毕业论文风力发电系统控制模型的建立和仿真分析(编辑修改稿)

毕业论文风力发电系统控制模型的建立和仿真分析(编辑修改稿)内容摘要：

统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，利用运行模块进行 EMTDC 模拟计算，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。 本文在编写过程中，受到老师的大力支持和精心指导，在此表示衷心的感谢。 风力发电技术和 PSCAD/EMTDC 仿真等的相关知识对我们来讲都是平时很少接触和涉及的，而且，这些学科中的很多东西都是较为前沿的。 由于本人的理论水平及实践经验所限、编写时间仓促，书中错误疏漏之处难免，敬请老师不咎指正。 XX 本科毕业设计说明书 8 第一章 风力发电系统的基本原理 风力发电的基本原理 风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能 ， 拖动发电机发电。 风力发电 的原理是利用风带动风车叶片旋转 ， 再 通 过增速 器 将旋转的速度提 高 来促使发电机发电 的。 依据目前的风车技术 ， 大约 3m/s 的 微风速度便可以开始发电。 风力 发电的原理说起来非常简单 ， 最简单的风力发电机可由叶片 和发电机两部分构成如图 11所示。 空气流动的动能作用在叶轮上 ， 将动能转换成机械能 ， 从而推动 片 叶旋转 ， 如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。 风力发电的特点 （ 1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。 （ 2）建设周期短 一 个十兆 瓦级的风电场建设期不到一年。 （ 3）装机规模灵活 可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 （ 4）可靠性 高 把现代高科技应用于风力发电机组使 其 发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从 80 年代的 50%提高到了 98%，高于火力发电且机组寿命可达 20 年。 （ 5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。 我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 （ 6）运行维护简单 现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情 况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 （ 7）实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂 1%的土地，其余场地仍可供农、牧、XX 本科毕业设计说明书 9 渔使用。 （ 8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。 （ 9）单机容量小 由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。 另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风 力发电必须解决的实际问题。 风资源及风轮机 概述 风资源概述 （ 1）风的起源 风的形成乃是空气流动的结果。 风就是水平运动的空气 ， 空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。 大气的流动也像水流一样 ， 是从压力高处往压力低处流 ， 太阳能正是形成大气压差的原因。 由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在 66． 5176。 的夹角 ， 因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的 ，而且对 同一地点一年中这个角度也是变化的。 地球上某处所接受的太阳辐射能 与该地点太阳照射角的正弦成正比。 （ 2）风的参 数 风向和风速是两个描述风的重要参数。 风向是指风吹来的方向 ， 如果风是从 东 方吹来就称为 东 风。 风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续 10min 所测得各瞬时风速的平均值。 一般以草地上空 10m高 处 的 10min 内风速的平均值为参考。 风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。 通过它可以得知当地的主导风向。 （ 3）风能的基本情况 [1] ○ 1 风能的特点 风能的特点主要有：能量密度低 、 不稳定性 、 分布不均匀 、 可再生 、 须在有风地带 、 无污染 、 分布广泛 、 可分散 利用 、 另外不须能源运输 、 可和其它能源相互转换等。 ○ 2 风能资源的估算 XX 本科毕业设计说明书 10 风能的大小实际就是气流流过的动能 ， 因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能 ， 即风功率为 V (11) 式中  为风能 (w)；  为空气密度 (kg/m )； v 为风速 (m/s)。 由于风速是一个随机性很大的量 ， 必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况 ， 一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。 因此需要求出在一段时间内的平均风能密度 ， 这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。 在风速 V 的概率分布 p(V)知道后 ， 平均风能密度还可根据下式求得 30. 5 ( )V P V dV （ 12） 风轮机 的 理论 [4] 风轮机又称 为 风车 ， 是一种将风能转换成机 械能、电能或热能的能量转换装置。 风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。 但应用最广的还是前两种类型的风轮机。 风力发电机的结构与组成 风力发电机的分类 [5] 风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（ 10kw 以下）、中型（ 10— 100kw）和大型（ 100kw 以上）风力发电机组。 按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。 水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离 地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。 它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。 而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。 在本文中以后不做 特殊 说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。 水平轴风力发电机的结构 大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。 (1)机舱 XX 本科毕业设计说明书 11 机舱包 含 着风 力发 电机的关键设备 ， 包括齿轮箱、发电机 等。 (2)风轮 叶片安装在轮毂上称作风轮 ， 它包括叶片、轮毂、主轴等。 风轮是风力发电机接受风能的部件。 叶片是风力发电机组最关键的部件， 现代风 力发 电机上每个转子叶片的测量长度大约为 20 米 叶片数通常为 2 枚或 3 枚， 大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（ GRP）制造。 叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。 轮毂是连接叶片和主轴的零部件。 轮毂一般由铸钢或 钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。 主轴也称低速轴， 将转子轴心与齿轮箱连接在一起 ， 由于承受的扭矩较大，其转速一般小于 50r/min，一般由 40Cr 或其他高强度合金钢制成。 （ 3）增速器 增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。 由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。 使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。 （ 4）联轴器 增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空 间，往往联轴器与制动器设计在一起。 （ 5）制动器 制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。 （ 6）发电机 发电机是风力发电机组中最关键的部件， 是将风能最终转变成电能的设备。 发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。 大型风电机（ 100150 千瓦）通常产生 690伏特的三相交流电。 然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内） ， 电压被提高至13万伏 ， 这取决于当地电网的标准。 风力发电机上常用的发电机有以下几种： ① 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 ② 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。 现在我国已经发 明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多 对 极低转速 的 ，特别适合风力发电机。 ③ 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步图 XX 本科毕业设计说明书 12 转速略低，当并网时转速应提高。 （ 7）塔架 塔架是支撑风力发电机的支架。 塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式， 风电机塔载有机舱及转子。 （ 8）调速装置 风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。 为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。 目前世界各国所采用的调速装置 主要有以下几种： ○ 1 可变浆距 的 调速装置； ○ 2 定浆距叶尖失速控制 的 调速装置； ○ 3 离心飞球调速装置； ○ 4 空气动力调速装置； ○ 5 扭头、仰头调速装置。 （ 9）调向（ 偏航） 装置 调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。 借助电动机转动机舱以使转子正对着风。 偏航装置由电子控制器操作 ， 电子控制器可以通过风向标来感觉风向。 通常在风改变其方向时 ， 风电机一次只会偏转几 度。 （ 10）风力发电机微机控制系统 [11] 风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经 A/D 转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。 自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。 风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。 （ 11）电缆扭缆计数器 电缆 是 用来将电流从风电机运载到塔下 的重要装置。 但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时 ， 电缆将越来越扭曲 ，导致电缆扭断或出现其他故障。 因此风 力发电机配备有电缆扭曲计数器 ， 用于提醒操作员应该将电缆解开了。 风 力发 电机还会配XX 本科毕业设计说明书 13 备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发 ，断开装置或刹车停机，然后解缆。 风力发电机的基础理论 贝茨 (Betz)理论 世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是 1919年由 A178。 贝茨 (Betz)建立的。 贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，叶片是无限多 ， 对 气流没有任何阻力。 而空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的 (或称为是平行风轮轴线的 )，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。 如图 13 所示，我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动的空 气对风轮叶片所做的功。 风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则有 21VV ， 21SS。 如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得 VVSSVVS  2211 (13) 由流体力学可知气流的动能为 mvT (14) 设单位时间内气流流过载面积为 s 的气体的 体积为 V，则 svV。 如果以  表示空气密度，该体积的空气质量 svm  ，此时气体所具有的动能为 321 svT  (15)  的单位是 kg/m3； V的单位是 m3； v 的单位是 m/s； T 的单位是 W。 从风能公式可以看出风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正比，其中  和 v 随地理位置、海拔、地形等因素而变。 风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF   (16) 式中 —— 空气当时的密度 风轮所接受的功率为 )( 212 vvsvFvP   (17) 所以经过风。