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XX本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
摘 要
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺的情況下，變的越來(lái)越重要。由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來(lái)越復(fù)雜，因此，對(duì)風(fēng)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(duì)提高風(fēng)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(duì)控制系統(tǒng)和控制過(guò)程進(jìn)行分析。
本設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)和控制策略，通過(guò)使用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件PSCAD/EMTDC，建立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模型。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)模型的可用性，建立風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對(duì)樣例系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)所得的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，從而證實(shí)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模擬仿真，可得如下結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電機(jī)變漿距控制屬非線性動(dòng)態(tài)控制，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，通過(guò)改變槳葉節(jié)距來(lái)獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制的目的；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，滿足風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 3
1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3
1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3
1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 3
1.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述 4
1.2.1 風(fēng)資源概述 4
1.2.2 風(fēng)輪機(jī)的理論 5
1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 5
1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類(lèi) 5
1.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 6
1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 8
1.4.1 貝茨(Betz)理論 9
1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù) 10
1.4.3 異步發(fā)電機(jī)基本原理 11
第二章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立 14
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 14
2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求 14
2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 16
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo) 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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理 18
2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 19
2.3.1 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性 19
2.3.2 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 21
2.3.3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 22
2.3.4 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 22
2.4 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型框圖 23
2.4.1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立 29
2.5.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前） 30
2.5.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)速模型的建立 35
3.1.1 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型 35
3.1.2 風(fēng)速模型的建立 37
3.2 風(fēng)輪機(jī)模型的建立 39
3.2.1 風(fēng)輪機(jī)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(jī)模型的建立 41
3.3.1 發(fā)電機(jī)控制選擇器參數(shù) 41
3.3.2 異步發(fā)電機(jī)參數(shù) 42
3.4 無(wú)窮大系統(tǒng)模型的建立 43
3.4.1 補(bǔ)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(wú)窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 46
第四章 風(fēng)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(fēng)速模擬仿真分析 47
4.1.2 風(fēng)輪機(jī)模擬仿真分析 48
4.1.3 異步發(fā)電機(jī)模擬仿真分析 49
4.1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.2 風(fēng)輪機(jī)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(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.2 風(fēng)輪機(jī)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(xiàn) 69
附 錄 70
附錄A PSCAD/EMTDC軟件簡(jiǎn)介 70
A.1 PSCAD/EMTDC軟件的功能 70
A.1.1 PSCAD/EMTDC軟件簡(jiǎn)介 70
A.1.2 RTDS軟件簡(jiǎn)介 70
A.1.3 PSCAD聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和硬件要求 70
A.1.4 PSCAD?應(yīng)用手冊(cè) 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(yùn)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(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖 74
B.2 風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖1 75
B.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)樣例模型圖2 76
謝 辭 77
符號(hào)說(shuō)明
地面高度——h
風(fēng)速——v
風(fēng)能密度——w
空氣密度——ρ
時(shí)間周期——T
形狀參數(shù)——K
尺度參數(shù)——C
概率統(tǒng)計(jì)時(shí)間——N
氣體質(zhì)量——m
氣體體積——V
氣體動(dòng)能——E
有功功率——P
風(fēng)輪角頻率——w
轉(zhuǎn)距系數(shù)——Cr
無(wú)功功率——Q
推力系數(shù)——Cp
風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓——U
風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流——I
風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速——r
風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑差——s
發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)——E
發(fā)電機(jī)定子漏抗——X1
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗——X2
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電抗——Xm
系統(tǒng)頻率——f0
轉(zhuǎn)距——M
極對(duì)數(shù)——Pn
微分算子——p
槳距角——β