本科毕业论文-—风力发电系统控制模型建立和仿真分析.doc
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1、摘 要风能作为一种清洁的可再生能源,在当今能源短缺的情况下,变的越来越重要。由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大,使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂,因此,对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用,所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略,通过使用电力系统动态模拟仿真软件PSCAD/EMTDC,建立变桨距风力发电机组控制系统的模型。为了验证控制系统模型的可用性,建立风力发电样例系统模型,对样例系统进行模拟仿真,并对所得的仿真结果进行了分析,从而证实了风力发电机组控制系统
2、模型的可用性,然后得出了它的控制方法。 通过对风力发电机组控制系统的模拟仿真,可得如下结论:风力发电机变浆距控制属非线性动态控制,在风力发电机组起动时,通过改变桨叶节距来获得足够的起动转矩,达到对风轮转速的控制的目的;当风速高于额定风速时,通过自动调整桨叶节距,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,满足风力发电系统输出功率稳定和功率曲线优化的双重要求。关键词:风力发电;控制系统;PSCAD/EMTDC;仿真分析Abstract The wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy
3、, 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 broug
4、ht 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 w
5、ind 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 analyz
6、ed 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 sys
7、tem 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 out
8、put of the wind power generation and optimizing the power curve .Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对
9、本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论
10、文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)
11、过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的
12、指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设
13、计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日XX本科毕业设计说明书教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定
14、的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)教研室主任(或答辩小组组长): (签名)年 月 日教学系意见:系主任: (签名)年 月 日目 录引 言1第一章 风力发电系统的基本原理81.1 风力发电的基本原理81.1.1 风力发电的基本原理81.1.2 风力发电的特点81.2 风资源及风轮
15、机概述91.2.1 风资源概述91.2.2 风轮机的理论101.3 风力发电机的结构与组成101.3.1 风力发电机的分类101.3.2 水平轴风力发电机的结构111.4 风力发电机的基础理论131.4.1 贝茨(Betz)理论141.4.2 风力发电机特性系数151.4.3 异步发电机基本原理16第二章 风力发电控制系统模型的建立192.1 风力发电机组的基本控制要求192.1.1 风力发电机组运行的控制要求192.2 风力发电机组控制系统的结构原理212.2.1 风力发电机组的控制目标212.2.2 控制系统主要参数222.2.3 控制系统工作原理232.2.4 风力发电机组的变距控制原理
16、232.3 风力发电系统的控制策略242.3.1 风轮机的气动特性242.3.2 定桨距风力发电机的控制策略262.3.3 变桨距风力发电机的控制策略272.3.4 变速风力发电机的控制策略272.4 变桨距风力发电机组控制系统模型框图282.4.1 变桨距风力发电机组的运行状态282.4.2 变桨距控制系统292.4.3 功率控制312.5 变桨距风力发电机组控制系统模型的建立342.5.1 控制选择器模型的建立342.5.2 风轮机转速控制模型的建立342.5.3 发电机转速控制的模型(在发电机并网前)352.5.4 风力发电机组的变桨距控制系统模型35第三章 样例系统模型的建立403.1
17、 风速模型的建立403.1.1 风能的数学模型403.1.2 风速模型的建立423.2 风轮机模型的建立443.2.1 风轮机模型及参数453.2.2 齿轮箱速比控制模型453.3 异步发电机模型的建立463.3.1 发电机控制选择器参数463.3.2 异步发电机参数473.4 无穷大系统模型的建立483.4.1补偿电容的参数483.4.2断路器模型及参数483.4.3 升压变压器模型及参数503.4.4无穷大系统模型及参数51第四章 风力发电控制系统的模拟仿真结果分析524.1 控制系统在样例模型中的模拟仿真524.1.1 风速模拟仿真分析524.1.2 风轮机模拟仿真分析534.1.3 异
18、步发电机模拟仿真分析544.1.4 风力发电机系统并网模拟仿真分析594.1.5 变桨距控制系统模拟仿真分析634.2 低于额定风速时控制的模拟仿真结果分析634.2.1 发电机转速控制模拟仿真结果分析634.2.2 风轮机转速控制模拟仿真结果分析654.2.3 变桨距控制模拟仿真结果分析654.3 高于额定风速时控制的模拟仿真结果分析674.3.1 发电机转速控制模拟仿真结果分析674.3.2 风轮机转速控制模拟仿真结果分析704.3.3 变桨距控制模拟仿真结果分析71结 论73参考文献74附 录75附录A PSCAD/EMTDC软件简介75A.1 PSCAD/EMTDC软件的功能75A.1
19、.1 PSCAD/EMTDC软件简介75A.1.2 RTDS软件简介75A.1.3 PSCAD联网、工业标准和硬件要求75A.1.4 PSCAD应用手册76A.2 PSCAD软件模块的构成76A.2.1 文件管理系统76A.2.2 建模(DRAFT)模块77A.2.3 架空线(T-LINE)和电缆(CABLE)模块77A.2.4 运行(RUNTIME)模块77A.2.5 单曲线绘图(UNIPLOT)和多曲线绘图(MULTIPLOT)模块77A.3 EMTDC模块介绍77A.3.1 利用EMTDC可进行的模似研究范围为78A.3.2 完成一次EMTDC算题的具体步骤78附 录B79B.1 风力发
20、电机组的变桨距控制系统模型图79B.2 风力发电样例系统模型图180B.3 风力发电系统样例模型图281谢 辞82符号说明地面高度h风速v风能密度w空气密度时间周期T形状参数K尺度参数C概率统计时间N气体质量m气体体积V气体动能E有功功率P风轮角频率w转距系数Cr无功功率Q推力系数Cp风力发电机机端电压U风力发电机电流I风力发电机转速r风力发电机滑差s发电机暂态电势E发电机定子漏抗X1发电机转子漏抗X2发电机励磁电抗Xm系统频率f0转距M极对数Pn微分算子p桨距角XX本科毕业设计说明书引 言随着世界工业化进程的不断加快,使得能源消耗逐渐增加,全球工业有害物质的排放量与日俱增,从而造成气候异常、
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