新能源发电及其应用

0双馈型异步发电机控制系统的设计摘要：常规能源、电力紧缺及供电环境问题日益突出，大力发展清洁的可再生能源如风能，对于缓解能源匮乏具有非同寻常的意义。和常规风力发电系统相比，变速恒频交流励磁双馈风力发电系统配置的变频器在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变频器体积小、重量轻、成本低的特点，而且实现了机电系统的柔性连接。本文建立了双馈发电机的等值电路模型，详细分析了双馈发电机中功率、转矩等关键物理量之间的相互关系。从双馈发电机复矢量模型出发，建立了双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，揭示了双馈发电机并网运行和独立运行在定子磁场定向控制策略下的内在统和区别。重点研究了并网运行双馈发电机的控制目标、控制方式、运行特性和系统功率流动等关键技术及其实现方法。本文还分析了双馈发电机交流励磁变速恒频发电运行原理，给出了双馈发电机矢量控制模型，通过Matlab／Simulink仿真，证明了可实现系统输出有功功率、无功功率的独立解耦控制。关键词：双馈感应发电机变速恒频风力发电复矢量模型磁场定向控制仿真1目录中文摘要..............................................................11绪论..............................................................31.1风力发电现状......................................................................................................................41.1.1国外风力发电的现状和发展趋势.............................41.1.2中国风力发电的现状和发展趋势.............................61.2风力发电技术的国内外研究发展现状.........................................................................71.2.1中国风力发电技术的研究发展现状...........................71.2.2国外风力发电技术的发展现状..............................112双馈风力发电机的基本理论..........................................152.1双馈风力发电机的工作原理............................................................................................72.1.1双馈风力发电机运行的基本概念.............................72.1.2双馈风力发电机的电磁关系.................................182.1.3双馈风力发电机的能量流动与平衡关系.......................193双馈风力发电机的数学模型..........................................213.1双馈风力发电机在三相ABC坐标系中的数学模型.................................................213.2坐标变换和变换阵.........................................................................................................2343.2.1坐标变换的原则和基本概念................................2343.2.2三相静止/两相静止坐标系变换（3/2变换）..................2343.2.3两相静止/两相旋转坐标系变换（2/2变换）..................2343.2.4三相静止/两相旋转坐标系变换（3/2变换）..................2353.3双馈风力发电机在两相d－q坐标系中的数学模型..............................................254双馈风力发电机的定子磁场定向的矢量控制策略........................274.1双馈风力发电机定子磁场定向的矢量控制..............................................................274.2双馈风力发电机空载并网控制策略.........................................................................2784.3双馈风力发电机并网后的控制策略.........................................................................2795双馈风力发电机的仿真研究和设计....................................335.1双馈风力发电机空载并网仿真设计...........................................................................335.2双馈风力发电机并网控制仿真设计...........................................................................34参考文献.............................................................3521绪论风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。目前我一直在做机械电子这个行业特别感受到电能是我们生活中不可缺少的必须能源消耗品，我们的生活越来越依赖于电能和现代机械给我们带来的便利。可是，这样的依赖和便利背后，隐藏着危机，那就是入类将面临着不可再生资源的枯竭，现存的能源状况己经使我们的地球陷入困境，人类必须寻求廉价的可再生能源，所以绿色可再生能源是人类能源利用的新潜力。从地球生态学来说，能源消费在迅速扩大，人类需要不污染环境的发电系统。这就是“环保电力”的绿色电力。绿色电力到底是一种什么样的电力，哪些电力属子绿色电力?目前是这样定义的:(1)利用特定的发电设备，如有风电、太阳能光伏发电、地热发电、生物质能汽化发电和小水电等几种，将风能、太阳能等可再生的能源转化成电能，通过这种方式产生的电力因其发电过程中不产生或很少产生对环境有害的排放物(如一氧化氮、二氧化氮、二氧化碳、造成酸雨的二氧化硫等)，且不需消耗化石燃料，节省了有限的资源储备，相对于常规的火力发电(即通过燃烧煤、石油、天然气等化石然料的方式来获得的电力)，来自子可再生能源的电力更有利于环境保护和可持续发展，因此被称为绿色电力。(2)不排放C02的发电方式多种多样，哪一种方式才能定义为绿色电力，各国有不同理解.至今还没有共同的定义。普遍认同的看法是、风能与太阳能是完全的绿色能源，风力发电与太阳能发电是完整意义上的绿色电力:无污染，可再生，用之不竭的清洁电力。31.1风力发电现状风是由于太阳照射到地球表面各处受热不同产生温差引起的大气运动而形成的。到达地球的太阳能约有2%转化为风能，据估计全球风能储量约为2.74109MW，其中可开发利用量约为2107MW，比全球可开发利用的水能总量大10倍。风力发电是先将风能转换为机械能，再转换为电能，最终将电能输送至用户。风力发电技术是一门多学科的、可持续发展的、绿色环保的综合技术。目前的发展方向是:风力发电机组重量更轻、结构更具柔性，直接驱动发电机(无齿轮箱)和变速运行，风能利用率越来越高，单机容量越来越大。当前，以煤炭、石油作为主要嫩料的国家，已面临严重的环境污染，加上化石燃料有限储量的双重危机日益加深，开发利用新能源己经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分，而风能又是新能源中最具开发潜力的一种能源。在不断持续的能源紧张形势下，世界上很多国家尤其是发达国家，都在寻找一种可替代常规能源、对环境无污染的可持续发展的新能源。风能、太阳能、潮汐能等新能源的开发可有效缓解能源供应紧张，其中产业化条件最成熟的首推风力发电。因此，世界上很多国家已充分认识到风力发电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的作用和重要性，对风力发电的开发给予了高度重视，将风能开发列入能源优先开发计划。2005年2月28日全国人大常委会表决通过了《可再生能源法》，该法于2006年1月1日起实施。这是中国可再生能源发展的一个里程碑。标志着中国可再生能源特别是风力发电进入了一个重要发展阶段，这为风能的大规模开发提供了广阔的前景，风力发电正迅速发展成为初具规模的新兴产业。1.1.1国外风力发电的现状和发展趋势2005年世界风电产业蓬勃发展，装机容量达58982MW，亚洲风能发展最快，印度超赶丹麦。风能产业己经成为全球范围内蓬勃发展的高科技产业，其从业人数已超过23.5万人。42005年12月31日，世界装机容量己达58982MW，比加04年多11310MW，加04年的装机容量比前年增长8.3GW，而2003年装机容量增长8.1GW。2005年全球风机装机增长率为24%，2004年增长率为21%。根据这种发展趋势，世界风能协会预计2010年世界装机容量将高达12000MW。目前风力发电占全球电量的1%，部分国家及地区己达20%甚至更多。欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。为了应对全球气候变化，欧洲积极推广可再生能源应用以替代化石能源，实现温室气体减排。欧洲议会于2001年制定了可再生能源发展指导计划，到2010年可再生能源电力占欧洲电力总供应的12%。2005年欧洲在总装机容量(40932MW)及新增装机容量(6174MW)仍然保持世界领先地位。现在欧洲不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世界最先进的风电技术，和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。20世纪80年代初，丹麦开始发展现代风电，自1995年丹麦的风电产业迅速扩张，装机容量大幅提高。19%年丹麦政府制定《21世纪能源战略报告》，预计风电发展的目标是到2005年实现装机容量达到150MW的规模，而事实上，2000年丹麦的风电装机已经达到2140MW，不仅提前完成了205年的规划目标，而且已经成为世界风电产业的大国和强国。丹麦一流的风电产业培育了具有国际竞争力的专业的风电企业，丹麦有世界领先的风机制造业以及国内和国际经销商，大型商业化风力机制造厂家有Vestas、Bonus、NEGMicon等，丹麦企业制造的风机约占50%的世界市场份额。20世纪90年代是德国风电迅猛发展的10年，风电装机规模大幅度提高，技术不断创新，成本逐渐下降。截止2005年12月31日，德国装机容量达到18428MW比2004年新增1798名MW，增长10.8%。1998年以后是德国风电高速增长的黄金时期，1998一2002年的短短5年间，风电累计装机台数增长从600台增长到1400台左右，增长1倍还多，累计装机容量从1998年的3ll0MW增加到2002年1240MW，翻了两番，增长速度惊人。目前德国的风电利用规模处于绝对的世界领先地位，其装机容量多年全球位列第一。在美洲，美国的风力发电规模较大。美国的风电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。80年代初期，风机占主流的是100KW以下的小机型，目前兆瓦级的风机己成为风力发电机组的主流。加05年，美国装机容量大幅度增加，其装机容量占当前世界风能容量的17%(1O03