本，同时还降低了系统的可靠性。永磁直驱或半直驱风力发电机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。与双馈风力发电机与变速感应风力发电机相同，永磁直驱或半直驱风力发电机也具有变速恒频发电、有功无功独立调节等优点，此外这类发电机还具有以下特点降低了机械传动的要求，减小系统成本并提高运行可靠性采用永磁材料，发电机能量密度高，重量轻，效率高；无碳刷与滑环，运行可靠，维护工作量小。14论文的内容安排141主要研究工作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3、建立数学模型。4、利用/软件对设计的电路进行仿真研究142论文结构安排第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前景。第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力发电系统的一些重要特性参数，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法。第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析比较了采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法。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的变流器。针对DC/DC变换选用了BOOST升压电路，然后对变换阻抗的DCDC变换器进行了具体设计。第五章第2章风力发电系统介绍21风力发电的理论基础风能的计算，由流体力学可知，气流的动能为E1/2MV221式中E气流动能M气流质量V气流速度设单位时间内流过截面积为S的气体的体积为V，如果以P表示空气密度，则该体积的空气质量为MVSV22这时气流所具有的动能为E1/2SV323式中E风能空气密度S截面积V气流速度由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。贝兹定理由风力机气动理论一贝兹定理，假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力，此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。分析理想风轮在流动大气中的情况，如图21所示S1V1SVS1V1S2V2S1V1图21风轮在流动大气中的情况距离风力机一定距离的上游风速；1VV通过风轮时的实际风速；V2离风轮远处的下游风速；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1S2S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1V气流截面积从上游至下游是增加的，即是大于。2假定空气是不可压缩的，由连续条件可知S1V1S2V2SV24风作用在风轮上的力可由EULER理论写出FSVV1V225式中F作用力故风轮吸收的功率为PFVSV2V1V226式中P吸收的功率此功率是由动能转换而来的，从上游到下游动能的变化为E1/2SVV1V227令PE，可以得到VV1V2/228作用在风轮机上的力和提供的功率可写为F1/2SVV12V2229P1/4SVV12V22210对于给定的上游速度，可写出以为函数的功率变换关系，将上式微1VV分得到DP/DV21/4SVV122V1V23V22211令DP/DV0，求解可得到V2V1/3，将其代入P的表达式，得到最大功率为PMAX8/27SV13212最大风能利用系数CPMAXPMAX/SV13213276这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。应此，风力机实际风能利用系数Q0,SIGNP131BA0,SIGN132由式41和式42可得STEPBSTEP经过第一次反复，新的运行点变为C,PC。重复这个过程直到系统运行点为1,P1，这时即为风速下的最大功率点。1V假如风速由变成，新的最优运行点将会从D,PD点开始搜索，V3则PPDP10,SIGNPL33D10,SIGN134由式33和式34可得REF1STEP下一个运行点将会是，然后与上面的情况类似，风机最后会EPW,运行到最大功率点3,P3。现在，假如风速变化为V2，运行点将会移到F,PF，则PPFP30,SIGNP137GFPK且（K1）K表示转速减小后，风力机输出功率也减小了，根据这一关系可以确定，K1时刻与K时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的左侧如图38，且K时刻的状态点比K1时刻的状态点远离最大功率点。因此必须改变转速的变化趋势既增加转速直到最大功率点。PWMPPPMAXPKP（K1）WK1W（K）WOPT图38风力机运行状态点偏离最大功率点3PK1K表示转速减小后，风力机的输出功率增加了，根据这一关系可以确定，K1时刻与后时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的右侧如图39，且K时刻的状态点比K1时刻的状态点更加接近最大功率点。因此继续降低风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上。PWMPPPMAXPKP（K1）WK1W（K）WOPT图39风力机状态点趋向于最大功率点4PK1PK且K1PK且（K1）K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定此时风力机的运行状态点在最大功率点的左侧，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PK1（K）或者PK1PK且K10则输出1，否则输出1调制波三角波发生器比较器延时延时比较器比较器PWPWM波风力机输出功率P风力机转速W图311登山搜索控制框图风力机的输出功率P、转速经过延时比较后得到各自的变化量P,；逻辑判断是根据P,值的正负关系判断出风力机的实际工作点与最大功率点的位置关系如果PO，则说明此时风力机的输出功率和转速同时增加或同时减小，因而风力机实际工作点在最大功率点左侧，判断结果确定为1即逻辑判断器输出为1如果PPK且W（K1）WK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定此时风力机的运行状态点在最大功率点的左侧，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PK1WK或者PK1PK且W（K1）WK时说明输出功率和转速的变化趋势相反，根据输出功率与转速的关系可以判定此时风力机的运行状态点在最大功率点的右侧，所以要减小风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上。根据以上的算法对风力机的转速进行控制，就可以实现对最大功率点的跟踪，不需要预先知道风力机的最大功率曲线，同时该控制方法容易实现。3系统仿真31风力发电系统仿真模型的建立见附录132风力发电控制系统仿真模型的建立4毕设中遇到的问题和解决方案在做毕业设计的过程中，遇到的可能一个小的问题，有时也解决不了，说明自己在大学期间的学习有很大的漏洞。自己会去查以前学习的书籍，向同学和老师请教。问题主要体现在电路的仿真上，其实也可能是前面一些参数选择上要求不满足，在电机拖动曾学过的PI调节器的计算选择，仿真的检验和调试，是很要功夫的地方。把曾经学过的知识串联起来很重要。提高了自己独立分析问题解决问题的能力。5毕业设计的下一步工作如何安排，写出具体的时间进度表内容时间安排风力发电系统模型仿真4月28日至5月4号风力发电控制系统模型仿真5月5号至5月7号仿真整体的调试与检验5月8号至5月9号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内容时间安排毕设整个知识点的梳理，电路原理图的整理5月4日至5月5号毕设前言翻译5月6号至5月8号电路硬件的设计5月9号至5月14号附录1附录四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的应用NVSURESHKUMARSRIGHAKOLLAPU电气工程部门印度理工学院KANPUR,UP208016,印度电子邮件SURESHSNVYAHOOCOINPARTHASARATHISENSARMA,MEMBER,IEEE电气工程部门印度理工学院KANPUR,UP208016,印度电子邮件SENSARMAIITKACIN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PMSG对可变的风速风能转换系统WECS,执行最大功率点跟踪MPPT算法。通过控制被三相整流器转换成的直流，发电机的操作运行速度保持在基本控制速度以下。电压参考是基于动态变化方向上的活跃功率的变化。该控制算法是独立于涡轮参数以及加工参数的。该方法避免了转子的速度和风速测量。因此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的变化来改变发电机的速率的控制系统，和改变系统效率的直流变化系统。该控制器的性能通过仿真各种变化风速得到验证。近年来，重视对非常规能源如风能和太阳能的开发利用。风能增长的动力是因为它相对低廉的成本。根据最大大气条件整个系统可以进一步降低成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1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13或完全控制的有源整流器46。图1典型的风能和转换系统电网侧的接口是一个完整的控制逆变器。俯仰角控制OPTIMALPOWER报道7。最佳功率输出通过测量计算转子转速。之间的差异最佳功率与实际功率输出是用来提供控制作用。在1和2，最大功率点跟踪（控制）控制提出采用直流斩波器发电机输出功率测量。工作周期直流/直流转换器控制功率方向扰动周期变化。一个优化的电压控制方法是在3，其中直流/直流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13，可变速度控制永磁发电机二极管整流器由直流斩波器显示在控制发电机功率因数是不可能的，从而降低发电机效率。此外，本机线谐波目前的原因振荡扭矩。在46矢量控制基于永磁同步发电机控制报告。最佳电流矢量生成控制参考使用涡轮参数及测量转子转速。由此产生的误差计算优化参考和实际电流是用来控制活动整流器。主要缺点是这种方法的控制参考是根据先验信息与转子转速风力机特。这些特征会随着时间而改变，由于老化和这些不具备高精度。在89，搜索跟踪算法基于转子转速的报道，其中需要精确的转子速度测量。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器功率控制的优势。主要目标是避免风速测量避免转子速度测量实现机独立控制确保统一功率因数操作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变。在文章中有源整流器是被提及的。负载假定是理想的对于所产生的能量。应用T型滤波器拓扑风力能源的应用被提及，如图显示在图2。在这里，VABC,T,VABC,I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57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。此外，它抑制终端电压开关谐波因此电压和介电应力归结于电压开关谐波。这些压力的缺点将10中被讨论。IIWECS过程的数学模型A风力发电机WT从风力涡轮机中输出的能量和风力涡轮机的涡轮半径，风速，俯仰角和风叶形状有关。在本文中俯仰角被认为是保持不变的。从风力涡轮机中获得的能量公式如下PMR2CPV3WATTS1式中，P通过风轮扫掠面积风的功率，单位为W；空气密度，单位为KGM3；R风轮半径，单位为M；V实际风速，单位为MS；风力机的功率系数。PC风力机的功率系数。反映了风力机吸收利用风能的效率，它随风速、PC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。的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线PC速度与风速之比TSRRR/V通常风力涡轮机的特性由CP给出，对于风力涡轮机来说功率系数CP和有关，功率系数CP的公式如下所示CPNIA0图2T状转换器B永磁同步发电机滤波器在被安装的永磁同步发电机表面，有效气隙是大的且恒定不变的由于常数相对渗透率的永久磁接近团结。因此，D轴和Q轴电感可以认为是大致相等。永磁同步发电机的数学模型在三阶段域。本文提出了风力发电系统及其控制结构显示图4。三相感应电压的函数转子速度和系统动力学方程（没有考虑阻尼和电容器的寄生电阻）被给定如下432COSCSE,RRFRCNBAABCTIABC,GEABC,NVABC,FIABC,GRIN5INSL1IABC,IVABC,FVABC,NIABC,IRI6IVABC,FIABC,GIABC,I7FSC1其中，EABC，N，VABCVABC，F，N内部诱导相电势在永磁同步，滤波电容电压，终端电压转换器分别；滤波电容的电压，转换器终端电压分别IABC，G，IABC，我是发电机和逆变侧相电流F是由于定子磁链永久磁铁，以及LINLSLG，RINRSRG图4所示的电感和电阻。电磁扭矩表现在两相同步旋转DQ坐标系模型图3（A）CP特性（B）风力机输出能量和转子速度的特性图4提出了WECS配置和控制机构机械动力学的完整系统和电气频率的表达为MTMTEBMDTRM9J12PJ和B是风力机的惯性矩和摩擦系数，TM,TE分别是机械、电磁扭矩，P风力机是永磁磁极数。风力发电系统的配置及其控制该风力发电系统的配置及其