风机模拟实验平台及最大风能捕获技术的研究

【摘要】：风力发电技术是近年来发展最快的可再生能源发电技术,如何在实验室条件下合理有效的开展对风力发电技术的研究,已经成为各国学者研究的重点。本文在分析了国内外风力发电模拟系统的基础上,采用一套带双齿轮箱结构的鼠笼式异步风力发电模拟实验平台作为研究对象。 本文在考虑风能间歇性和随机性的基础上,提出采用基本风、阵风、渐变风和随机风这四种模型来模拟真实秒级变化的风速情况,建立了符合实际风场的风速模型。传统的风力机模拟系统只能对同等功率大小的风力机特性进行模拟,在实验室条件下很难用小功率风力机模拟器来模拟兆瓦级风力机特性,针对已有风力机模拟器的局限性本文提出了一种新的利用异步电动机拖动减速箱的方法来模拟兆瓦级风力机低转速运行特性,并对转矩特性进行等功率缩比。针对风速变化及转速变化两种情况,在MATLAB仿真环境中进行了验证,结果表明了该方法的可行性。同时,本文对最大风能捕获原理进行了分析说明,对比了当前几种常用的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking MPPT)算法,详细分析了各个算法的优缺点。重点研究了变步长爬山搜索法及三点比较法,并针对不同风况进行了仿真验证。 本文在原理及仿真分析的基础上,在实验室中搭建了一套22kW的鼠笼式异步风力发电实验平台。利用VC++编写了系统的主控制程序,开发的人机界面可以对整套系统的运行进行实时控制,并能实现对转矩、转速、功率、电流、电压等信号的在线监测与分析。论文最后通过风力机特性模拟实验及最大功率点跟踪实验,验证了本风力发电实验平台的有效性和实用性。 【关键词】：风力发电 风力机模拟 异步电机 矢量控制 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.1.1 全球面临的能源问题9
• 1.1.2 风力发电产业的意义与趋势9-10
• 1.2 并网型变速恒频风力发电系统10-12
• 1.2.1 鼠笼式异步发电机风力发电系统10-11
• 1.2.2 交流励磁双馈发电机风力发电系统11-12
• 1.2.3 永磁同步发电机风力发电系统12
• 1.3 风力机模拟用原动机分类12-14
• 1.3.1 直流电动机13
• 1.3.2 永磁同步电动机13
• 1.3.3 异步电动机13-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-15
• 第2章 风力机特性及模拟方法的研究15-37
• 2.1 风速模型的建立与仿真15-18
• 2.2 风力机建模与运行特性分析18-22
• 2.3 异步电机模拟风力机的实现方法22-36
• 2.3.1 异步电机模拟风力机的实现原理22-24
• 2.3.2 异步电机数学模型和坐标变换24-31
• 2.3.3 异步电机的矢量控制策略31-34
• 2.3.4 风力机特性模拟的仿真分析34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 最大风能捕获原理及MPPT 算法的研究37-56
• 3.1 最大风能捕获原理37-39
• 3.2 传统MPPT 控制算法分类39-43
• 3.2.1 叶尖速比法39-40
• 3.2.2 功率信号反馈法40-41
• 3.2.3 爬山搜索法41-43
• 3.3 基于爬山法的改进控制算法43-49
• 3.3.1 变步长爬山搜索法44-45
• 3.3.2 三点比较法45-49
• 3.4 各种MPPT 控制算法的仿真分析49-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 风力发电实验平台软硬件设计56-75
• 4.1 实验平台的总体结构56-59
• 4.2 实验平台的硬件设计59-66
• 4.2.1 变频器59-62
• 4.2.2 PCI 板卡62-65
• 4.2.3 转矩转速传感器65-66
• 4.3 实验系统的软件设计66-74
• 4.3.1 主控制系统软件编程环境66
• 4.3.2 人机界面66-72
• 4.3.3 实验系统的操作流程72-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第5章 实验结果与分析75-85
• 5.1 风力机特性模拟实验75-79
• 5.1.1 转速变化，风速不变75-77
• 5.1.2 风速变化，转速不变77-79
• 5.2 最大功率点跟踪实验79-84
• 5.2.1 风速突增79-82
• 5.2.2 风速突减82-84
• 5.3 本章小结84-85
• 结论85-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果91-92
• 致谢92-93
• 作者简介93

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