風力發(fā)電系統(tǒng)綜合設計-風能與動力工程課程設計報告

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　年 月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　風力發(fā)電是以風能作為能源進行發(fā)電，而風能是一種清潔的可再生、無污染、取之不盡、用之不竭的能源。同時在化石燃料日益減少的今天，發(fā)展風電行業(yè)對促進企業(yè)

2、和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展意義深遠。</p><p>　　本次建模仿真是對6臺1.5MW的雙饋式風力發(fā)電機組組成的風電場進行模擬仿真，首先我們通過老師和網(wǎng)絡對matlab軟件進行初步的了解，發(fā)現(xiàn)這個軟件十分的復雜，但是這個軟件里卻有自帶的一些模型可供我們研究。其次，在網(wǎng)上查詢了有關風力機建模和與仿真的文章，對于建模仿真原理有了初步認識，結合我們所學的知識建立了我們的風力發(fā)電機組模型。然后，進行建模仿真得出雙饋電機的定、

3、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無功功率、風力機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和雙饋電機的轉(zhuǎn)速最后設計了轉(zhuǎn)子側串電阻的低壓穿越電路，測試其低壓穿越特性。</p><p>　　關鍵詞：風力發(fā)電；建模仿真；matlab；低壓穿越</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wind power is the wind as an energy

4、 source for power generation, while wind energy is a clean, renewable, non-polluting, inexhaustible energy.While</p><p>　　dwindling fossil fuels today, the development of wind power industry to promote susta

5、inable development of enterprises and the far-reaching social and economic.</p><p>　　The modeling and simulation of the wind farm is six 1.5MW double-fed wind turbine consists of analog simulation。First, we

6、teachers and network matlab software preliminary understanding, found this software is very complicated, but actually this software comes with a number of models are available with our study.Times, on-line inquiry about

7、the wind turbine modeling and simulation of the article, for the principles of modeling and simulation have a preliminary understanding, combined with our kno</p><p>　　Keywords：Wind power generation;modeling

8、 and simulation; matlab; low </p><p>　　voltage ride throuth( LVRT)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 風力發(fā)電系統(tǒng) …………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 風力機工

9、作原理 ………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 雙饋式風力機工作原理 ………………………………………………………… 1</p><p>　　1.3 風力發(fā)電方式 …………………………………………………………………… 2</p><p>　　1.4 風電場接入系統(tǒng) ……………………………………………………………

10、…… 2</p><p>　　1.5 風電場低電壓穿越 ……………………………………………………………… 3</p><p>　　第二章 風力發(fā)電建模與仿真 …………………………………………………………… 4</p><p>　　2.1 建模與仿真 ……………………………………………………………………… 4</p><p>　　2.

11、2 實驗仿真 ………………………………………………………………………… 4</p><p>　　結論 ………………………………………………………………………………………… 9</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………………………… 10</p><p><b>　　第一章 風力發(fā)電</b></p

12、><p>　　能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題,日益引起國際社會的廣泛關注并尋求積極的對策。風能是一種可再生、無污染、取之不盡、用之不竭的綠色能源,而且儲量十分豐富。據(jù)估計,全球可利用的風能總量在53000 TW·h/年，風能的大規(guī)模開發(fā)利用,將會有效減少石化能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環(huán)境。發(fā)展風力發(fā)電已經(jīng)成為各國政府的重要選擇。</p><p>　　1.

13、1 風力機工作原理 </p><p>　　風力發(fā)電機的基本工作原理比較簡單,風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn),將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能,風輪軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其中風能轉(zhuǎn)化裝置稱為風力機。風力機的核心部件為葉輪的設計,隨著空氣動力學的飛速發(fā)展,葉輪設計已經(jīng)取得了巨大的進步。</p><p>　　一般葉輪設計成翼形,風輪從自然界獲得的能量有限,理論上風力機獲得風能最大效率約為0. 593,其

14、功率損失部分可解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能?，F(xiàn)代風輪設計一般采用新翼形設計,除按照傳統(tǒng)要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機械強度外,新翼形和傳統(tǒng)的航空翼形有較大差別:一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數(shù),并減少尖部葉片弦長,以控制轉(zhuǎn)子尖部的負荷。而在中部采用較高的升力系數(shù),并增加葉片弦長,以達到中等風速時的最佳風輪性能。這樣的設</p><p>　　計可使風輪年平均的能量輸出大大增加。</

15、p><p>　　1.2 雙饋式風力機工作原理</p><p>　　雙饋式風力機就是以雙饋式發(fā)電機為核心部件的風力機，雙饋異步感應風力發(fā)電又稱變速恒頻風力發(fā)電：主要由風力機、雙饋發(fā)電機、變頻器勵磁系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)組成。</p><p>　　所謂雙饋型風力發(fā)電機是指發(fā)電機的定子繞組發(fā)出的電能能直接接入到電網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子繞組通過雙向變流器與電網(wǎng)相連接。當風機的風葉轉(zhuǎn)速發(fā)生變化

16、時，風力系統(tǒng)控制器首先調(diào)整槳距，使得風葉的轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。同時風力系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上電流的頻率，保證定子總是發(fā)出50 Hz的電能。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于電機同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)（亞同步狀態(tài)），否則處于電動狀態(tài)（超同步狀態(tài)），即需要從電網(wǎng)中提供能量。</p><p>　　1.3 風力發(fā)電方式</p><p>　　風力發(fā)電的運行方式主要有三種運行方式：一是獨立或者孤立的運行方式，通

17、常是一臺小型風力發(fā)電機向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電；二是風力發(fā)電與其他傳統(tǒng)發(fā)電方式（如柴油機發(fā)電）相結合，風力發(fā)電并入小型的孤立柴油發(fā)電電網(wǎng)，那么，風力發(fā)電在這些小型電網(wǎng)中所占的比例可能很高，這些電力系統(tǒng)稱為風一柴電力系統(tǒng)，當然還可以與其它可再生能源發(fā)電加入，作為對風力發(fā)電的補充，既有傳統(tǒng)發(fā)電，也有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)。三是風力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風

18、力發(fā)電機，這是風力發(fā)電的主要發(fā)展方向；所以風力發(fā)電系統(tǒng)的運行方式大致分為孤立混合運行方式和并網(wǎng)運行方式。</p><p>　　1.4 風電場接入系統(tǒng)</p><p>　　隨著全球環(huán)保問題的日益突出,傳統(tǒng)化石能源供應的日趨緊張,風力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源的發(fā)電方式, 也是新能源發(fā)電技術中最成熟和最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一，而風力發(fā)電場和傳統(tǒng)的發(fā)電場接入系統(tǒng)的原理大致相同，但是還是

19、有區(qū)別的，圖1-1為風電場單臺風機接入電網(wǎng)示意圖。</p><p>　　圖 1-1 風電場單臺風機接入電網(wǎng)示意圖</p><p>　　風力發(fā)電機一般要均勻的分部在各個集電線路上，以免造成風場運轉(zhuǎn)時由于各條支路電量不均而造成的沖擊，同時由于風力發(fā)電機組出線電壓為690V，若直接匯總并接入風電場的總升壓站，則電能損耗過大，因此，須在風力發(fā)電機后接箱式變壓器將電壓升高至35kV才能經(jīng)過集電線路

20、接入總升壓站，然后經(jīng)過升壓站升壓后，經(jīng)送電線路將電能送到電網(wǎng)。</p><p>　　1.5 風電場低電壓穿越 </p><p>　　隨著風電裝機容量在電網(wǎng)中所占比例的增加，風電場的運行對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響將不容忽視。德國E．ON電網(wǎng)公司對并網(wǎng)風電場提出了要求：在電網(wǎng)電壓跌落期間，保證風電場能在一定時間范圍內(nèi)連續(xù)運行而不脫離電網(wǎng)，故障消除后快速恢復正常運行即要求風電場有低電壓穿越(LV

21、RT)能力，因此低電壓穿越能力正逐漸成為大型并網(wǎng)風電機組的必備功能之一。</p><p>　　風電機組應該具有低電壓穿越能力： </p><p>　　風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越能力; </p><p>　　b)風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行;&#

22、160;</p><p>　　c)風電場升壓變高壓側電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網(wǎng)運行。</p><p><b>　　風力發(fā)電建模與仿真</b></p><p>　　2.1 建模與仿真</p><p>　　本次仿真設計的模型是以Wind Farm - DFIG Average Model為原型，經(jīng)過

23、改動電壓、頻率和線路，使得該模型符合題目要求，從而進行仿真模擬，其總模型圖為2-1。</p><p>　　圖 2-1 風力發(fā)電系統(tǒng)模型 </p><p><b>　　2.2 實驗仿真</b></p><p>　　1、測試不同電網(wǎng)故障情況（例如單相或者三相電壓跌落80%，持續(xù)時間625ms等）下雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性。</

24、p><p>　　本次模擬仿真中低電壓穿越裝置采用的是雙饋變頻器加Crowbar,電壓跌落期間在在轉(zhuǎn)子側串入電阻，使得雙饋電機進入異步電機運行狀態(tài)，通過轉(zhuǎn)子電阻釋放穿越期間的能量，起到保護變流器的作用。</p><p>　　本次在該模型中設置模型參數(shù)使得電網(wǎng)側三相電壓故障在0.08秒開始跌落百分之五十，一直到0.13秒恢復正常，同時還設置參數(shù)使得單相電壓在0.08秒，跌落百分之八十，直到0.13

25、秒恢復正常，通過模擬仿真測試該模型在不同情況下的低電壓穿越特性，其仿真結果分別如下圖。</p><p>　　圖 2-2 三相電壓跌落時雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性</p><p>　　圖 2-3 單相電壓跌落時雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性</p><p>　　2、測定雙饋電機的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無功功率。</p><

26、;p>　　通過在模型中相應的位置接入示波器測得雙饋電機的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無功功率仿真數(shù)據(jù)，如下圖所示。</p><p>　　圖 2-4 雙饋電機的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無功功率</p><p>　　3、設定風速模型，測試風力機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和雙饋電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　本次仿真使用的模型為Wind Farm (DFIG Pha

27、sor Model)，該模型是向量模型，其模型和測量定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無功功率的模型類似。在該模型雙饋風力機模型風速模型中設定了一個階躍模型和速率限制器（限制信號上升和下降的速率），使得風速從8m/s線性的變到14m/s，從而風力機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩相應變化，通過在相應的位置接入示波器測得實驗仿真數(shù)據(jù)，如下圖所示。</p><p>　　圖 2-5 雙饋電機的轉(zhuǎn)速、風速、風機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩</p>

28、<p><b>　　結 論</b></p><p>　　此次，我們對風力發(fā)電過程進行了建模與仿真，初步了解了風力發(fā)電過程和一些風力發(fā)電的結構。首先老師給我們講了本次仿真的要求和本次仿真所需軟件matlan的一些基礎知識，使我們對matlab這一軟件有了初步的了解；之后我們通過互聯(lián)網(wǎng)查詢了有關風力機建模與仿真和風電場低電壓穿越的文章，自主學習了風力發(fā)電過程的建模仿真所需要的模型和

29、要注意的一些問題，了解了什么是低電壓穿越、低電壓穿越要求和低電壓穿越裝置，結合matlab自帶模型進行改動進行仿真模擬，過程中發(fā)現(xiàn)細節(jié)非常重要，一個小小的數(shù)據(jù)就能改變結果，同時發(fā)現(xiàn)自己所學的知識還是不足，有些東西學習的不透徹，需要再進一步的學習。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應用【M】.北京