海上风电场及双馈式风电机组的仿真分析

海上风电场的开发部分。介绍了开发海上风电优势和面临的主要挑战；分析 了开发海上风电的各个环节，包括前期工作、场址的选择、支撑结构的设计、电 网的接入方案等；着重研究了海上风电机组的初步设计，包括风轮机的设计和驱 动方案的选择，并指出在目前的技术水平下，变速恒频双馈风电系统由于重量和 变换器容量上的优势，最适合应用于海上风电场。
或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞基堂或其他教育机构的学位或证
书蔼使用过的材料。与我一同工作的丽志对本研究所做韵任何贡献均已在论文中 作了臻确熬说明并表示了谢意。
学位论文律者签名：■莨是 签字秘期： 翘孑年参胃 占嚣
学位论文版权使用授权书
本学镁论文作者完全了解墨盎盘鲎有关僚蟹、使蔫学位论文豹规定。 特授权基鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分浅容编入有关数据库进行检
天津大学 硕士学位论文 海上风电场及双馈式风电机组的仿真分析 姓名：吴良建 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：么莉
20080601
摘要
我国海上风力资源丰富，对海上风电的开发将成为我国未来风电产业最主要 的增长点。本文在简单概述国内海上风力发电状况以及风力发电现状的基础上， 重点介绍了海上风电场的开发，并对海上风电机组进行仿真研究。
ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｒｏｍ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｉｔ ｃｏｍｅｓ ｔｏ ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ａ ｆａｖｏｒｉｔｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｕｃｈ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｙ－Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ
双馈风力发电系统的仿真部分。建立了变速恒频双馈风力发电系统的数学模 型，包含风速模型，风力机模型，和不同坐标系下的双馈电机模型。完成建模工 作后，主要研究了双馈风力发电系统的控制策略，提出应用定子磁链定向的矢量 控制来实现风力发电系统的有功、无功功率解偶控制以及转速的控制。在此基础 上，建立了矢量控制的系统框图。最后应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立了系统各 部分的仿真模型，并给出了仿真结果与分析，验证了定子磁链定向矢量控制策略 的正确性：既保证了定子输出频率的恒定，又达到了有功功率无功功率独立解耦 控制的目的，同时还较好地跟踪了风力机的最大功率输出。
ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ
ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｏｕｎｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
关键词： 海上风电场变速恒频双馈电机矢量控制
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｃｈｉｎａ ｈａｓ ｈｕｇｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．Ａｆｔｅｒ ａ ｂｒｉｅｆ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｂｏｔｈ ｉｎ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｉｔｕｒｅ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｐｌａｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ．
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｐｌａｎｔ，Ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＶＳＣＦ），
Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ），Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ
独创性声明
本人声鹱骈呈交的学位论文是本人在导师指导下进行静研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 淘国家有关部门或视构送交论文的复印件和磁盘。
＜保密的学位论文在解密菪适用本授权说明＞
学学位位论论文文作作者者签签名名：：象＆焉友喜．是
签字霸期：…潲君年 参胄 占Ｅｌ
叫ｋ
导师签名： 么匆｛ Ｊ
签字醑期： 训辉 占月 占日
第一章绪论
目前已经开发利用的可再生能源有风能、太阳能、潮汐能、生物质能等。其 中风能是最为成熟、最具规模化发展前景的可再生能源，在能源供应日趋紧张、 环境污染日益严重的形势下，风力发电技术越来越受到各方的高度重视，其发展 极为迅速。据统计，全球２００１～２００６年的风力发电装机达到２３９０万千瓦，年复 合增长率达２５％。根据全球风能协会的预测，２０５０年全球风力发电装机有望达 到３０亿千瓦，是２００６年总风力发电装机７４２２万千瓦的４０倍。在全球风电的大 好发展环境下，我国的风电产业也迅猛发展。最新统计显示，截至２００７年底， 我国风力发电新增装机容量为３３０．４万千瓦，累计装机容量为５９０．６万千瓦，与 ２００６年相比，市场的增长率为１２７．２％。此外，根据国家发改委颁布的（ｎ－－Ｉ再生 能源中长期发展规划》，２０１０年全国风力发电新装机容量达到５００万千瓦；２０２０ 年全国风力发电新装机容量达到３０００万千瓦。风力发电装机的预测受到政策、 电价、设备商的能力等很多因素影响，具有较大的不确定性。根据目前的发展势 头来判断，我国风力发电的发展速度将会远远超过发改委的预期。
ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｐｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
ｉｓ ｔｒｕｅ．Ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｃａｒｂｉｎｅ．
Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ），ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＦＩＧ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ＤＦＩＧ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒａｎｄｏｍ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅｌ，
１０００
盆８００
皇 。６００
稠 约４００
毒牟
蒜wk.baidu.com００
Ｏ ２０００ ２００１ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ ２００７
年份 图ｌ一１全球海上风电装机容量
美国曾经是风力发电领域的领头羊，早在２０世纪８０年代，美国在开发现代 风力发电技术方面就具备了相当的水平。然而，上个世纪末，由于政府政府相关 政策缺乏连贯性，Ｊ＇ｔ，；０Ｉ资金、技术等客观原因，昔日蓬勃发展的风力发电急剧降 温。近年来国际油价节节攀升，必了较少对能源进口的过分依赖，风力发电重薪 受到美国政府的青睐。
２
第一章绪论
岬海上风电场（Ｃａｐｅ Ｗｉｎｄ）现已建设完毕；纽约皇后区西北面的长岛（１０ｎｇ ｉｓｌａｎｄ） 电力局２００７年８月提出开发１４０ＭＷ的海上风电场，位于长岛市南海岸，开发 商将负担所有的项目成本，并将在１５．２０年后通过与长岛电力局协议收购电力来 收回成本；２００８年４月美国罗德岛宣布将建海上风电场，该风场每年发电不少 于１３０万兆瓦时，该州制定计划保证从风能供应的电力达到１５％。
国外海上风电开发主要集中在欧美。在欧洲近海区域，风能资源相当丰富， 可供开发的潜力巨大，加之欧洲国家大部分陆地风力资源好的地区，风能已经基
第一牵绪论
本得到开发，在陆地上安装风力机受到场地限制的矛盾也口益突出，因此从２０ 世纪∞年代开始，这些国家开始在近海区域尝试建造海上风力发电场【２ｌ狰１。１９９０ 年，瑞典安装了第一台海上风力发电机组，容量２２０ｋＷ，位于离岸３５０ｍ，水深 ６ｍ处，轮廓高度３７．５ｍ，１９９８年己停运。１９９１年，丹麦Ｅｌｋｒａｔｔ公司在波罗的海 洛兰岛（Ｌｏｌｌａｎｄ）西北沿海Ｖｉｎｄｅｂｙ附近兴建了世界上第一个商业化海上风电场。 该风场总装枫容量４。９５ＭＷ由ｌ １台４５０ｋＷ机组组成。随囊，荷兰、丹麦、瑞典 建立乐第一批海上风电示范工程。截至２００７年８月，全球建成海上风电场２１个， 分别位于丹麦、英国、瑞典、爱尔兰、荷兰和德国６个国家，累积总装机为９０２ＭＷ， 由３８９台发电机组组成，单机容量最小的为２２０ｋＷ，最大的热３６００ｋＷ。其中，丹 麦总装机４０９．９ＭＷ，英国总装机３ １４ＭＷ，这两个囡家的总装机占全球海上风电总 装机的７５％。全球海上风电装机容量见图１．１。
风力发电场可分为陆地及海上两种。早期风电开发主要集中在陆地。但是随 着风电技术的发展，陆上风电场的局限性逐渐显现，如占地面积大，噪声污染严 重，风速较低且不稳定等。自上世纪９０年代起，国外开始建设海上风电场，海 上风电场以其更多的优势，成为国际风电发展的新领域…。
１．１海上风力发电国内外发展现状
１．Ｅ１世界海上风力发电现状
Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｐｌａｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ
ｍａｊｏｒ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｍａｒｉｎｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｋｅｙ ｓｔｅｐｓ ａｒｅ
美国的海上风力资源丰富，北美湖、墨西哥湾以及靠近太平洋的美国西海岸 地区都是风能盛产区。２００４年美国能源部推出了风能计划，着力引导科研南海 上风电开发等新型应用领域发展，确保风电产业的持续增长【４１。在该风电计划中， 美国海上风电的发展首先锁定在浅滩，然后发展至深水；主要采用单机容量为 ５ＭＷ或更大的风枧。目标在２０１２年，浅滩的电价只需５美分／千瓦时。哥翦正 在研制深水技术，技术进步的同时，也将注重成本控制，确保海土风电健康发展。 在今后十余年中，美国计划有大量的风电机组有待安装，然而可能只有～部分项 西得到落实。作为美国首座海上风电场，美国东北部鳕鱼岬（Ｃａｐｅ Ｃｏｄ）的鳕鱼
ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＶＳＣＦ）ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍｏｄｅｌ，ＤＦＩＧ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ａ ｓｔａｔｅ－ｓｐａｃｅ－ｅｑｕａｔｉｏｎ－ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＤＦＩＧ ｉｎ
ｌｉｓｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｅｐａｒａｔｏｒｙ ｗｏｒｋ，ｓｉｔｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｉｄ．Ｔｈｅｎ，ｐｒｉｍａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
第一章绪论
能源是现代社会赖以生存和发展的基础，传统的燃料能源正在一天天减少， 对环境造成的危害也日益突出，清洁燃料的供给能力密切关系着国民经济的可持 续发展。这个时候，全世界把目光投向了可再生能源，人们在开源和节流上积极 行动，提出了节约型社会理念，同时开始发展新能源，希望可再生能源能够改变 人类的能源结构，维持长远的可持续发展。