风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真毕业论文(编辑修改稿)

风力发电系统最大功率追踪控制方法的分析与仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

济发展的重要物质基础和人类生活必需的物质保证。 随着化石能源的日趋枯竭及人类生 存 环境的逐渐恶化，新的无污染接替能源 —— 可再生能源已引起了世界各国的高度重 视。 可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等自然能源，这些能源既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成威胁。 可再生能源技术包括开发和利用可再生能源的各种技术。 国内外可再生能源的一个重要应用领域就是发电。 用来发电的可再生能源主要有风能、太阳能、生物质能、地热能等，所对应的发电技术有风力发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术和地热发电技术。 但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 27%。 世界能源消费现状 当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物 燃料为主要能源。 世界经济的快速发展使得能源需求快速增长，供需矛盾突出。 1995 年至 2020 年期间，全世界对一次能源需求量的增长，将比 20 世纪 80 年代缓慢。 在 21 世纪的数十年内，这种趋势将一直保持下去，而能源的利用效率将提高，特别是在工业发达的国家。 在一次能源的产量和消耗中，居第一位的仍然是石油，煤炭和天然气分别居第二位和第三位。 其中，石油在消费结构中的比重从 %下降到 35%，天然气的比重从 %增加到 28%，煤炭的比重从 %下降到 %，核能的比重从 %下降到 %。 尽管经济合作与发展组织国家对一次能源的绝对需求量将有很大的增加，但这些国家 2020 年前对能源需求的增长率却相当缓慢。 这是因为这类国家的经济发展普遍比较缓慢，并实行了节约能源的政策，而发展中国家的能源消耗量则将增长很快。 作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费目前已占世界能源消费总量的 %，使得世界越来越将能源话题聚集在中国和亚太地区。 国家发展和改革委员会能源研究所指出，三大理由支撑我国大力发展可再生能源。 第一，我国能源系统面临严峻挑战。 人口多，人均资源占有量少；加上能源利用技术落后，效率低下，能耗高 ，能源匮乏的威胁可能来得更早、能源供需缺口将越来越大。 第二，我国农村小康建设的需要。 我国 13 亿人中农村人口占绝大多数，每年消耗的能量相当大，其中约一半 2 来自可再生能源，但这些能源目前还是以传统的利用方式为主。 同时，我国还有 700 万户无电人口，无法用常规电网延伸解决用电。 第三，保障能源供应安全的考虑。 1993年我国成为石油净进口国， 2020 年进口依存度已经达到 36%，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额将进一步增长，预计 2020 年我国石油对外依存度将达到 50%。 这对我国能源供应安全构成一定 威胁。 可再生能源属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，为各种移动设备提供能源，缓解能源供应问题 [1,2]。 表 未来世界能源需求 地区 2020 需求量 比例 % 2020 需求量 比例 % 2025 需求量 比例 % 北美 欧洲 亚洲 中东 非洲 南美洲 世界 随着矿物燃料的日 益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。 太阳能和风能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。 进入 21 世纪，全球可再生能源在不断发展，而在可再生能源中，风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。 风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射引起的。 风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。 太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差 ，从而引起大气的对流运动形成风。 据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约 2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。 据理论计算全球大气中风能总的能量是 1017kW，而且是可再生的，估计大约有 的蕴藏风能可以被开发利用，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。 而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。 尽管从全能量系统的观点来看，在风电 3 设备及其原材料的生产、带蜡和安装过程中需要消耗一定的化石能源，进而对环境构成一定的污染，但 其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。 国外风能资源与开发现状 2020 年世界风电产业蓬勃发展，装机容量达 58982MW，亚洲风能发展最快，印度超赶丹麦。 风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业，其从业人数己超过 万人。 2020 年 12 月 31 日，世界装机容量己达 58982MW， 比 2020 年多 11310MW，2020 年的装机容量比前年增长 ，而 2020 年装机容量增长。 2020 年全球风机装机增长率为 24%， 2020 年增长率为 21%。 根据这种发展趋势，世界风能协会预计 2020 年世界装机容量将高达 120200MW。 目前风力发电占全球电量的 1%，部分国家及地区己达 20%甚至更多。 欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。 为了应对全球气候变化，欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源，实现温室气体减排。 欧洲议会于 2020 年制定了可再生能源发展指导计划，到 2020 年可再生能源电力占欧洲电力总供应的 12%。 2020 年欧洲在总装机容量 (40932MW)及新增装机容量 (6174MW)仍然保持世界领先地位。 现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世界最先进的风 电技术，和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。 20 世纪 80 年代初，丹麦开始发展现代风电，自 1959 年丹麦的风电产业迅速扩张，装机容量大幅提高。 1996 年丹麦政府制定《 21 世纪能源战略报告》，预计风电发展的目标是到 2020 年实现装机容量达到 1500MW 的规模，而事实上， 2020 年丹麦的风电装机已经达到 2140MW，不仅提前完成了 2020 年的规划目标，而且已经成为世界风电产业的大国和强国。 丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业，丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商，大型 商业化风力机制造厂家有 vestas、Bonus、 NEG Micon 等，丹麦企业制造的风机约占 50%的世界市场份额。 20 世纪 90 年代是德国风电迅猛发展的 10 年，风电装机规模大幅度提高，技术不断创新，成本逐渐下降。 截止 2020 年 12 月 31 同，德国装机容量达到 18428MW，比 2020年新增 ，增长 %。 1998 年以后是德国风电高速增长的黄金时期， 19982020年的短短 5 年间，风电累计装机台数增长从 6000 台增长到 14000 台左右，增长 1 倍还多，累计装机容量从 1998 年的 3110MW 增加 到 2020 年 12440MW，翻了两番，增长速度惊人。 目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位，其装机容量多年全球位列 4 第一。 在美洲，美国的风力发电规模较大。 美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。 80 年代初期，风机占主流的是 100KW 以下的小机型，目前兆瓦级的风机己成为风力发电机组的主流。 2020 年，美国装机容量大幅度增加，其装机容量占当前世界风能容量的 17%(10036MW)，其中 98%的装机容量被安装在北美。 美国在扩展生产税信贷范围后，已经成为国际上新装机容量领域的老大，其新增容量为 2424MW。 其总装机容量为 9149MW，排西班牙之后，居世界第三。 亚洲正成为发展全球风电的新生力量， 2020 年增长率为 48%，在 7022MW 总装机容量的基础上新增装机容量 2263MW。 亚洲风电产业的主要主导仍是印度。 印度早在20 多年前就已经认识到可再生能源对印度经济社会发展的重要性，并致力于发展风力发电，特别是这几年，印度风力发电进入了高速发展时期， 2020 年，印度的风电产业发展超过了丹麦并在总装机容量 (4430MW)及新增装机容量 (1430MW)方面均为世界第四。 表 截止 2020 年底累计风电装机容量前九名国家 排名 国家 累计装机容量 1 德国 2230万 KW 2 美国 1690 万 KW 3 西班牙 1470 万 KW 4 印度 780 万 KW 5 中国 590 万 KW 6 丹麦 310 万 KW 7 意大利 270 万 KW 8 法国 250 万 KW 9 英国 240 万 KW 国内风能资源的开发与现状 我国具有丰富的风力资源。 根据全国 900多个气象站的观测资料进行估计，我国陆地风能资源总储量约 kW，其中可开发的风能储量为 kW，沿海水 深 2～ 15米近海区域的风力资源可开发的储量有 kW，总计为 10亿 kW，这是 10m高度计算的，如果按 50m高度计算，则还要增加一倍．据国家有关部门最新统计资料，我国的风能资 5 源远高于原来估计的储量。 中国现代风力发电技术的开发利用起源于 20世纪 70年代初，而大容量风力发电技术的应用起始于 80年代，其商业化发展则是 90年代初期。 1994年，电力部发布了风力发电上网有关规定后，并网风力发电技术的发展越来越受到重视。 风力发电产业从新疆、内蒙古和东南沿海部分地区起步，到 1996年底，已初具规模，风力发电装机容量达 到 了60MW。 近十几年来，在国家有关部门的大力支持下，我们风电产业获得了很大的发展，特别是 2020年 2月 28同全国人大常委会表决通过了《可再生能源法》后， 2020年 1月 1日起实施的《中华人民共和国可再生能源法》将制定我国可再生能源总量目标制度；可再生能源并网发电审批和全额收购制度；可再生能源上网电价与费用分摊制度；可再生能源专项资金和税收、信贷鼓励措施等，这必将大力促进包括风能在内的可再生能源的发展。 截止 2020年 12月 31日，我国除台湾省累计风电机组 1846台，装机容量 1260MW，共有风电场 62个。 与 2020年累计装机容量 764MW相比，增长了 %。 2020年风电上网电量约为 KWh。 我国能源发展规划， 到 20l0年和 2020年风电的发展目标分别为 500万 kW和 3000万kW。 按此规划计算，从 2020～ 2020年平均每年装机约 190万 kW，投资约 152亿元人民币，其中购买风力发电机组的投资约 95亿元人民币。 而 3000万 kW占当时全国总电力装机的3%，风电电量只占 %。 据有关单位的初步预测， 2020年以后，风力发电将在能源供应和减排温室气体方面起显著作用，届时风电成本将 “十分接近 ”常规 电源。 2020年以 后 发展风电的主要目的是尽快培育出本国的风电设备制造产业，以满足风电市场快速增长的需求 [3,4]。 风力发电技术现状及发展 现代风力发电技术涉及空气动力学、机械传动、电机学、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。 风力发电系统是由风力发电机组、控制装置、监测显示装置等组成。 风力发电技术现状 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 6 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年的风能开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。