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风力发电最大功率追踪毕业论文开题报告
毕业论文开题报告
题 目 学 院
专 业 班 级
学 生 学 号
指导教师
二一四年三月三十一日
毕业论文开题报告
学院 专业
学生 学号
论文题目 风力发电最大功率追踪
一、选题背景与意义
1. (1)我国风力发电发展历史与现状
进入 21 世纪以来，工业化和城市化步伐加快，能源供给不足在一定程度上制约着经济的发展，前几年我国能源消费增长情况见图 1-1。随着经济社会持续发展和人民生活水平的不断提高，能源需求还会继续增长，为解决供需矛盾和资源环境制约，我国迫切需要走出一条中国特色新型能
[1]源发展道路。以较小的能源资源和环境代价，实现现代化建设的战略目标。
图 1-1 近年来中国能源消费增长情况图
Fig. 1-1 Bar chart of China’s energy consumption in recent years
按照国家规划，未来 15 年，全国风力发电装机容量将达到 2000 万至3000 万 kW。以每千瓦装机容量设备投资 7000 元计算，近几年内风电设备市场投资将高达 2000 亿元左右。而且据专家称，到 2020 年，风电平均每年至少增加 1000 万 kW，累计需要投资 1.5 万亿。到 2020 年，我国风电开发装机总规模有望超过 1 亿 kW。据国家能源局的数据，中国风电装机容量截至 2008 年底实现连续三年翻番增长，达到 1217 万 kW。2008 年我国新增风电机组 5130 多台，装机容量 624.6 万 kW，新增装机增长率为 89%。居世界第四位。在 2009 年累计的风电装机容量已经超过西班牙，上升到全球第三位。截至 2009 年底，我国风电并网总量累计将达到 1613 万 kW，仅内蒙古地区的风电设备容量就超过了 500 万 kW。预计 2010 年底有望突破3000 万 kW。如今国内风电市场正在从高速增长转入平稳增长阶段，未来三年复合增长率将达到 17.4%，2010 年前后整机供求关系将趋于平衡，内资企业市场份额继续提升。从长期和全球的角度来看，未来几十年内全球风电产业仍将是高速增长的朝阳行业，将给相关企业带来广阔发展空间。
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(2)国外风力发电发展历史与现状
欧洲风电发展迅猛。20 世纪 90 年代起，欧洲制定了《风电发展计划》，确立了风电发展目标：2010 年风电装机容量达到 40 GW，并要求其成员国基于此发展目标制定本国的发展目标与计划。在 2007 年年底由于风力发电事业势头迅猛，原来制定的计划已经赶不上风电发展的步伐，所以欧洲又进一步修订了风电发展计划和目标：2010 年风电装机容量达到 80 GW，到2020 年欧洲风电装机达到 180 GW，2030 年风电装机容量要达到 300 GW。加快实现欧盟绿色能源的目标。 根据世界两大风能专业机构“欧洲风能协会(EWEA)”和“全球风能委员会(GWEC)”最新发布的数据，2009 年全球风电市场发展迅速，风力发电机总装机容量达到 37500 MW，相当于 23 台第三代核反应堆核电机组(EPR)发电量，风电增长率高达 31%。世界风能市场装机建设资金达 450 亿欧元，
提供 50 万个就业岗位。风能每年可以减少 2.04 亿吨的二氧化碳排放量。因此在不太遥远的未来，风电将成为欧洲以至于世界的主要替代能源。
2.选题的研究意义
随着风力发电技术的快速发展和世界各国在政策上对可再生能源发电的重视,风力发电进入了一个快速发展期。风力机单机容量和风电场规模以及风力发电在电力系统中所占的份额都逐渐增大,风力发电技术及风电并网与电力系统相互影响越来越受到国内外专家学者广泛关注和深入研究。
风力发电因其原动力的随机性、波动性和难以准确预测性,大规模的风力发电并入电网对电网的规划建设、运行调度、分析控制、经济运行和电能质量均产生了一定的影响。为了促进风电场的开发和保证电力系统的安全稳定运行,欧洲、北美及澳大利亚的一些电力协会或电网公司都制定了风电场并网技术导则,我国也在2006 年颁布了有关的国家标准和国家电网公司风电场接入电力系统技术规定。各国的风电场并网技术规定涉及到一些共性问题,包括功率控制、无功电压控制、低电压穿越能力等,各并网技术规定都提出了一些要求。
在风电场容量相对较小并且分散接入电网时,风电场被视作分布式电源,在系统故障时可立刻退出运行。但对于大型风电场,风电场的退出会导致系统更大的功率缺额,不利于系统的稳定。因此各并网导则都要求风电场具有低电压穿越 (Lowvoltageridethrough,LvRT)能力,尽可能避免电网故障引起的风电场解列.其中澳大利亚的并网导则要求最高,要求电压跌到 0%的情况下,风电机组挂网运行0.175s。这些规定不仅保证电网安全,同时也要求风机制造商改进风机的设计,开发更先进的控制系统以满足并网技术导则的要求。
二、研究内容与目标
可再生能源发电技术特别是风力发电技术已得到长足发展和广泛应用。变速恒频(VSCF)风力发电技术是当前国内外的研究热点。目前主流的变速恒频风电机组由于采用了齿轮箱连接风力机和发电机，运行成本增加，机械损耗高，且有双馈电机存在电刷和滑环，导致系统结构复杂，降低了系统发电效率和运行可靠性。随着风电机组单机容量的不断增加，为解决上述问题及提高风电系统运行的稳定性和可靠性，可采用直驱式永磁同步风力发电系统。该系统中采用与风力机直接相连的多级低速直驱永磁同步发电机(PMSG)，利用全容量变频器实现并网发电。课题选题的目的是在独立运行小型风力发电系统中，设计简单、高效、可靠的控制系统和优化系统控制策略，改进现有系统存在的问题。
风速变化具有随机性和不确定性，在某个对应的风速下，不同转速对应着不同的输出功率。如
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果能够通过控制，使发电机在固定的风速下得到能使输出功率最大的转速，无疑提高了系统的效率，这就是最大功率跟踪的目的所在。风力机最大功率追踪控制是风力发电系统中的关键技术，开发适合风力发电的最大功率控制方法，使得风力机能够及时捕获到随机波动的最大风能，就可以提高风能转化效率，实现系统优化运行。
本课题的研究目的就是重点研究 MPPT 的控制策略，寻找更加简单有效的控制方法，提高风能的利用率和系统输出功率。
(1)通过查阅大量中英文相关文献，掌握风力发电技术，了解国内外研究现状，并确定研究方向。
(2)对风速、风力机、发电机分别进行研究，分别建立 Matlab 模型，并分别对其进行仿真，验证模型的正确性。
(3)研究比较固定步长的 MPPT 方法与现有几种变步长 MPPT 方法对输出功率的影响，并通过仿真进行验证。
(4)为了验证最大功率跟踪方法的可行性及效果，设计基于三重交错并联 Boost 的主电路拓扑，利用 TMS320F2407 对电路进行控制，编写 DSP 程序，完成调试和实验验证。
三、研究方法与手段
目前最大功率跟踪技术已经与并网技术，低电压穿越技术成为近年来研究的三大热门课题，为了更快速，高效，稳定的跟踪最大功率，国内外提出了许多控制方法，把这些方法进行归类，大致可以归为两类：
(1) 反馈控制 该方法通过测量风速或者转速，根据最大功率曲线得到一个最大转速的给定值，与实测转速进行比较，比较值输出至PI调节器，并实时调整发电机转速使其始终运行于该最佳转速，从而实现最大风能跟踪。此方法需要得知风力机的最佳转速曲线，而且需要测量风速或转速，增加了系统的成本。并且由于风速瞬息万变，对风速、风向的测量有很大的滞后性，精确测量较为困难。最大功率曲线也必须由实验室进行模拟仿真得到，故此方法实现起来较为困难，但是由于这是最大功率跟踪技术最为直接的控制方法，通过先进的仪器可以实现，控制效果最为快速和稳定，所以在一些大型的风力发电系统中得到很多应用。
(2)扰动控制 扰动法控制是目前研究最多的一种控制方法。扰动法又叫爬山算法，是从光伏发电最大功率跟踪算法移植过来，由于转速-功率曲线像一座山，控制转速扰动，使输出功率无限接近山顶就像爬山一样而得名。该方法通过不停扰动转速，观察功率的变化情况改变下一次扰动方向，使输出功率增大至最大功率。该方法不用了解最大功率曲线，也不用测量风速，实现方法简单方便，故此方法得到较多应用。
1.传统爬山算法
其追踪最大风能的原理：计算当前风力机的功率Pt(n) ，并和上个控制周期的风力机功率Pt(n-1) ，如果功率下降，那么将转速指令的扰动值dω反号，否则保持其符号不变。将当前的转速扰动值和上个周期的转速指令相加就得到新的转速指令值。也就是说当风机的功率一直增加
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时，保持转速指令变化的方向，当风力机的功率减小时，将转速指令的扰动dω反号，在控制电路中通过改变占空比D的大小来实现。图1-2为最大功率跟踪流程图：
[4]
图1-2 最大功率跟踪流程
Fig. 1-2 Flowchart of MPPT
传统爬山算法使用固定步长的扰动，但其有很大缺点。步长设置太大，最大功率跟踪速度加快，但是输出功率会在最大功率点附近来回变化，稳定性变差，影响系统性能，步长过小，稳定性好，但是又影响了跟踪速度。所以变步长的扰动方法成为现阶段研究的热门。无论哪种变步长方法都是为了同时提高系统快速性和稳定性，也就是说功率在山坡位置时，增大扰动步长，使转速迅速跟踪到最佳转速，而功率到达山顶或者接近山顶上时，减小扰动步长使转速达到稳定。下面介绍几种变步长的 MPPT方法。
2. 变步长爬山算法
根据上面分析可以得知固定步长的占空比扰动不能同时满足快速性和稳定性的要求，也就是说应该在扰动过程中变化扰动步长，据此研?a href='//www.xx.com/yangsheng/kesou/' target='_blank'>咳嗽碧岢隽艘恢炙浠实谋洳匠し椒╗5-6]。也就是说给功率的变化量设定一个限制值，前一时刻功率与后一时刻功率之差大于这个给定值，说明此时 - 4 - 济南大学
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功率之差小于这个给定值，说明输出的功率正在逐渐接近最大功率处，那么为了保证系统的稳定性要求可以选用较小的扰动步长。图1-3为此MPPT方法的原理图。
图1-3 变步长最大功率跟踪算法流程图
Fig. 1-3 Flowchart of variable step-size MPPT
该方法在一定程度上同时满足了系统对快速性和稳定性的要求，但是a和b的值难以确定，a值过大，系统振荡严重，过小则满足不了快速性的要求，当风速突变时难以快速跟踪对象。b值过大，系统不稳定，而且在低风速下难以保持稳定，如果过小当风速较大时同样难以稳定。实际中应多次调试寻找最优值。
3.改进的爬山算法
为了进一步提高最大功率跟踪速度与跟踪精度，根据变步长算法的思想还可以对变步长算法进行改进。改进的爬山算法方法仍然通过扰动占空比实现。初始状态下为了更快的跟踪最大功率，可以将步长设置较大，系统运行时检测得到采样时刻t2与上一时刻t1 的功率差ΔP，该差值与0进行比较，如果ΔP大于0，说明输出功率正在上坡，那么继续按照原占空比进行扰动。一旦ΔP小于0，说明此时的功率正处于最高点附近并且开始下坡，这时如果步长不变，系统的输出功率就会在P2 与P3 之间来回变化，不能得到输出的最大功率，见图1-4所示。为了解决这个问题，当输出功率下坡时可以减小步长至原来的1/2，这时功率值就会从P3 降到P4，从图中可以明显看出P4 > P3，然后继续扰动，每当 ΔP < 0步长就减小一次，在理想情况下系统一定会快速准确地稳定在最大功率点上，从而实现了MPPT，并且使系统保持稳定。
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图1-4 改进的变步长最大功率跟踪算法原理图
Fig. 1-4 Schematic of improved variable step-size MPPT 改进的变步长MPPT方法流程图见图1-5。
图1-5 改进的变步长最大功率跟踪算法流程图
Fig. 1-5 Flowchart of improved variable step-size MPPT 上面从理论上分析了这种方法的可行性，但是在实际应用中还需要注意 - 6 -
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(1)为了保证扰动能够一直进行，应设置扰动变化的极小值。如果每当 Δ P< 0步长就减小一次，步长在几个周期之内就会接近于0，失去了爬山法的控制作用。该值取决于系统的结构、动态响应特性。
(2) 应当设置 ΔP 的上限值，当 ΔP 较大时步长可以被初始化到原始的较大状态。这样可以防止当风速突变时，由于扰动步长太小导致的系统响应速度过慢的问题。该方法在固定风速下的仿真效果比较理想，快速性和稳定性良好，但是当风速变化较慢时扰动步长将一直保持最小值，不能很快的跟踪最大功率输出。 [8][7]
四、参考文献
[1]江泽民.对中国能源问题的思考.中国能源,2008,(4):4-29
[2]尹明,李庚银,张建成等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略.电机工程学报, 2007,31(15):61-65
[3]王丰收,沈传文,孟永庆.基于MPPT算法的风力永磁发电系统的仿真研究.电气传动, 2007,(1):92-95
[4]赵宏,潘俊民.基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统.电力电子技术,2004,(6):55-57
[5]夏安俊,沈锦飞.基于双重变换器的变速风力发电机组最大功率点快速追踪系统.电机控制与应用, 2008,35(6):60-64
[6]夏安俊,沈锦飞.基于Sepic变换器的变速风力机MPPT系统的研究.电气传动,2008,(6):7-11
[7]房泽平,王生铁.小型风电系统变步长扰动MPPT控制仿真研究.计算机仿真,2007,(9):241-244
[8]鲁闯,朱东柏.直驱风力发电系统 MPPT 控制方法的研究.电测与仪表,2008,(8):47-50
五、指导教师评语
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六、审核意见
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风力发电技术
【摘要】风能，作为最为成功的可再生能源，其凭借现有科技水平成为发展最快的清洁能源技术。随着全球风电的迅速发展，我国也在大力发展风电市场。本文描述了目前风力发电系统的性能特点和结构形式，并对国内风力发电的现状和世界风力发电的趋势进行了必要的阐述。同时针对我国大型风电机组的发展状况，指出了大规模发展风电，需要面临的主要问题与挑战。
【关键词】风力发电机组;风力发电系统;发展趋势;面临问题
【分类号】：TM354.9
1 引言
随着国际工业化的进程的推进，全球能源消耗速度迅速增长，常规能源面临枯竭的窘境，迫使人们积极寻找新的能源。目前世界可再生能源有风能、太阳能、水能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。目前在众多新能源与可再生能源中，发展最成熟、最具潜力、竞争力和大规模化开发条件的就是风力发电。
文中阐述了风力发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外风力发电技术的发展现状和发展趋势，以及风力发展所面临的问题与挑战。
2 风力发电机组的基本结构和工作原理
风力发电是依靠风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机而发电。典型的风力发电机组[1]主要由风轮、齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成。
按风轮主轴的方向，风力机分为水平轴、垂直轴两大类。对水平轴风力机，需要风轮保持迎风状态，根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用三叶片、上风向、水平轴式，在大型机组中采用变桨距风轮，通过可转动的推力轴承或回转支撑联接，以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速(限速)[2] 。
风力发电机组中的发电机一般为异步发电机(包括笼型、绕线型)或同步发电机(包括永磁、电励磁)，采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。
3 风力发电系统概述
风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量约为0.1～5kW，一般不超过10kW，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行;并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。
3.1 离网型风力发电系统
离网型风力发电系统，目前主要用于无电地区生活用发电。离网型风电机组主要由桨叶、轮毂、发电机、桨叶同步电动变矩机构、转向偏航驱动机构、风向、风速传感器、塔架、电动保护机构、控制系统、蓄电池组、逆变电源等部分组成。离网型风力发电机组属小型发电机组，其发电容量从几百瓦至上千瓦不等。按照发电类型的不同，离网型风电机组可分为直流发电机型、交流发电机型两大类。直流发电机型在早期的离网型风力发电机组采用，主要包括永磁及电励磁两种类型。随着离网型风力发电机组的发展，发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机，交流发电机型主要包括永磁、硅整流自励及电容自励三种类型，其效率高于同容量的励磁式发电机，由于发电机转子没有滑环，转时更安全可靠，电机重量轻，体积小，工艺简便，因此被广泛应用于离网型风电机组中。
3.2 并网型风力发电系统
相对于离网型风力发电系统，并网型风电机组是较为大型的风力发电系统，且与公共电网并联运行。并网型风电机组一般由桨叶、轮毂、增速传动机构、偏航机构、风力发电机、塔架和控制系统等部分组成。在并网型风力发电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。其中，单机容量为750kW 以下的风电机组多采用恒速恒频运行方式：容量范围1MW 以上的风电机组一般采用变速恒频运行方式。
4 我国风力发电的发展现状
我国1955年左右开始研制风力发电装置，20世纪80年代初期成立了全国性的风能专业委员会，90年代中期开始扩大风力发电的建设规模，最大单机容量为1500kW。1993年我国风电总装机容量为1.71万千瓦， 2009年总装机容量已达到25.104GW，成为全球风电市场最具潜力的国家之一。
伴随装机容量的巨大增长，风力发电机技术也取得了长足进步，采用变速恒频、变桨距技术取代恒速、定桨距技术，由双馈异步发电发展为永磁同步发电技术，同时各种海上风电技术也逐渐成熟，产品已走向市场。风电制造企业扩充产能，逐渐进行批量化生产，不断采用“产、学、研”相结合的方式，从而推动整个风力发电市场。
5 我国大规模发展风电面临的问题与挑战
5.1 核心技术
目前国内风电机组的技术来其主要技术来源大致可分为以下五类：1、引进国外的设计图纸和技术，或者是与国外设计技术公司联合设计，在国内进行制造和生产;2、购买国外成熟的风电技术，在国内进行许可生产;3、与国外公司合资，引进国外的成熟技术在国内进行生产;4、国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制造技术，在国内进行生产;5、采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术，在国内进行生产的风电机组。虽然近年来，我国风电装备的技术能力有了较大提高，但是在风机整机的研发和设计上，我们依然没有掌握核心技术。目前，我国风电机组尚未形成掌握风电整机总体设计方法的核心技术人员队伍，载技术上还是受制于人，很多关键设备核心技术主要依赖进口， 造成我国风电机组的价格偏高，这成为新能源无法市场化、产业化的瓶颈。
5.2 设备质量
国产风电机组设备质量有待提高，由于部分国产风电机组设备质量欠佳，造成风电场可利用率不高。采用国产机组的风电场，其机组可利用率明显低于采用国际先进品牌的机组，粗略估算整体上要低7%左右。
5.3 电网建设
电网瓶颈是风电发展的最大挑战。截至2008年底我国有超过1200万kW的风电机组完成吊装，其中1000万kW风电机组已通过调试可以发电，但由于电网建设滞后以及风电并网中的一些技术、经济和管理障碍， 2008年底实际并入电网的风电装机容量仅为800万kW，由电网因素导致的装机容量浪费约200万kW。风力资源时强时弱，风力发电具有不稳定性，小规模的风电电源会引起电能质量、电压的问题，大规模的风电电源会引起电网稳定性等问题。因此，如果不加大对电网的投入，区域性电网就会受到严重威胁;而一旦出现问题，就会造成大面积停电，后果不堪设想。另，经济效益差、运行管理复杂也是影响风电上网的重要原因。
6结语
风力发电在我国有着广阔的发展前景，作为我国重点发展的清洁能源， 风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整作出巨大贡献。风力发电行业的崛起势在必行，在这个过程中，风力发电设备研制和电网建设将制约行业的发展，要想使风电发电行业保持高速、稳定、长期的发展，必须解决这两个方面的问题。目前尽管有着各种各样的困难，随着科技的进步、政策资金以及投资方信心的增强，风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。风力发电必将有美好的前景。
(参考文献)
[1] 宋海辉，风力发电技术及工程[M]，北京：中国水利水电出版社， 2009.
[2]叶杭冶，风力发电机组的控制技术[M]吗， 北京：机械工业出版社，2版， 2008.