随着全球经济发展和人口增长对能源需求的持续增加，使用传统化石能源面临的许多问题日益突出，如能源开始短缺及环境污染加速。而煤、石油、天然气是当今世界的三大主力能源，目前这三者约占一次能源消耗的80%。由于传统化石能源非常稀缺，加之所具有的不可再生性，其价格不断上涨，按照目前世界上的消耗速度和已知的储量，世界上的化石能源有可能在40到200年内逐渐耗尽；并且消耗化石能源所产生的有害气体严重污染环境，并对人体造成伤害，加剧全球气候变暖。因此，寻找清洁且可再生的替代能源日益迫切，也成为当今世界需要解决的主要问题之一。

可以用来替代的能源主要包括水能、核能等可再生能源。就目前来看，水能与核能是现阶段的首选，但水电开发总量有限且对自然环境有一定影响，核能有泄露和处理核废料的危险。可再生能源还包括太阳能、风能、地热能等等。而其中风能时目前可再生能源中规模开发程度、商业化程度和技术成熟程度较高的发电方式。地球表面的温差引起空气流动，而空气具有一定的质量，因此空气流动就具有一定的动能。风能是清洁无污染的可再生能源，而且分布广泛，总量客观。全球可利用的风能约为20000000MW，风能将成为21世纪的主要能源之一。

近年来，风力发电一直是世界上增长最快的能源。丹麦到2020年和2050年风力发电比例将提高到42%和100%；欧盟的总体目标则是在2020年和2050年由风力发电的比重提高到17.5%和50%的电力；美国的目标则是到2030年风力发电占总量的30%。目前而言，我国的风力发电总装机为世界第一，到2020年和2050年，中国风电装机容量将分别达到200GW和1000GW，而发电量将占据总量的5%和17%，风电将成为中国的五大能源之一。

风力发电技术水平已经十分的可靠和先进，并且随着风力发电成本的不断降低，风力发电技术在不久的将来将可以与传统化石能源竞争。随着风力发电在电力系统所占的比重逐渐增加，其间歇性、随机性等特点对电力系统的影响日益显著。尽管目前我国风力发电量比重低于欧美国家，但由于我国风电主要集中在三北地区的风电基地，这形成了“大规模-高集中-高电压-远距离输送”的模式，这使得风电并网问题更加突出。

为使中国到2020年时非化石能源占一次能源比重达到15%，2020年风力发电量的规划已定为2亿kW。未来风电发展将继续按照“建设大基地、融入大电网”的方式，推进风电的规模化发展，进一步加强海上风电开发建设。但由于风电基地的消纳问题突出，一些地区弃风限电严重。相比于大基地对并网要求较高的要求，分散式风力发电项目由于具有靠近负荷中心、投资少、线路损耗低等优势而逐步受到重视。因此，同时提出了“有序推进大型风力发电基地建设”和“鼓励分散式并网风力发电开发建设”的发展思路。

目前实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)的方法很多，如三点比较法,免测风速的功率控制方法等。其中，采用模糊推理最优梯度法的风力发电系统最大功率点跟踪技术在对比传统三点比较法的基础上，将模糊推理最优梯度法引入风力发电系统 MPPT。一般情况下，采用传感器对风速进行测量，而传感器的加入将会增加风力发电系统结构的复杂度，给实际操作带来许多困难。基于此该方法无需检测风速，在不需要最大功率曲线和风速的情况下，自适应的对风力发电系统进行最大功率点跟踪。该方法可以快速准确地对最大功率进行跟踪，提高了风力发电系统的利用率。

近年来，变速恒频（VSCF）双馈风力发电系统以其独特的优势，逐渐成为风力发电的主流。它通过调节转子侧交流励磁电压的频率、幅值、相位对定子输出电能进行控制，能在保持输出电压电流频率恒定的同时，通过调节转速改变输出功率。国内外文献针对双馈风力发电系统提出的最大功率点追踪方法大多建立在风力机的最佳风速-功率-转速曲线已知的基础上。其中有的直接检测当前风速，通过特性曲线获得对应的最佳叶尖速比，控制转速。此方法不但需要高精度的测量仪，而且因为风力机周围气流受叶片扰动较大，风机叶片上各点风速都不相同，难以准确测量。为了克服上述缺点，利用风力机的特性曲线的功率-转速关系获得当前转速下的最佳功率值，再利用功率闭环控制。但是通常特性曲线不易获得，而且随着风机的老化、磨损、腐蚀，曲线都会发生变化，影响最大风能跟踪的效果。随后引入了模糊控制，利用神经网络校正特性曲线，但实际运行中风速变化快，神经网络训练很难获得准确的结果，而且会大大增加系统的复杂性。鉴于以上问题，提出了一种以向电网输出电能最大为目标、不依赖最佳风速-功率-转速曲线，在分析风力机运行特性、双馈电机（DFIG）数学模型及功率关系的基础上，能自动寻找并跟随最大功率点的控制策略，并实现了有功、无功功率的解耦控制。在不同风速下，双馈风力发电系统均能有效实现最大风能追踪，有功、无功功率在调节过程中互不影响，控制相对简单，运行可靠，有较高的实用价值。

2. 研究的基本内容与方案

此次课设主要是设计和研究风力发电系统最大功率的一种跟踪技术。首先，本文主要以双馈异步风力发电机组为研究目标，双馈异步风力发电机组（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）是最早的变速恒频风力发电机型，Vestas公司的1.5MW双馈机组样机建于1996年。至今，采用双馈异步发电机驱动的风力发电机组仍是市场的主流机型。双馈型风力发电机组的优点是：可以连续变速运行，风能转换率高，可改善作用于风轮桨叶上的机械应力状况；换流器容量为风力发电机额定容量的25%~30%，换流器成本相对较低；功率因数高，并网简单，无冲击电流。其主要缺点是存在滑环和齿轮箱的问题，维护保养费用高于无齿轮箱的永磁机组。随后研究并设计了一种最大功率点跟踪控制技术，考虑到工业实用的角度，主要分析了最佳叶尖速比法，并在Matlab/Simulink中搭建风力发电系统模型，验证所设计最大功率跟踪算法的有效性，然后基于Matlab/Simulink中的风力发电系统模型，研究不同工况下验证所设计的最大跟踪算法的适应性。

[1]袁小明. 大规模风电并网问题基本框架[J]. 电力科学与技术学报, 2012, 27(1): 16-18.

[2]贺益康，胡家兵. 并网双馈异步风力发电机运行控制[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012：22-28.