摘要：风能作为可再生、洁净无污染、取之不尽用之不竭的能源，成为世界可再生能源发展的重要方向。永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点而成为研究的重点机型。本文主要研究两方面内容，一是直驱风力发电系统的模拟仿真，二是最大功率跟踪方法(MPPT)。 本文分析了风力发电机最大功率跟踪控制的基本原理和方法，基于他们的数学模型在MATLAB/SIMULINK中分别搭建了包括风力机气动模型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等，在此基础上建立了直驱式永磁风力发电系统的模型，并采用最佳叶尖速比控制法，对风力机在额定风速以下进行了仿真，通过仿真验证了该方法的控制效果。 关键词： 直驱风力发电；最大功率跟踪；风力机模拟；仿真；
随着科学技术的飞速发展，人类对能源的需求日益增加，世界能源消耗量的持续增加，使全球范围内的能源危机形势愈发明显，开发可再生能源成为实现世界各国能源发展战略的重大举措。目前风力发电不断向大型化发展。但是随着风力发电的快速发展，一系列技术问题逐
渐显现。如何降低成本，提高技术优势，以提高风电设备的稳定性与高效性成为摆在研究人员面前的一道难题。齿轮箱就是亟待解决的问题之一。目前风力发电系统的主流机型是功率容量为 1.5MW 的双馈式风力发电系统。主要部件有风力机、齿轮箱、发电机、调向机构、制动机构、控制单元、塔架等。由于风能的特殊性，风力机一般都低速旋转，如大型风力机的转速低至每分钟几十转甚至十几转。发电机属于高速旋转机械，所以两者之间往往通过升速齿轮箱连接，使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机转速相匹配。但是由于机组运行过程中齿轮箱也一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率。还有由于风电机组往往安装在环境条件恶劣的偏远山区、孤岛等野外的高空，导致升速齿轮箱的维护保养工作量大。而且随着单机容量的不断增大，使齿轮箱的造价也更加昂贵，在MW 级风电机组中更容易造成过载或过早损坏。因此人们开始研究省去齿轮箱的直驱式发电系统。省去齿轮箱面临最大的困难就是发电机，由于一般发电机旋转速度高，必须采用低速的发电机，所以研究人员将永磁同步电机用于风力发电。永磁电机采用永磁体结构，无需外部励磁，省去了电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效率。而且永磁结构比电励磁结构更适合做成多极低速结构，极矩小、电机体积和质量也相对较小，所以直驱永磁同步电机系统成为现今研究重点。
1 风力发电系统的总体结构
风力发电机组的整体结构示意图如图1.1所示。主要的部件包括风力机、永磁同步发电机、测量与控制系统、功率变换器等。风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件，风以一定的速度和功角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而直接驱动永磁同步发电机发电机。发电机发出的电能经过电力电子变换器输送到电网。本文介绍风力机和发电机。
图1.1 风力发电系统示意图风力机
1.1 风力机
风力机是风电机组的最主要部件之一，是由桨叶与轮轴组成，桨叶具有良好的空气动力学外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。所以它不仅决定了整个风力发电系统有效功率的输出，还直接影响机组的安全稳定运行。在理论上，最好的风轮也只能将约60%的风能转换成机械能。
在目前风力机主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机。本文主要研究的是采用定桨距，变转速发电机的变速风力发电系统。
1.2 发电机
在风力发电系统中，发电机及其控制系统承担了风力发电系统的能量转换任务。它不仅直接影响这个重要转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。
永磁同步发电机具有许多优点：由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。采用稀土永磁体后可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高：处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。
2风力机的理论基础
2.1 风能利用系数
(1)
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。目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0.4~0.5之间。
2.2 叶尖速比
叶尖速比是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。
(2)
其中为风轮的转速；R为风轮的半径。
2.3 风力机特性
风力机把风能转化为机械能是个复杂的空气动力学过程，要精确地对风力机进行建模，必须用基于空气动力学中桨叶的基本理论。但是，如果用桨叶的基本理论建模，将不可避免要解决风力机风轮几何学问题、复杂冗长的计算问题等困难，此外，还要同时处理一系列的风速信号，而不是只有一个风速信号。
为了避免这些问题，人们设计了一种简易的模型来描述风力机，它反映了风速与从风中获得的能量的关系，气动方程为：
(3)
(4)
式中为通过风轮扫掠面积的风的功率；为空气密度，一般为1.25；为风轮半径；
为实际风速；为风力机的实际功率系数；为叶尖速比。
3 最大风能跟踪
最大风能跟踪(MPPT)是风力发电的核心问题，但风能的跟踪的特性是由风力机决定的。因此无论是那种风力机，其风能跟踪的思想是相通的。目前常用的最大风能跟踪控制主要有最佳叶尖速比控制法、功率反馈法和爬山搜索法。本文采用最佳叶尖方法进行控制。
最佳叶尖速比法的基本思想是当风速变化时，通过测量风速和风力机固有特性计算出此时的最佳转速，并适时调整发电机转速始终运行于该最佳转速，从而实现最大风能跟踪。用风速计直接测出风速信号，由最佳叶尖速比和式(2)求得对应的最佳转速，将它与测得的风力机转速信号进行比较，组成闭环控制系统，由转速误差信号调节发电机的电功率输出，进而达到调节转速的目的，使风力机转速正比于风速而变化，即始终运行在最佳叶尖速比的情况下。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议