小型风力发电机的仿真分析

 2022-01-17 11:01

论文总字数:16622字

目 录

1绪论 3

1.1选题背景及研究意义 3

1.2风力发电技术 3

1.3小型风力发电机的发展情况 4

1.3.1小型风力发电机在国外的发展情况 4

1.3.2小型风力发电机在国内的发展情况 5

1.4 MATLAB软件简介 6

2小型风力发电原理 6

2.1小型风力发电机的分类情况 6

2.2小型风力发电机的基本结构 8

2.3小型风力发电机的工作原理 8

3小型风力发电应用 9

3.1小型风力发电机的应用特点 9

3.2小型风力发电机的应用情况 10

3.2.1通信基站电源供电 10

3.2.2城市建设工程 11

3.2.3作为分布式能源发电 12

3.3小型风力发电机的维修保养 13

4基于MATLAB的小型永磁同步风力发电系统的仿真 13

4.1风速模型 13

4.2风力机模型 14

4.3发电机模型 18

4.4小型永磁同步发电系统模型 18

5总结和收获 22

参考文献 22

致谢 24

小型风力发电机的分析与应用

吴弘

Abstract:As an important supplement to the wind power industry, small wind turbines play a huge role in raising the utilization rate of wind energy. The paper introduces the present situation of small wind turbines both in China and abroad, and the basic structure and working principle. In order to study the characteristics of small wind turbines, the modeling and simulation about them in MATLAB platform focus on how the main parameters effect when it runs. the paper takes a permanent magnet synchronous machine as an example and establishes household wind power system operating in off-grid model. The simulation results show that the energy storage device such as battery can provide continuous and stable electricity when it is windless. This article introduces the application of small wind turbines from agriculture to industry in detail, and put forward advices on the basis of predecessor’s research.

Key words: small wind turbines;MATLAB;application

1绪论

1.1选题背景及研究意义

就像没有粮食人类就不能生存一样,没有了能源,现代社会将陷入瘫痪。随着人们对能源的了解渐渐加深,消耗日趋增多,人们的生活水平日渐提高,社会经济也迅猛发展。可以说,能源是人们生产生活必不可少、社会进步发展不可或缺的基石。

从世界主流的能源使用情况来看,人类社会已经经历了薪柴时代、煤炭时代和石油时代三个能源时代,并向着可再生能源时代发展迈进。可再生能源指的是在自然界中取之不尽、用之不竭的能源,比如风能、太阳能、水能、地热能、生物质能、海洋能等,在消耗之后能够在短时间内再生产得到补充。随着煤、石油、天然气等矿物燃料的逐渐枯竭和全球环境问题的日益突出,世界各国纷纷从可持续发展的角度调整了各自的能源政策,将可再生能源发展列为国家的发展战略。其中,风力发电的发展势头非常的强劲,现如今技术最为完善先进、商业开发价值最高。

我国国土面积大,地貌变化多,拥有着大量的风能。同时,我国是全球利用风能最早的国家之一,主要是通过风车来抽水、磨面等,在宋代,风车的利用进入全盛时期,那时风靡的垂直轴风力机至今仍有应用;等到了二十一世纪初,我国的风力发电机组扩张迅速,累计装机容量跃为全球第一。

本文的研究对象是小型风力发电机。一方面,作为风力发电的重要部分,小型风力发电机对于提高风能利用率起着极大的作用[1],另一方面,发展小型风力发电机是响应国家的“十二五”发展规划的举措。在我国,各地的风力强弱情况各不相同,这使得我国的风力发电表现出多样性的特征:在西北区域、东北区域、华北区域、沿海区域等年平均风速高于或等于6m/s的高风速区,大多装设大型风力发电机组,而且这些区域的风电建设已趋于饱和;在安徽、云南、福建等年平均风速处于3~5m/s的低风速区则是小型风力发电机发展的沃土。在2004年以前,小型风力发电机主要被居住在农、牧、渔等有风缺电区域的广大群众使用,用来解决他们的供电问题,由于用途单一,范围不广,产量增长得非常缓慢。自2004年之后,小型风力发电机在应用方向发生了转变,在微波通讯基地、内河航运系统、城市景观工程等方面得到了广泛的应用,产量开始高速增长。

分析和研究小型风力发电机,一方面有助于完善用能布局、降低用电成本、增强系统的可靠性使其最优运行,另一方面,推动了生态环境等诸领域的发展,有助于环境友好[2]

1.2风力发电技术

风能指的是风所带有的能量,即空气当中的动能。风能具有不能直接储存、间歇性、随机性、难以准确预测、能流密度低等缺点,因此,一方面,利用风能时必须考虑到与其他能源相配合来保证稳定的能源供应,另一方面,风能利用装置体积庞大,耗材多,成本高,应用时需要考虑地形和经济上的制约因素。

早在上世纪70年代,风力发电技术就开始大范围的研发使用。1973年石油危机过后,美、日、西欧等发达国家和地区为应对高油价对经济的沉重打击,建立了可再生能源机构,并制定相关的专项计划,增加风电在研究和应用上的投入,力图减小对常规能源的依赖,政府投入巨资并出台一系列电价补贴优惠政策,这些举措有力地推动了风力发电的进步。进入90年代以后,一方面由于环境危机和能源危机的日益严重,另一方面由于技术的进步使得风力发电成本大幅下降,风力发电得到了迅猛地发展。自2010年,从累计装机容量来看,我国已经超越美国跃居为全球装机量最大的国家。如今,风力发电已经成为技术最成熟、商业开发价值最高的可再生能源,风电产业也成为当今世界经济增长最快和最具有发展潜力的产业之一。

根据所发电能是否并入电网,可以将风力发电系统划分成并网型和离网型两大类。

如图1.1所示,并网型风力发电系统主要由风力机、齿轮箱(可选)、发电机、电力电子接口(可选)、变压器等部件构成。其中,风力机的职能是将风中的动能转换为机械能,驱动发电机运转,由发电机将机械能转变成电能,通过电力电子接口进行频率、电压变换,再经过变压器升压,然后与电网并联。

图1.1 并网型风力发电系统的组成

而离网型风力发电系统通常是风力机、发电机和电力电子接口等主要部分构成的。因为离网型风力发电系统容量一般较小,通常在几百瓦至几十千瓦之间,风力机转速较高,能够直接带动发电机运转,故一般没有齿轮箱;发电机发出的电能经过电力电子接口变换后直接供给负载,因此也没有变压器。

1.3小型风力发电机的发展情况

1.3.1小型风力发电机在国外的发展情况

早在上世纪三十年代初国外就开始了利用风力发电的尝试。那时,以美苏、瑞典、丹麦为首的国家,利用航空工程中的旋翼技术,研发制造出小型风电装备。当时,由于和小型内燃机相比,小型风电机的投资成本要低许多,人们普遍的将它们应用在偏远的村落和多风的海岛上。不足的是,当时的发电量大多在5kW以下,比较低[3]

当今,美国在风能市场上引领世界,占领了全球49%的份额,是应用小型风力发电机的超级大国,而且大多应用在分布式并网上;英国制定相关法规来促进国民在特定区域安装使用风力发电机组,鼓励发展小型风能产业,势头强劲;俄罗斯不甘示弱,成功制造出机动灵活、便于操作、可用于在野外考察时供电的移动式小型发电机;在荷兰,已经有很多住民安装供家庭使用的小型风电机。

1.3.2小型风力发电机在国内的发展情况

我国对小型风力发电机的研发利用在时间上落后于世界水平,上世纪七十年代,我国开始研制出用于沿海盐场和提水浇灌的风力提水机。尤其是在内蒙古地区,因为符合当地条件,顺应人们生产生活要求,而且有当地政府的扶持,小型风力发电机获得长足的发展。

但是,早些年,国家对新能源的光伏行业、大风机制造等出台了相应的补贴政策(发电机组的单机容量要在1500kW以上),没有出台过针对小风机的补贴政策。然而随着近几年风电行业的整体回暖,尤其是“十二五”过后,小风机获得了照顾。

如今,我国成为小型风力发电机组的生产大国。它在市场上的产品容量主要有以下几种:100W、150W、200W、300W、500W、600W、1kW、2kW、5kW、10kW、25kW、30kW[4]。据不完全统计,截止至2007年,我国生产了多达8万台的小型风力发电机组,如图1.2所示,在2006年共生产小型风力发电机50052台,比2005年增长50.5%,产量大幅增长,产值、利税创新也相应提高[5]。在海内市场一片繁荣的同时,海外市场也得到发展,2006年出口高达16165台,与前年相比增加了174.7%。

我国的新能源产业,尤其是风电产业,拥有很好的发展前景,潜力巨大,有望在未来得到迅猛发展。如今,国产的风电装置越来越多,风光互补系统等新技术也渐渐完善,使得发电成本的降低成为可能,提高了经济性,使其具有良好的发展潜力,前景看好。

图1.2 2000年-2010年我国小型风力发电机产量

1.4 MATLAB软件简介

MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。它是一种新型的普遍运用在数值分析领域以及工程计算的高级语言。和其他的科技应用软件相比,MATLAB具有制图能力强大、符号计算以及数值计算功能精准、语言体系简易上手、应用工具箱多种多样的优点[6]

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