开题报告---风力发电双馈发电机的建模和仿真.doc

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1、风力发电双馈发电机的建模和仿真摘要：能源的不断消耗与环境的逐渐恶化已经成为世界各国共同关注的话题。作为一种可永久使用的清洁能源，风能得到了越来越多的重视。风力发电技术的快速发展，带动了风电产业的迅速繁荣。风力发电机组已经由初期的恒速恒频风力发电发展到现在的兆瓦级变速恒频风力发电，而双馈异步电机是变速恒频风力发电系统的核心，而且技术比较成熟。本论文分析了双馈异步电机的基本运行特点，得到双馈风力发电机的数学模型，建立起定子磁链定向矢量控制系统。最后，运用MATLAB/SIMULINK，完成双馈发电机控制系统的仿真建模，选用PID控制实现风力发电最大风能控制。关键词：风力发电；双馈电机；MATLAB

2、仿真；数学模型；PID控制；1. 文献综述自20世纪70年代初第一次世界石油危机以来，能源日趋紧张，各国相继制定法律，以促进用可再生能源来代替高污染的能源。从世界各国可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景也最好。风能作为一种分布广泛、没有碳排放的清洁永续能源，在世界各地得到广泛应用1。而风能的各种利用形式中，效率最高，使用最为方便的是风力发电。世界上很多国家都已经将风电事业作为本国调整能源结构，缓解环境污染的一种重要途径，并出台了相应的扶持政策，以鼓励风力发电行业迅速发展。目前，世界上主要的风力发电技术有定桨距调节风电技术、变桨距调节风电技术、主动失速调节技

3、术和变速恒频风力发电技术2。其中变速恒频风力发电技术由于其良好的最大风能追踪利用率，较宽的运行范围，灵活有效的功率控制策略等诸多优势，成为了目前运用最为广泛风电技术。其中交流励磁双馈发电机和永磁发电机是两个风力发电机的发展方向，现在使用最普遍的还是交流励磁双馈发电机3,4。风机中的永磁风力发电机采用全功率变换，效率高，但是缺点是永磁体成本高，变换器成本高却性能不稳定，发电机体积总量大，运输困难，而且安装比较困难。而双馈风力发电技术因为在低风速时，可以调节发电机转矩获得最大风能，高于额定风速时，可以改变桨叶节距角来维持额定功率等优点，而成为风力发电技术的重要发展方向5,6。目前，风力发电系统主要

4、有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在某一转速上才能达到最高运行效率，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，并增大风力机的磨损。若采用变速恒频发电方式，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。常见的变速恒频风力发电又有带齿轮箱的全功率变化器型变

5、速恒频风力发电系统、无齿轮箱的全功率变化器型变速恒频风力发电系统和交流励磁变速恒频双馈异步风力发电系统。所以研究双馈发电机的控制以及变速恒频发电系统对提高风力发电技术能级具有重要意义7,8。2. 选题背景及其意义能源是人类活动的物质基础，伴随着人类文明的不断进步和科学技术的革新，科技发展水平得到了极大的提高，人类的生活质量也得到了极大的改善。与此同时，人类对能源的消耗总量也与日俱增。然而，作为世界能源主要来源的煤、石油以及天然气等化石能源，由于自身储量有限及不可再生等特点，日渐枯竭，已经无法满足人类日益增长的能源需求。在各类可再生能源中，风能具有储量大，易于开发利用，技术相对成熟等优点9。目前

6、，风能的各种利用形式中，效率最高，使用最为方便的是风力发电。传统的风力发电系统主要使用定桨距风力机，采用恒速恒频发电方式，由于只能固定在某一转速上，当风速变化时风力机必定偏离其与最大风能相对应的最佳速度，导致风力资源浪费、发电效率下降。为在各种风速下实现最大风能捕获，需根据风速调节风力机的转速,即作变速恒频发电运行，实现变速恒频发电的方式很多，其中交流励磁方案很具优势。由于双馈电机的技术比较成熟以及成本比永磁电机低，这种变速恒频方式多采用双馈型发电机，其定子并网,转子由变频器提供三相滑差频率电流进行励磁，在追踪最大风能捕获的变速运行中,随时调节励磁电流的频率、相序10，使发电机能在同步上、下广

7、泛范围内作变速恒频运行。基于永磁发电机成本高，稳定性差，而双馈异步电机技术比较成熟，可靠性高的情况才选择了此次的课题。本设计是基于通过了解双馈异步电机的基本运行原理，再分解得出其数学模型，然后将各个相对独立的模块整合成MATLAB/SIMULINK仿真模型，通过坐标变换和定子磁链定向矢量控制法设计控制程序，设定PID各参数，以达到风力发电的最大风能控制11。3. 研究内容3.1异步双馈风力系统的总体框图异步双馈风力发电机的原理异步双馈风力发电机的PID控制异步双馈风力发电机的MATLAB仿真异步双馈风力发电机的数学模型图1 异步双馈风力系统的总体框图3.2异步双馈风力发电机的基本原理双馈调速系

8、统其实可以理解为一种特殊的异步电机串级调速系统，转子侧的励磁系统不但可以将能量回馈给系统，同时也是电机的第二个能量来源，励磁系统能量的不同流动方向决定了电机所处的转速状态。并网型双馈式风力发电机的定子绕组直接接入电网，转子绕组由可控三相交流变频励磁电源供电。双馈电机要求转子电源频率时刻与转子感应电动势保持相同12,13。3.3异步双馈风力发电机的模型（1）异步双馈风力发电机的数学模型定子绕组电压方程：转子绕组电压方程：定子磁链方程：转子磁链方程： 转矩方程：（2）异步双馈风力发电机的MATLAB仿真模型14,15其中的定子磁链定向控制部分：图2 定子磁链定向控制示意图 3.4异步双馈风力发电机

9、的最大风能控制系统PID常规调节器控制一般是基于线性理论设计16,17，只能在一个特征运行点或有限的范围内得到较好的控裁，为获得到良好的动态性能和消除静差，PID调节器增益计算需要准确的数学模型18。4. 工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1 工作特色（1）异步双馈风力发电机的基本原理的分析。（2）异步双馈风力发电机的数学模型和MATLAB仿真模型的建立。（3）异步双馈风力发电机的最大风能控制系统的设计，PID各参数的设定。4.2 工作难点（1）异步双馈风力发电机的数学模型的建立。（2）异步双馈风力发电机的MATLAB仿真模型的建立。（3）异步双馈风力发电机PID各参数的设定。4.3 拟采

10、取的解决措施（1）参考相关文献，从分析异步双馈风力发电机的工作原理到建立数学模型，多与老师、同学交流沟通。（2）将异步双馈风力发电机的MATLAB仿真模型分成多个模块去建立，然后在最后总结整合，遇到问题多与老师沟通，多参考相关模型，学习MATLAB电机的仿真的各种例子。5. 论文工作量及预期进度2012年12月-2013年03月：收集资料，确定异步双馈电机总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，撰写开题报告2013年03月-2013年04月：异步双馈风力发电机的原理分析以及数学模型建立2013年04月-2013年05月：建立异步双馈风力发电机的MATLAB模型2013年05月-2013年06

11、月：对异步双馈模型进行仿真，设定PID参数2013年06月：撰写毕业设计报告及准备毕业设计答辩6. 预期成果及其可能的创新点预期成果：（1）给出双馈风力发电机的数学模型。（2）建立MATLAB/SIMULIN双馈发电机控制系统的仿真建模，确立各PID参数。（3）完成毕业论文的撰写。参考文献1 叶杭冶.风力发电机组的控制技术M机械工业出版社，200612 刘其辉，贺益康，卞松江变速恒频风力发电机空载并网控制研究J 中国电机工程学报，2004，24(3)：6-113 辜承林，韦忠朝，黄声华，等对转子交流励磁电流实行矢量控制的变速恒频发电机J中国电机工程学报，2001，21(12)：1191244

12、1.Husain， Minimization of Torque Rpple in SRM Drives，IEEE Transaetions on Industrial Eleetronies onVol.49，NO.l，Feb.2002，PP.28395 廖勇，杨顺昌交流励磁发电机励磁控制J中国电机工程学报，1998，18(2)：87-906 赵朝会 ，李遂亮 ，王新威 ，等. 永磁同步电机气隙磁密影响因素的分析 J. 河南农业大学学报 , 2005, 39(3): 338-344.7 赵朝会，张卓然，秦海鸿.混合励磁电机的结构及原理M.科学出版社，2010. 8 邱瑞昌，闰耀民，姜学东准稳

13、态转子感应电动势定向的双馈双馈调速风力发电机的研究J中国电机工程学报，2003，23(11)：133-1399 刘迪吉.航空电机学M.北京航空工业出版社，1992.10 李晶，宋家骅，王伟胜大型变速恒频风力发电机组建模与仿真J中国电机工程学报，2004，24(6)：100-10511 林成武，王风翔，姚兴佳变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究J中国电机工程学报，2003，23(11)：122-12512 Roberto Cardenas，Ruben PenaGreg Asher and Jon Clare. Control strategies for energy recovery fro

14、m a flywheel using a vector eontrolle,dinduction machineJ. Power Electronics Specialists Conference，2000PESC002000 IEEE 3 1st Annual，V011，pp1823，June200013 Dajib Datta. Rotor side control ofgrid-connected wound rotor induction machine and its application to wind power generationJ. PhDdissertation,De

15、ptElect，Eng，Indianl stSci，Bangalore，India，200014 C. Pollock and M. Wallace. The Flux Switching Machine, A DC Machine without Magnets or BrushesJ. IEEE IAS Annual Meeting, October 1999.vol3,pp.1980-198715 Z.Q. Zhu, J.T. Chen, Y. Pang, D. Howe, S. Iwasaki, and R. Deodhar. V Analysis of a novel multi-t

16、ooth flux-switching PM brushless AC machine for high torque direct-drive applicationsJ. IEEE Trans.Magn., vol.44,no.11, pp.4313-4316, Nov.2008.16 黄科远，贺益康，卞松江矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究J中国电机工程学报，2002，22(11)：100-10517 花为，程明，Z.Q.Zhu, D.Howe.新型磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究J.中国电机工程学报，2006，26(13):129-134.18 贺益康交流电机调速系统

17、的计算机仿真M杭州：浙江大学出版社，1993指导教师意见选题具有实际意义和实用价值，能锻炼学生相关的知识技能和培养工程能力，工作量适当，技术路线正确，资料详尽，格式规范。 同意开题。 指导教师签名： 年 月 日7 开题报告答辩评议表评议小组意见1、论文选题：有理论意义；有工程背景；有实用价值 意义不大。2、论文的难度：偏高；适当；偏低。3、论文的工作量：偏大；适当；偏小。4、设计或研究方案的可行性：好；较好；一般；不可行。5、学生对文献资料及课题的了解程度：好；较好；一般；较差。6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：好；较好；一般；较差。7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：好；较好；一般；较差。8、对论文选题报告的总体评价：好；较好；一般；较差（在相应的方块内作记号“”）二级学院所确定评议小组名单（3-5人）组长： 、组员： 、 、 、 单位盖章 主管领导签名： 年 月 日评议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名： 年 月 日