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小型永磁变速风力发电系统的研究与设计

作　者: 翁翔羿
导　师: 张曦煌
学　校: 江南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 永磁风力发电机最大功率跟踪算法功率调节自适应直流降压转换器
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国经济的发展,常规能源的资源紧缺、使用化石能源引发环境污染等问题已日益突出。为了实现可持续发展,国家鼓励积极发展可再生能源。在国家产业政策支持以及技术进步的背景下,风能发电的装机容量必将持续增长,制造成本则将逐步下降。风能将会在国民经济和民众生活中成为一种重要的可再生能源。然而,风电和其他能源相比存在诸多不利因素,例如理想风轮的换能效率极限值不可能超过59 .3%;自然条件下风的变化频繁有时还很剧烈;风轮需要安装在野外恶劣条件下等。由于诸多不利因素影响,故而风电装置的性能和可靠性要求都比较高,相应的设备成本也高。因此如何提升风能转换为电能的效率,使昂贵的设备尽量发挥作用是具有现实意义的研究课题。本文旨在研究风力发电机运转状态的控制算法,使风力机尽可能快速地适应自然风的变化,维持发电系统处于较优的运行状态;并且尽可能多的利用风能,提高发电效率,降低成本。在分析比较的基础上,提出了一种自适应功率信号反馈控制方案。该方案无需风速传感器,以风轮转速变化,判断系统状态,再通过调整功率输出控制风轮转速,实现对系统最大功率点的快速逼近;并在运行中及时修正系统参数,使系统参数不断优化,进一步保证系统的转换效率。在Matlab/Simulink环境下建模仿真的结果表明该算法在追风速度和精度、输出功率上较现有的较优算法均有提高。由于省却了风速传感器,因此该方案也有成本上的优势。在仿真试验的基础上,自行搭建了风电系统的充电控制部分。充电控制部分以ATMEL公司的AVR系列单片机作为控制核心,以中断控制方式采集不同风速下系统的运行状况,采用自适应分段功率信号反馈控制算法进行实机运行。系统的实际运行表明算法的可靠性和有效性,以及在追风速度和精度、转换效率上的提升。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 风力发电的背景与意义  7-8
    1.1.1 风力发电的背景  7
    1.1.2 风力发电的意义  7-8
  1.2 国内外发展趋势与展望  8-10
    1.2.1 国外风电产业与小型风电系统现状  8-9
    1.2.2 国内风电产业与小型风电系统现状与展望  9-10
  1.3 小型风力发电系统的特性与面临的困难  10-12
    1.3.1 小型风电系统特性  10-11
    1.3.2 小型风电系统面临的困难  11-12
  1.4 本文主要的研究工作  12-15
    1.4.1 研究目的  12
    1.4.2 主要的研究工作  12-15
第二章小型风电系统运行原理与分析  15-23
  2.1 自然风模型分析  15-16
  2.2 永磁同步直驱式变速恒频风力发电系统介绍  16-21
    2.2.1 风力机数学模型  16-18
    2.2.2 风力机最佳运行曲线与分析  18-20
    2.2.3 风力机输出功率的分析  20-21
  2.3 独立型永磁同步风力发电机系统  21-22
    2.3.1 独立型永磁同步风力发电系统简介  21-22
    2.3.2 永磁同步风力发电机系统数学模型  22
  2.4 本章小结  22-23
第三章系统控制算法与MPPT 算法研究  23-33
  3.1 无传感器的风轮转速测算算法  23-24
    3.1.1 使用测速传感器的利弊  23
    3.1.2 无传感器的风力机转子转速的测算  23-24
  3.2 传统风力机MPPT 的控制方法  24-27
    3.2.1 最佳叶尖速比法  24
    3.2.2 三点权位法  24-25
    3.2.3 爬坡搜索法  25
    3.2.4 若干改进型爬山搜索法  25-26
    3.2.5 功率信号反馈法  26-27
  3.3 自适应分段功率信号反馈控制算法描述  27-29
    3.3.1 切入控制算法描述  27
    3.3.2 风速跟踪阶段控制算法描述  27-28
    3.3.3 参数优化阶段控制算法描述  28-29
  3.4 MPPT 算法仿真实验结果与分析  29-32
    3.4.1 仿真实验结果  29-31
    3.4.2 改进型变步长爬山算法与本文算法的仿真输出功率比较  31
    3.4.3 改进型变步距爬山算法与本文算法的仿真误差对比  31-32
  3.5 本章小结  32-33
第四章小型独立风电系统控制器  33-43
  4.1 系统整体结构简介  33-34
    4.1.1 系统电路结构  33
    4.1.2 主控制器----ATmega32 微控制器介绍  33-34
  4.2 控制器软件的实现  34-35
  4.3 电力转换电路架构  35-36
  4.4 电力转换电路的硬件设计  36-41
    4.4.1 脉宽调制电路  36-37
    4.4.2 降压转换器（Buck Converter）  37-41
  4.5 本章小结  41-43
第五章小型独立风电系统控制器实验结果  43-51
  5.1 实验准备  43-45
  5.2 实验结果  45-49
    5.2.1 充电控制电路性能测试  45-47
    5.2.2 小型独立风力发电系统整体性能测试  47-48
    5.2.3 自适应参数优化功能测试  48-49
  5.3 本章小结  49-51
第六章结论与展望  51-53
  6.1 结论  51
  6.2 展望  51-53
致谢  53-54
参考文献  54-58
附录1：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  58-59
附录2：小型风力发电系统电路原理图  59-60
附图  60-61

小型永磁变速风力发电系统的研究与设计

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