摘 要

风能作为一种成熟清洁能源，已经成为继水电之后的第二大可再生能源。目前，风力发电技术逐渐成熟起来，风电发电的最大功率追踪一直是研究的热点。本课题围绕风力发电系统中的最大功率追踪部分展开了理论研究和实践活动。本文采用的是基于功率追踪曲线下的最大功率控制和变桨距控制，通过两者之间的互相配合达到追踪最大功率的目的。

首先，本文在第一章介绍了风力发电的历史、发展现状；由于风力发电系统的建模是本课题的基础，所以在第二章对风力发电机的基本特性进行了分析，探讨了输出功率的影响因素，并根据风速的不同将风力机的运行区域进行了分类：启动并网区域、最大功率跟踪区域、转速恒定区、恒功率运行区、停机区，之后根据不同区域下的限制条件绘制出了最大功率追踪曲线。然后，本文选择了双馈异步风力发电机作为研究对象，并对其进行了建模，以便于后续对于风力机的控制。最后，综合考虑不同区域下风力机的控制方法和控制目标的要求，在MATLAB中搭建了仿真模型，并验证了不同的风速下、风速阶跃的情况下是否能有效快速地追踪最大功率。

关键词：风力发电；最大功率追踪；双馈异步风力发电机；MATLAB 建模

Abstract

As a mature and clean energy, wind energy has become the second renewable energy after hydropower. At present, the technology of wind power generation has gradually matured. The maximum power tracking of wind power generation has always been the focus of research. This topic focuses on the theoretical research and practical activities of the maximum power point tracking in wind power generation system. The maximum power tracking method used in this paper is based on the power feedback control of the power tracking curve. Through the feedback of the electromagnetic power and the actual speed of the machine, the speed of the fan and the pitch angle are adjusted to track the maximum power.

Firstly, this paper introduces the history and development of wind power generation in the first chapter. Because the modeling of wind power generation system is the basis of this project, the basic characteristics of wind turbine are analyzed in the second chapter, the influencing factors of the output power are discussed, and the operation area of the wind turbine is carried out according to the different wind speed. Classification: starting with the grid area, the maximum power tracking area, the constant speed area, the constant power operation area, the shutdown area, and then draw the maximum power tracking curve according to the restricted conditions under different regions. Then, this paper selects the doubly fed induction generator as the research object and modeling it, so as to facilitate subsequent control of the wind turbine. Finally, considering the requirements of the control method and control target of wind turbines in different regions, a simulation model is built in MATLAB, and the maximum power tracking ability is verified under different wind speeds.

Key words: wind power generation; maximum power point tracking; doubly fed induction generator; MATLAB modeling

目录

摘 要 2

Abstract 3

目录 4

第1章 绪论 1

1.1风力发电的背景和意义 1

1.2 风力发电的发展史 1

1.3全球风电产业的发展现状 3

1.4 论文的内容安排 4

第2章 风力发电系统的建模 5

2.1风力发电机的组成结构 5

2.2风力发电机的基本特性 6

2.2.1风力发电的理论基础 6

2.2.2贝兹理论 8

2.3风力发电的功率调节 9

2.3.1风力机的功率-转速特性 9

2.3.2 风力机的功率跟踪曲线与运行区域 10

2.4 风力机的功率调节方式 12

2.5 本章小结 13

第3章 DFIG最大功率追踪的设计与仿真 14

3.1 双馈异步风力发电机 14

3.2 DFIG的控制策略 14

3.3 最大功率跟踪的设计 15

3.4 MATLAB模型的建立 17

3.4.1最大功率跟踪控制器的设计 17

3.4.2桨距角控制器 19

3.5 MATLAB模型的仿真 20

3.5.1 恒定风速下的仿真结果 20

3.5.2 阶跃风速下的仿真结果 24

3.6 本章小结 27

第4章 总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

致 谢 29

参考文献 30

第1章 绪论

1.1风力发电背景和意义

人口持续增长以及全球经济不断发展对能源需求提出了更高的要求，这使得使用传统化石能源面临的许多问题逐渐凸显出来，如环境污染加快、能源紧张等。煤、天然气和石油在当今世界能源比例中任然非常重要，目前这三者占一次能源消耗的80%以上^[1]。由于传统化石能源十分稀缺，加之所具有的不可再生性，其价格不断上涨，按照目前世界上的已知的储量消耗速度和消耗速度，传统化石能源很可能在40到200年内逐渐耗尽^[1]。因此，迫切需要寻找清洁且可再生的替代能源也成为当今世界需要解决的主要问题之一。

可以用来替代传统化石能源的主要包括水，核能等可再生能源。水能与核能由于其清洁可靠，都是现阶段的首选，但水电开发总量有上限，且水电站的建立对自然环境有一定影响；核能面临的主要问题是核泄漏的风险较大，核废料处理难度较大。可再生能源还包括风能、太阳能等等。根据目前的发展情况，风电是一种具有高度商业化，开发利用和可再生能源技术成熟度的发电方式。

风能是清洁无污染的可再生能源，在中国广泛分布。世界上风电总量十分可观，此外，风力发电没有燃料价格风险且不需要外部能源提供动力，发电成本也低。正是由于这些优势，风电已经成为许多国家可持续发展计划的重要组成部分，发展非常迅速。主要发达国家和许多发展中国家已经将风能、地热能等可再生能源发展作为应对新世纪气候变化和能源变化双重挑战的重要手段。