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XX本科畢業(yè)設(shè)計說明書
摘 要
風能作為一種清潔的可再生能源，在當今能源短缺的情況下，變的越來越重要。由于風的不穩(wěn)定性和風力發(fā)電機單機容量的不斷增大，使風力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復雜，因此，對風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求?？刂葡到y(tǒng)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進行分析。
本設(shè)計主要依據(jù)風力發(fā)電機組的控制目標和控制策略，通過使用電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真軟件PSCAD/EMTDC，建立變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的模型。為了驗證控制系統(tǒng)模型的可用性，建立風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對樣例系統(tǒng)進行模擬仿真，并對所得的仿真結(jié)果進行了分析，從而證實了風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的可用性,然后得出了它的控制方法。
通過對風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的模擬仿真，可得如下結(jié)論：風力發(fā)電機變漿距控制屬非線性動態(tài)控制，在風力發(fā)電機組起動時，通過改變槳葉節(jié)距來獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩，達到對風輪轉(zhuǎn)速的控制的目的；當風速高于額定風速時，通過自動調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，滿足風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定和功率曲線優(yōu)化的雙重要求。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；控制系統(tǒng)；PSCAD/EMTDC；仿真分析
Abstract
The wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. Because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. The control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.
The design mainly bases on the control target and strategies of the wind power generation. We have established the alterable pitch control model using the power system dynamic simulation software PSCAD/ EMTDC. Also we have established the model of the wind power system for validating the usability of the controller model. We have simulated the whole system and analyzed the result of simulation, and confirmed the usability of the controller model and its control method.
We have simulated the control system model of the wind power generation, and got a conclusions: The alterable pitch control of wind power generation is the non-linear dynamic control, control system changed pitch angle for acquiring starting torque while the wind power generation started; we adjusted the pitch angle for changing angle which airflow blow vane , when the wind speed exceed rated speed, then changed the torque of aerodynamics for Satisfing dual demand which are steady power output of the wind power generation and optimizing the power curve .
Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis
目 錄
引 言 1
第一章 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 3
1.1 風力發(fā)電的基本原理 3
1.1.1 風力發(fā)電的基本原理 3
1.1.2 風力發(fā)電的特點 3
1.2 風資源及風輪機概述 4
1.2.1 風資源概述 4
1.2.2 風輪機的理論 5
1.3 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 5
1.3.1 風力發(fā)電機的分類 5
1.3.2 水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 6
1.4 風力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 8
1.4.1 貝茨(Betz)理論 9
1.4.2 風力發(fā)電機特性系數(shù) 10
1.4.3 異步發(fā)電機基本原理 11
第二章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立 14
2.1 風力發(fā)電機組的基本控制要求 14
2.1.1 風力發(fā)電機組運行的控制要求 14
2.2 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 16
2.2.1 風力發(fā)電機組的控制目標 16
2.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù) 17
2.2.3 控制系統(tǒng)工作原理 18
2.2.4 風力發(fā)電機組的變距控制原理 18
2.3 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 19
2.3.1 風輪機的氣動特性 19
2.3.2 定槳距風力發(fā)電機的控制策略 21
2.3.3 變槳距風力發(fā)電機的控制策略 22
2.3.4 變速風力發(fā)電機的控制策略 22
2.4 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖 23
2.4.1 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài) 23
2.4.2 變槳距控制系統(tǒng) 24
2.4.3 功率控制 26
2.5 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立 29
2.5.1 控制選擇器模型的建立 29
2.5.2 風輪機轉(zhuǎn)速控制模型的建立 29
2.5.3 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機并網(wǎng)前） 30
2.5.4 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型 30
第三章 樣例系統(tǒng)模型的建立 35
3.1 風速模型的建立 35
3.1.1 風能的數(shù)學模型 35
3.1.2 風速模型的建立 37
3.2 風輪機模型的建立 39
3.2.1 風輪機模型及參數(shù) 40
3.2.2 齒輪箱速比控制模型 40
3.3 異步發(fā)電機模型的建立 41
3.3.1 發(fā)電機控制選擇器參數(shù) 41
3.3.2 異步發(fā)電機參數(shù) 42
3.4 無窮大系統(tǒng)模型的建立 43
3.4.1 補償電容的參數(shù) 43
3.4.2 斷路器模型及參數(shù) 43
3.4.3 升壓變壓器模型及參數(shù) 45
3.4.4 無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 46
第四章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析 47
4.1 控制系統(tǒng)在樣例模型中的模擬仿真 47
4.1.1 風速模擬仿真分析 47
4.1.2 風輪機模擬仿真分析 48
4.1.3 異步發(fā)電機模擬仿真分析 49
4.1.4 風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析 54
4.1.5 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析 58
4.2 低于額定風速時控制的模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.2 風輪機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 60
4.2.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析 60
4.3 高于額定風速時控制的模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.2 風輪機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 65
4.3.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析 66
結(jié) 論 68
參考文獻 69
附 錄 70
附錄A PSCAD/EMTDC軟件簡介 70
A.1 PSCAD/EMTDC軟件的功能 70
A.1.1 PSCAD/EMTDC軟件簡介 70
A.1.2 RTDS軟件簡介 70
A.1.3 PSCAD聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)標準和硬件要求 70
A.1.4 PSCAD?應(yīng)用手冊 71
A.2 PSCAD軟件模塊的構(gòu)成 71
A.2.1 文件管理系統(tǒng) 71
A.2.2 建模(DRAFT)模塊 72
A.2.3 架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 72
A.2.4 運行(RUN?TIME)模塊 72
A.2.5 單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊 72
A.3 EMTDC模塊介紹 72
A.3.1 利用EMTDC可進行的模似研究范圍為 73
A.3.2 完成一次EMTDC?算題的具體步驟 73
附 錄B 74
B.1 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖 74
B.2 風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖1 75
B.3 風力發(fā)電系統(tǒng)樣例模型圖2 76
謝 辭 77
符號說明
地面高度——h
風速——v
風能密度——w
空氣密度——ρ
時間周期——T
形狀參數(shù)——K
尺度參數(shù)——C
概率統(tǒng)計時間——N
氣體質(zhì)量——m
氣體體積——V
氣體動能——E
有功功率——P
風輪角頻率——w
轉(zhuǎn)距系數(shù)——Cr
無功功率——Q
推力系數(shù)——Cp
風力發(fā)電機機端電壓——U
風力發(fā)電機電流——I
風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速——r
風力發(fā)電機滑差——s
發(fā)電機暫態(tài)電勢——E
發(fā)電機定子漏抗——X1
發(fā)電機轉(zhuǎn)子漏抗——X2
發(fā)電機勵磁電抗——Xm
系統(tǒng)頻率——f0
轉(zhuǎn)距——M
極對數(shù)——Pn
微分算子——p
槳距角——β