風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)-風(fēng)能與動(dòng)力工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告

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

2、和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。</p><p>　　本次建模仿真是對(duì)6臺(tái)1.5MW的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，首先我們通過(guò)老師和網(wǎng)絡(luò)對(duì)matlab軟件進(jìn)行初步的了解，發(fā)現(xiàn)這個(gè)軟件十分的復(fù)雜，但是這個(gè)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(guān)風(fēng)力機(jī)建模和與仿真的文章，對(duì)于建模仿真原理有了初步認(rèn)識(shí)，結(jié)合我們所學(xué)的知識(shí)建立了我們的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型。然后，進(jìn)行建模仿真得出雙饋電機(jī)的定、

3、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無(wú)功功率、風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速最后設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻的低壓穿越電路，測(cè)試其低壓穿越特性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) …………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 風(fēng)力機(jī)工

9、作原理 ………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 雙饋式風(fēng)力機(jī)工作原理 ………………………………………………………… 1</p><p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電方式 …………………………………………………………………… 2</p><p>　　1.4 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng) ……………………………………………………………

10、…… 2</p><p>　　1.5 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越 ……………………………………………………………… 3</p><p>　　第二章 風(fēng)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(shí)驗(yàn)仿真 ………………………………………………………………………… 4</p><p>　　結(jié)論 ………………………………………………………………………………………… 9</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 10</p><p><b>　　第一章 風(fēng)力發(fā)電</b></p

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

13、1 風(fēng)力機(jī)工作原理 </p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理比較簡(jiǎn)單,風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn),將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能,風(fēng)輪軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其中風(fēng)能轉(zhuǎn)化裝置稱為風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)的核心部件為葉輪的設(shè)計(jì),隨著空氣動(dòng)力學(xué)的飛速發(fā)展,葉輪設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。</p><p>　　一般葉輪設(shè)計(jì)成翼形,風(fēng)輪從自然界獲得的能量有限,理論上風(fēng)力機(jī)獲得風(fēng)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(dòng)能?，F(xiàn)代風(fēng)輪設(shè)計(jì)一般采用新翼形設(shè)計(jì),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(jī)械強(qiáng)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(zhǎng),以控制轉(zhuǎn)子尖部的負(fù)荷。而在中部采用較高的升力系數(shù),并增加葉片弦長(zhǎng),以達(dá)到中等風(fēng)速時(shí)的最佳風(fēng)輪性能。這樣的設(shè)</p><p>　　計(jì)可使風(fēng)輪年平均的能量輸出大大增加。</

15、p><p>　　1.2 雙饋式風(fēng)力機(jī)工作原理</p><p>　　雙饋式風(fēng)力機(jī)就是以雙饋式發(fā)電機(jī)為核心部件的風(fēng)力機(jī)，雙饋異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電又稱變速恒頻風(fēng)力發(fā)電：主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器勵(lì)磁系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)組成。</p><p>　　所謂雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是指發(fā)電機(jī)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(guò)雙向變流器與電網(wǎng)相連接。當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉轉(zhuǎn)速發(fā)生變化

16、時(shí)，風(fēng)力系統(tǒng)控制器首先調(diào)整槳距，使得風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)風(fēng)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(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)（亞同步狀態(tài)），否則處于電動(dòng)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(fēng)力發(fā)電方式</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有三種運(yùn)行方式：一是獨(dú)立或者孤立的運(yùn)行方式，通

17、常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)的用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他傳統(tǒng)發(fā)電方式（如柴油機(jī)發(fā)電）相結(jié)合，風(fēng)力發(fā)電并入小型的孤立柴油發(fā)電電網(wǎng)，那么，風(fēng)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(fēng)一柴電力系統(tǒng)，當(dāng)然還可以與其它可再生能源發(fā)電加入，作為對(duì)風(fēng)力發(fā)電的補(bǔ)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(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風(fēng)電場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)

18、力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向；所以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式大致分為孤立混合運(yùn)行方式和并網(wǎng)運(yùn)行方式。</p><p>　　1.4 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)</p><p>　　隨著全球環(huán)保問(wèn)題的日益突出,傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)的日趨緊張,風(fēng)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(shù)中最成熟和最具規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的發(fā)電方式之一，而風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和傳統(tǒng)的發(fā)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)示意圖。</p><p>　　圖 1-1 風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)示意圖</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般要均勻的分部在各個(gè)集電線路上，以免造成風(fēng)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各條支路電量不均而造成的沖擊，同時(shí)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出線電壓為690V，若直接匯總并接入風(fēng)電場(chǎng)的總升壓站，則電能損耗過(guò)大，因此，須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)后接箱式變壓器將電壓升高至35kV才能經(jīng)過(guò)集電線路

20、接入總升壓站，然后經(jīng)過(guò)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(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越 </p><p>　　隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例的增加，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響將不容忽視。德國(guó)E．ON電網(wǎng)公司對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)提出了要求：在電網(wǎng)電壓跌落期間，保證風(fēng)電場(chǎng)能在一定時(shí)間范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行而不脫離電網(wǎng)，故障消除后快速恢復(fù)正常運(yùn)行即要求風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電機(jī)組的必備功能之一。</p><p>　　風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該具有低電壓穿越能力： </p><p>　　風(fēng)電場(chǎng)必須具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms的低電壓穿越能力; </p><p>　　b)風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行;&#

22、160;</p><p>　　c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。</p><p><b>　　風(fēng)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(shè)計(jì)的模型是以Wind Farm - DFIG Average Model為原型，經(jīng)過(guò)

23、改動(dòng)電壓、頻率和線路，使得該模型符合題目要求，從而進(jìn)行仿真模擬，其總模型圖為2-1。</p><p>　　圖 2-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型 </p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)仿真</b></p><p>　　1、測(cè)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(shí)間625ms等）下雙饋式風(fēng)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?zhàn)冾l器加Crowbar,電壓跌落期間在在轉(zhuǎn)子側(cè)串入電阻，使得雙饋電機(jī)進(jìn)入異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)轉(zhuǎn)子電阻釋放穿越期間的能量，起到保護(hù)變流器的作用。</p><p>　　本次在該模型中設(shè)置模型參數(shù)使得電網(wǎng)側(cè)三相電壓故障在0.08秒開(kāi)始跌落百分之五十，一直到0.13秒恢復(fù)正常，同時(shí)還設(shè)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(fù)正常，通過(guò)模擬仿真測(cè)試該模型在不同情況下的低電壓穿越特性，其仿真結(jié)果分別如下圖。</p><p>　　圖 2-2 三相電壓跌落時(shí)雙饋式風(fēng)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(shí)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性</p><p>　　2、測(cè)定雙饋電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無(wú)功功率。</p><

26、;p>　　通過(guò)在模型中相應(yīng)的位置接入示波器測(cè)得雙饋電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無(wú)功功率仿真數(shù)據(jù)，如下圖所示。</p><p>　　圖 2-4 雙饋電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無(wú)功功率</p><p>　　3、設(shè)定風(fēng)速模型，測(cè)試風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和雙饋電機(jī)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(cè)量定、轉(zhuǎn)子電流、電壓，有功功率、無(wú)功功率的模型類(lèi)似。在該模型雙饋風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)速模型中設(shè)定了一個(gè)階躍模型和速率限制器（限制信號(hào)上升和下降的速率），使得風(fēng)速?gòu)?m/s線性的變到14m/s，從而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化，通過(guò)在相應(yīng)的位置接入示波器測(cè)得實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)，如下圖所示。</p><p>　　圖 2-5 雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩</p>

28、<p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　此次，我們對(duì)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程進(jìn)行了建模與仿真，初步了解了風(fēng)力發(fā)電過(guò)程和一些風(fēng)力發(fā)電的結(jié)構(gòu)。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(chǔ)知識(shí)，使我們對(duì)matlab這一軟件有了初步的了解；之后我們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢了有關(guān)風(fēng)力機(jī)建模與仿真和風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的文章，自主學(xué)習(xí)了風(fēng)力發(fā)電過(guò)程的建模仿真所需要的模型和

29、要注意的一些問(wèn)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(jié)合matlab自帶模型進(jìn)行改動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，過(guò)程中發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)非常重要，一個(gè)小小的數(shù)據(jù)就能改變結(jié)果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的知識(shí)還是不足，有些東西學(xué)習(xí)的不透徹，需要再進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用【M】.北京