基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真.docx

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基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真

毕业设计（论文）

题目基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真

院系

机械工程系

专业班级

学生姓名

指导教师

二〇一六年六月

基于Simulink的风力发电组控制系统的设计与仿真

摘要

现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重[1]。

而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格日益上涨，并且化石能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害人体健康、导致全球变暖[2]。

风能是一种可再生能源，风力发电技术是可再生能源开发中技术成熟程度、规模化开发程度、商业化程度最高的发电方式。

风能是清洁无污染的可再生能源，而且风能资源分布广泛，总量十分可观。

全球可利用的风能约为MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，风能将成为21世纪的主要能源之一[3]。

本文主要介绍了风力发电的主要原理，简单介绍了风力发电机的气动和机械系统模型，最后着重介绍双馈风力发电机组的原理以及建模。

由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文还介绍了Simulink的建模方式，以及简要介绍在Simulink环境下对双馈异步风力发电机控制系统的建模过程，对建模过程中需要对控制系统参数的设定进行介绍。

最后将双馈风力发电机的仿真系统进行仿真设计，得到对应电网与风力机的相关输出特性，还有风力机转矩与风速的关系图。

观察风力机在不同工作状态下的风速与转矩特征。

仿真的结果证明，对双馈风力发电机组控制系统仿真是比较符合实际的，仿真结果具有实际指导意义。

关键词：

风力机、双馈发电机、控制系统、Simulink、仿真

SimulationofthewindturbinecontrolsystembasedonSimulink

Abstract

Astheglobalpopulationgrowthandeconomicdevelopmentontheincreaseofenergydemand,theuseoftraditionalenergyisfacingincreasinglysevereenergyshortageandenvironmentalissues.Forfossilenergyisscarcityandirrefragable，thesereasonmakeitspricerising,andfossilfuelcombustionproducesharmfulgas,pollutetheenvironment,endangerhumanbodyhealth,andleadtoglobalwarming.Windenergyisakindofrenewableenergy,andwindpowerisrenewableenergywithtechnologymaturity,scaledevelopmentdegree,inmostwaysofpowergeneration.Windenergyisacleanpollution-freerenewableenergyandwindenergyresourcesarewidelydistributed,theamountisveryconsiderable.GlobaluseofwindpowerisaboutMW,largerthantheamountofwateronearthcandevelop10times,windpowerwillbecomeoneofthemainenergyinthe21stcentury.

Windpowerismainlyintroducedinthispaper,themainprincipleofsimpleintroducedthepneumaticandmechanicalsystemmodelofwindturbine,inthebackwithemphasisontheprincipleofthedouble-fedinductionwindgeneratorandmodeling.DuetotheuseofMATLAB/Simulinkmodelingmethod,thispaperalsointroducedtheSimulinkmodeling,aswellasabriefintroductiontoinSimulinkenvironmentofdoubly-fedasynchronouswindturbinecontrolsystemmodelingprocess,tobeusedintheprocessofmodelingelementsarebrieflyintroduced。

Finallymakedoubly-fedasynchronouswindturbinesimulationsystemrunning，getthecorrespondinggriddataandthecharacteristicsofthewindturbine,andwindspeedandwindturbinetorquediagram.Observerthecharacteristicsunderdifferentworkingconditionsofwindspeedandwindturbinetorque，thesimulationresultsshowthatthesimulationofdouble-fedinductionwindgeneratorishaspracticalguidingsignificance.

Keywords：

windturbine、double-fedgenerator、controlsystem、Simulink、simulation

1绪论

1.1引言

现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重。

煤、石油、天然气等化石能源的不断减少使其价格不断增加，按照已探明的能源储量和未来能源的消费速度来看，化石能源可能在40-200年内逐渐耗尽[4]。

因此，寻求清洁能源代替传统能源是现在世界面临的重要问题。

替代性能源包括水能、核能以及可再生能源。

水能和核能虽然是现阶段低碳能源的首选，但是水电开发总量有限而且影响自然环境，核电有核泄漏以及处理核废料的问题[5]。

从长远角度来看，开发取之不尽用之不竭的可再生能源才是解决未来能源与环境的根本途径。

可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。

而风能是目前可再生能源中运用技术最成熟，商业化程度最高的的一种可再生能源。

风能是清洁无污染额可再生能源，而且风能的资源分布广泛，总量十分巨大。

今年来风电一直保持着世界增长最快能源的地位.丹麦到2020年和2050年风力发电比例将提高到42%和100%；欧盟的总体目标则是在2020年和2050年由风力发电提供总发电量的17.5%和50%；美国的目标则是到2030年风力发电占总电力供应的30%[6]。

而我国的风力发电总装机量为世界第一，到2020年和2050年，中国风电装机总量将在2020年达到200GW在2050年达到1000GW，而发电量则能达到总发电的5%和17%，风电将成为中国的五大电源之一[7]。

1.2风力发电发展史以及国内发展现状

风能在十九世纪末到二十世纪六十年代末时期，其开发程度只是在小规模开发的状态。

美国的Brush风力发电机和丹麦的Cour风力发电机被视为风力发电的先驱[8]。

风力发电在1973年的石油危机后由小型化开发逐渐向大中型规模化发展。

这一段时间由于发生了两次能源危机，许多政府开始支持风力发电的大规模发展。

丹麦的Tvind2MW风力发电机，是风力发电机革命的佼佼者[9]。

丹麦是世界上第一个利用风力发电的国家。

相继荷兰、美国等也进行了风力发电机组的运行[10]。

从2001年到2009年全球装机容量年增长率为26.2％，截止至2009年12月31日累计装机容量为160084MW。

2009年新增装机容量38103MW，相比2008年全球范围装机容量增长31％，这一增长率创下了历年之最。

预计2020年的世界风力发电量将占全世界总发电量的15%[11]。

目前世界风力发电发展的速度超过其他新能源的发展，未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。

为了使风力发电更广泛的让人们知晓和发展，全球各国政府相继推出了许多优惠的政策，覆盖面极广，主要包括：

提供低利率贷款，投资补贴，优先原则，硬性规定新能源须占有一定的比例等措施。

多种形式的优惠措施更加促进了各国风力发电的快速发展。

在过去几年中，全球风力发电机供应商数量大幅增加[12]。

2009年，全球整个行业提供约38103MW电力。

陆地风力发电比海上风力发电在风电场建设规划难度小和建设成本较低，但海上风力资源较好，且不占用宝贵的土地资源，对环境影响较小，因此具有良好的发展前景[13]。

英国是世界上最大的海水风力发电国家，在可再生能源利用领域处于龙头地位。

根据英国国家电网PLC统计数据显示，英国当地时间2012年2月17日晚21时20分风力发电瞬时达到3.4GW，创历史新高，而且这一数字还有望持续。

国地大物博，地理位置位于阳光充沛的温带、亚热带地区，受东亚、南亚季风影响。

所以，风能资源的储量大、分布面广，其中发展最好的地区位于北部和东南沿海。

此外，中国的内陆湖泊或其他特殊地形条件的影响，一些地区还拥有丰富的风能资源[14]。

中国北部和西部风力资源丰富，主要的地区包括内蒙古，甘肃，新疆，河北，吉林等地，最高可达150GW。

另外，沿海岸地区最丰富的是江苏，山东，浙江等地，最高可达10GM。

我国全国大约有60%的地区为多风地带，全年平均风速为3m/s及以上的时间达3000h，只是陆地上可开发的风能资源就达253GW[15]。

此外，我国具有漫长的海岸线，海上的风能资源约为750GW，所以在海上风电也具有好的发展前景。

而根据BTM的研究，随着现代风力发电机增加高度，这种潜力将更加巨大。

到2030年，风能有可能将取代煤炭和水力，成为中国最主要的能源之一[16]。

近年来我国风电快速、有效地增长，根据世界风能协会公布的最新数据显示，截止2011年年末，全球风力发电总量已经达到2亿3800万千瓦，近10年间增加了10倍[17]。

数据显示，全球风力发电设备容量在去年一年期间增加了近21%，约41230MW，而截止2001年年末的发电总量仅为23900MW。

从风力发电总量上看，中国达62730MW位列首位；美国（46910MW）和德国（29910MW）名列第二、三位。

中国目前是全球最大的风电市场，也是全球最大的风力发电机组生产基地。

据我国专家估算，我国可开发利用风能至少十几亿千瓦，快速推进风力发电是我国实现减排目标的必要途径之一[18]。

目前我国的风力发电仍处于起步阶段，缺少设计制造的技术和管理经验，缺乏具有国有化或自主创新的风电技术和相关产品。

设置合理的产业的发展前景，结合市场的要求，推进新选新能源及其技术的开发和应用。

从发展的角度来看，研究开