永磁直驱风力发电系统开题报告

毕业设计（论文）

开题报告

题目：永磁直驱风电系统动态特性仿真研究

学院专业

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指导教师：（职称：）

（职称：）

2016年 3 月15 日

1、课题来源及选题的理由或意义：

课题来源：导师定题

选题理由：

随着全球经济的快速发展，环境和资源问题越来越严重，实现能源的可持续发展与再生利用已成为必须解决的问题。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受人类重视。风力发电作为一种风能的主要利用形式正飞速发展，风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升，并在电力越来越受重视。

目前大多数风电系统采用的双馈发电机具有齿轮箱，与其相比，直驱式永磁同步风电机组是风力机与发电机直接相连，减小了齿轮箱带来的机械损耗和设备的不稳定性，从而大大提高了可靠性，降低了维护费用。且具有结构简单，转换效率高，控制灵活等特点，发展较好，在风力发电系统中越来越受到欢迎。大型永磁同步风力发电机组已成为目前兆瓦级大型风电场所采用的主流风电机组。

2、研究内容及拟解决的关键问题：

主要内容：

以直驱式永磁风力发电系统作为研究对象，通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理，建立永磁直驱风力发电系统的数学模型，包括风速模型、风力机模型、永磁同步发电机模型和控制系统模型等，对风速变化时机组运行情况进行仿真。通过Matlab/Simulink对风速、风力机、永磁同步发电机等实现模型搭建，最终建成整个风力发电系统模型，进行仿真得出结果。

关键问题：

1. 建立准确的风速模型、风轮模型、风力机模型以及直驱式永磁同步发电系统（PMSG）模型；

2. 设计出永磁直驱风电系统的控制器；

3. 使用Matlab/Simulink仿真来验证设计的正确性和可行性；

3、国内外研究现状：

1. 国内外风电产业发展状况

美国是世界上最早重视风力发电的国家之一。1994年，美国的装机容量是163万千瓦，占当年全球风电装机容量的53%。到2000年，形成了40亿美元的风机产业，每年至少可交付30 万千瓦的风电机组产品。预计到2050年，全美风力发电将占全国电力的10%。欧洲是风力发电发展较快的地区，其中以丹麦和德国为代表。丹麦是世界风力发电的先进国家和风力发电机主要制造国之一。1978年丹麦成立了国立风力发电试验站，促使了风力机

工业和风力发电的发展。丹麦政府计划到2030 年，将全国的风电比例提高到全国所需电力的40%。德国目前的总装机容量占欧洲大陆风能发电总容量的50%，全球风能发电总容量的三分之一。风力发电已占德国电力生产的2.5%，并计划在未来几年内将比例提高到3.5%。此外，荷兰、英国、印度等也是风力发电发展较快的国家。

我国幅员辽阔，陆疆总长2万多公里,海岸线长达1.8万多公里,陆地和海上风力资源都很丰富，风能资源丰富，所以发展风能更具现实意义。近年来，我国对陆上风电和海上风电投入了大量人力物力进行开发。我国政府一直鼓励清洁能源的发展,在国家政策的鼓励和领头公司的带领下,预计我国风电产业高生长的态势会继续延续,到年前后,风能将成为继传统能源、水能之后的第三大能源。截止至2020年，国家智能电网计划实现建设风电1亿千瓦的计划。中国风电产业有四个发展方向：大型化的风电机组、高速膨胀的海上风电、实现电网自动化且友好、向国际市场迈进。

2. 永磁直驱风力发电系统的特点和研究现状

传统的风电机组多采用异步发电机，需采用升速齿轮箱连接高速的发电与低速的风力机。而齿轮箱的存在，增加了系统损耗，降低了能量利用率，且维护保养工作量大。再者随着单机容量的不断增大，特别是近年来海上风力发电的兴起，大容量风电机组成为当前市场主导，但容量增大使齿轮箱的造价也更加昂贵，且在兆瓦级风电机组中更容易造成过载或过早损坏。与非直驱风力发电系统相比，直驱风力发电系统由于省去了齿轮箱，不但减小了风力发电机的体积和重量，还省去了维护，降低了系统噪音，提高了系统可靠性，这将是以后风力发电技术的发展趋势。目前，国外已经制造出了采用变流装置的大型直驱风力发电机组。在德国，也已经生产出了兆瓦级的直驱风力发电机组。

国内外对直驱永磁同步风力发电系统的控制进行了一定研究。根据并网电路不同，可以分为两种。第一种是采用不可控整流和可控逆变作为并网电路。其主要特点是控制较简单，但不能直接调节发电机转矩，发电系统不能灵活实现自启动或制动等功能。第二种是采用双PWM 变换器作为并网电路，其主要特点是系统结构和控制相对复杂，但是通过对电机侧变换器的控制，可以直接调节发电机转矩，灵活实现发电系统的自启动或制动等功能，减小定子谐波电流，从而减小电机损耗和转矩脉动。

而减小电机损耗和转矩脉动。

4、研究计划或撰写方案:

第一步：收集相关资料，准备与控制理论与风力发电机相关的专业知识;

第二步：学习Matlab/Simulink使用方法，准备系统建模的相关知识;

第三步：确定系统的数学模型并在Matlab/Simulink环境下建立出系统仿真模型;

第四步：设计风力发电系统的控制器;

第五步：对控制过程进行仿真研究，调试并验证控制策略的有效性、可行性，得出仿真结果并分析。

5、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析：

1. 主要数学模型有：

1) 风速模型（四分量）可表述为：

v(t)=vB(t)+vG(t)+vR(t)+vN(t)

其中vB(t) 为基本风速，vG(t)为阵风，vR(t)为风速阶跃，vN(t)为背景噪声

2) 风轮模型

Pwt=0.5πρν3R2Cp（λ，β）

其中,ρ为空气密度,为风轮半径,为风速,λ为叶尖速比,且λ=RΩ/ν, Ω为风轮转动的角速度, Cp（λ，β）为风轮的功率系数,是叶尖速比λ和浆距角β的函数

3) 传动模型

JIΩl=ΓWT-ΓG/η

其中，ΓG为发电机电磁转矩，η为传动轴的效率，JI为传动系统的总转动惯量

4) 永磁同步发电机模型

为了便于分析和计算,现假设本文中采用的永磁同步电机是理想的,其数学模型是在以下条件的基础上建立的:

a) 忽略永磁同步电机的铁心饱和;

b) 忽略电机中的磁滞损耗和涡流损耗;

c) 忽略定子和转子磁动势所产生磁场的所有空间谐波,使所得磁场沿定子内圆按正弦分布;

d) 各相绕组严格对称,即各相绕组同时满足匝数与阻值相同,轴线相互位移的电角度相同。

数学模型为：

2. 永磁直驱风力发电系统结构图

6、特色或创新点：

7、参考文献:

[1] 张素霞. 国内外风力发电现状及发展趋势[J]. 大众用电,2007,（5）:20-22.

[2] 尹明,李庚银,张建成,等(Yin Ming,Li Gengyin,Zhang Jiancheng, et al).直驱式永磁同风力发电机组建模及其控制策略(Modeling and control strat-egies of directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator)[ J].电网技术(Pow-er System Technology),2007,31(15):61- 65.

[3]薛玉石,韩力,李辉(Xue Yushi,Han Li, Li Hui).直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景(O-verview on direct-drive permanent magnet synchro-nous generator for wind power system)[J].电机与控制应用(Electric Machines& Control Application),2008,35(4):1- 5,21.

[4] 林霞. 大型风电场并网对系统影响分析及其应用研究[D]. 太原：太原理工大学,

2006

[5] 刘学菁. 变速恒频风力发电系统的运行控制及方针分析[D].太原：太原理工大学, 2006.

8、指导教师审阅意见：

指导教师签名：

年月日

9、系或专业教研室意见：

系或教研室主任签名：

年月日

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