最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用.doc

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

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

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

学院：

燕山大学里仁学院

专业：

应用电子

学生姓名：

***

学号：

***

指导教师：

***

答辩日期：

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：

电气工程学院系级教学单位：

电气工程系

学

号

***

学生

姓名

***

专业

班级

应用电子08-2

题

目

题目名称

最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

题目性质

1.理工类：

工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；

理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。

2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。

题目类型

1.毕业设计（√）2.论文（）

题目来源

科研课题（）生产实际（）自选题目（√）

主

要

内

容

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Ｍａｔｌａｂ/ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对设计的电路进行仿真研究

基

本

要

求

1、毕业设计说明书一份

2、A0号图纸一张

3、英文资料翻译一份

参

考

资

料

1、 基于Ｍａｔｌａｂ/ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿真研究

2、风力发电系统的最大功率控制

周次

1—4周

5—8周

9—12周

13—16周

17—18周

应

完

成

的

内

容

查阅资料

了解所做题目内容

英文翻译

确定方案

系统电路设计

数学模型的建立

系统仿真

资料整理

撰写论文

指导教师：

***

职称：

副教授2012年1月8日

系级教学单位审批：

年月日

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AC-DC-DC-AC变流器，变压器等构建了变速风力发电系统。

鉴于DC-DC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，AC-DC-DC-AC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MPPT（MaximumPowerPointTracking）控制。

Abstract

Theenvironment，energyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhuman．Mainly，Conventionalenergyarecoaloilandnaturalgas．Itisnotonlyrestricted，butalsocausingseriousairpollution．Therefore，theutilizationofrenewableenergyespeciallywindpowerdevelopmentisregardedbymanycountryintheworld．Intherecentyear，thehumanusedhigh—techappliedtowindpowersystem，Continuouslyimprovingtheefficiencyandqualityofthewindpowerhavegreatsignificance．Windenergyresourcesbelongtothenaturalphenomenon，Sothedevelopmentanduseofthewindresourcehavemanyinconvenience.Thisthesisfocusesontheproblemofmaximumpowerpointtrackingforachievingthemaximumwindenergytrackingofvariablespeedwindturbinepowergenerationsystemsatlowwindspeed．Powerelectronicconvertersandmaximumpowerpointtrackingstrategysinwindgeneratorsystemsprovidethebasicplatformtoaccomplishtheresearchofthisthesis．

Inordertosendwindenergytoautilitygrid，avariablespeedwindturbinerequiresapowerelectronicconvertertoconvertavariablevoltagevariablefrequencysourceintoafixedvoltagefixedfrequencysupply．Variablespeedwindturbine、permanentmagnetgenerator、three--phaseAC-DC-DC-ACconverteraswellastransformer,areintroducedinthethesisforestablishingvariable-speedwindenergyconversionsystems.Furthermore，astheimportantsectionofDClinktodeliverpowerofenergyintheconvertersystem,Boostconverterareintroducedandspecificallyanalyzedinthisthesis．

Second，introducedtheprincipleofmaximumpoweroutputofVSCFwindpowergenerationsystem，analyzedandcomparedofseveralfamiliarwindpowertrackingalgorithm，especiallyclimbingalgorithm．

Atlast，setupthewindpowersystemmodelbymatlabtool，andachievedwindturbinemaximumpowerpointtracking（MPPT）．

Keywords：

Variablespeedwindturbine，Permanentmagnetgenerator,Maximumpowerpointtracking，AC—DC—DC—ACconverter,boostconverter

目录

摘要 4

Abstract 5

第1章绪论 9

1.1课题背景 9

1.1.1全球风电产业的发展现状及前景 9

1.1.2我国发展风力发电的必要性 10

1.2风力发电技术的现状及发展 13

1.4论文的内容安排 16

1.4.1主要研究工作 16

1.4.2论文结构安排 17

第2章风力发电系统介绍 18

2.1风力发电的理论基础 18

2.2风力发电机的组成结构 21

2.3风力机的分类及功率控制方法 22

2.4本章小结 25

第3章最大功率点跟踪控制系统的设计 26

3.1最大功率点跟踪算法的分类 26

3.1.1叶尖速比控制算法Tip-Speed—Ratio（TSR）Control 26

3.1.2功率信号反馈算法PowerSignalFeedback（PSF）Control 27

3.1.3登山搜索算法Hill-climbSearching（HCS）Control 28

3.2最大功率点跟踪控制系统的设计 31

3.3本章小结 37

第4章DC／Dc变换器的设计 38

4.1DC/DC变换器概述 38

4.2DC/DC变换器参数设计及其仿真 39

4.3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

1.1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2010-2035年耗掉800；而天然气和煤，从现在算起。

天然气只能再用40-80年，煤可再用200-300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215．6亿吨．2001年达到239．0亿吨，2010年为277．2亿吨．预计2025年达到371．2亿吨，年均增长1．85％。

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