10KW风力发电机组控制_硕士学位论文.pdf

分类号： udc ： 工学硕士学位论文 密级： 编号： 1ok w 风力发电机组控制 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 宋立刚 杨勇副教授 工学硕士 机械电子工程 机电工程学院 2 0 1 1 年3 月 2 0 1 1 年3 月 哈尔滨工程大学 蹦orp l ，r 。 j fij i 、 r - 0 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h ec o n t r 0 1o f1 0 f j j i | l | j i 删川i i f f j i i f f f f f | 舳 y 2 0 5 3 6 2 0 c a n d i d a t e o s u p e r v is o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r 5 s o n gl i g a n g a s s o c p r o fy a n gy 0 n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a l e 1 e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is si o n ： d a t eo fm a 1e x 锄i n a ti o n ： m a r ，2 0 1 1 m a r ，2 0 1 1 u n i v e r s i t y ： h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - i _ ，1 一 导师的指导下，由 和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。 作者( 签字) ：咏蜘、1 日期： 2 0 1 1 年多月牛日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：京互洲 日期： ) d 1 年3 月斗日 翮( 签鼽惕 2 07j 年岁月中日 - 1 0 k w 风力发电机组控制 一摘31 要 、 在并网风电领域，我国与风电强国之间还存在着较大差距，如何在风电变流系统及 控制技术上拥有自己的技术，已成为我国风电产业急待解决的问题。本文以永磁直驱型 风力发电机组为研究对象，对其的变流系统及控制系统进行了研究，确定变流器的拓扑 结构为双p w m “背靠背“ 全功率变流拓扑结构。根据所提出的控制策略，以网侧变流 器为例设计了控制系统的软、硬件，并通过所建立的实验平台上验证了理论的正确性。 首先，在介绍空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术原理的基础上，采用s v p w m 技 术对交流器进行控制。并给出全功率变流器系统控制目标：电机侧变流器工作于整流状 态，实现对永磁阿步发电机的转速调节功能，并保证风机的最大功率点追踪；网侧变流 器工作于有源逆变状态，并保证风电机组以单位功率因数并网。 其次，在建立双侧变流器数学模型的基础上，电机侧变流器采用零d 轴电流矢量控 制方法达到控制风机转速的目的；网侧变流器采用电网电压定向控制方法实现风电机组 单位功率因数并网。 再次，给出了网侧变流器主电路。从直流电压快速跟随性和抗干扰性两个方面考虑 确定了直流储能电容参数。根据所使用的l 一阶滤波器，从电流环的快速跟随性和抑制 高次谐波两方面确定了交流侧滤波电感参数。又设计了控制电路，包括电压、电流信号 检测电路，电网频率检测电路，保护电路，通讯电路及人机交互接口电路的设计 然后，对网侧变流器控制系统进行了软件设计。提出了控制系统软件结构，给出了 电网相序的检测方法。针对传统锁相环的不足，设计了一种基于坐标变换的软件锁相环， 能够在三相电网不平衡的情况下准确锁定电网角度，用以在变流器的解耦控制时进行坐 标变换。同时又给出了变流器的双闭环控制方法及s ，w m 的d s p 实现方法 最后，建立了网侧变流器实验平台，对变流器的控制策略和算法进行了验证。由实 验结果分析可知，并网电流与电网电压同频反相，能够实现风电机组单位功率因数并网 功能。电压外环静态误差较小、动态响应快速。充分验证了变流器控制策略的有效性和 正确性，达到了预期的设计目标。 关键词：永磁直驱；电压定向解耦控制；空间矢量脉宽调制；软件锁相环 一 一 t 0b a c k i if u l lp o w e rc l l l l r e n tt 砌s f o mt o p o l o 舀c a ls t n l c t u r c a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dc 0 n t r o l s t r a t e g y 狃dt a l 【e sn c ts i d ec o n v e r t e r 嬲孤e x 锄p l e ，t h i sp a p e rd e s i g 啮h 删w a r e a n ds o 脚娥 o ft h ec o n t r o ls y s t e m 柚dp r 0 v e st h et h e o r y t sc o r r e c t n e s st h r o u g he s ta _ b l i s h e de x p 甜m e m p l a t f 0 珊 f i r s t l y c i l 玎c n tt m 璐f 0 咖e ri sc o n 仃0 l l e dt h o u 曲s v p w mt e c h o l o g y w h o s et c c h n i q u e p 血c i p l ei si n t r o d u c c di n 龇觚tp l a c c t kc o n t r 0 1t 鹕e t o ff i l l lp o w e fc o n v e n e fs y s t e mi s 沓v 继f o l l a w i n g ：s i d ec o n v e n e rw o r k s i nc o n d i t i o no fr c c t i f i c a l i o 珥r o t a t i n gs p e e d a d j 螨t m e n tf u n c t i o no fp e m 觚e n tm a 朗髓s y l l c h r 0g e n e m t o fw i l lb ef i l l 矗h e d ；m a x i m u m p o w c r 0 f b l o w e rw i l lb e 仃a c e d 觚dn e ts i d ec 0 i l v e n c r w 0 舾i na c t i v c n t r a v a r i a n tt 0 锄s u 坨 w i n dg e n e m t o rs e ti sp 盯a l l e l c di i lb yu n i tp o w e rf a c t o l s e c o n d l y 0 nb a s i s0 fs c t t i n gu pm a t h e m a t i c a lm o d e lo f b i l a t e r a lc 0 n v 嘲e 玮，m o t o fs i d o c o n v e n e ra d o p t sz e r 0q s h 世c t l r r 明lv e c t o rc o n t r o lm e t h o dt 0c o m 烈r o t a t i l l gs p e c do f b l o w c r n e ts i d cc o n v e n e r 璐豁鲥dv o h a g cd i r c 斌i o m lc o n 仃0 1m e t h o dt op a r a l l e i e di n 砌t p c l w e rf a c t o r0 fw i n dg e n c r a t o rs e t 1 1 l i r d l y ，m a i nc i r c l l i to fn c ts i d ec o n v c 髓c r i sm a d e 伽t c 吨s i d c r i n gt h cr 印i df o l l o w i n g p e r f b 姗弛c e 锄d 柚t i - i i l t e r f b r c n c 蟹o fd i r e c tv 0 l t a g c ，w ec 缸m a l 【e 蛐r c 矗b o u tt h ec a p a c i t a n c c p a r 锄e t e r0 fd i r c c tc i l 玎c ms t o r e de m r g y b yu s i n gl f i l t e l ，a cs i d ef i h e r i n gi i l “c t 锄c c p a r a m e t i i ri sc o n f i 玎：i l e db yf a p i df 0 h o w i n gp e r f b m 柚c co fc u f r e n tc y c l i c 锄dt l l c 跚p p r e 鲻i o n 0 nu l t r a l l a m o l l i c s m e 趾w h i l e ，c o n t f o lc i r c l l i t sa r cd e s i 印e di l l d u d es i 印a l t e s t i n g 血伽i tf o r v o l t a g e 柚dc t l r r e n t ，n e t6 c q u e n c yd e t e c t i o nc i r 饥i t ，p f o t e c t i n gc 咖i t ，c o m m u n i c a t i o n c i r c u i l a n dm a n m a e l l i n ei l l t e f f a c ec i i c u i l f 0 u n h l y ，w em a l 【es o f t w a r ed e s i g nf o rn e ts 甜e0 0 n v e n e fc o n t r o ls y s t e m ，p r o p o s ci t s s o f 帆a r es t n l c t u r ca i l dp r o v i d et e s t i n gm e t h o do fp o w e r 鲥dp h 弱cs c q u e n c e s p c c i f i ct 0t h c d i s a d v 锄t a g eo f t r a d i t i o n a lp h a s e1 0 c k1 0 0 p ，as o 仃w a r ep l li sd e s i 印e do nb a s i so fc 0 0 r d i n a t e t r 锄s f o m a t i o n i tc a l lp r e c i s e l y1 0 c kp o w c rg r i da l l 西ew h e nt l l r e ep h a s e 鲥di su n b a l 锄c e d 锄da l s 0r e a l i z e sc o o r d i n a t et 砌s f 0 珊a t i o nw h i l ec o n v e r t e rd e c o u p l i n gc o n t r o li sp r o c c e d f i n a l l y ，e x p e r i m e mp l a t f b m lo f n e ts i d ec 0 n v e n e r i se s t a b l i s h e dt 0p r 0 v et h ec o n t 烈 s t r a t e g y 柚d a f i t l l l l l e t i cc a l l r i e do u to nc o n v e n e r w 色啪s e ef 如mt h er e s u l t 觚a l y s i st h a t s y n c h r o n i z a t i o nc u 盯e n ta n d 鲥dv o l t a g es h a f es a m e 行e q u e n c yb u t h a v er e v e r s a lp h a s e ，锄d u n i tp o w e rf a c t o r0 fw i n dp o w e rg e n e m t o rc a nb cp a r a l l e l e di ng r i d 1 v b l t a g e0 u t e rr i n gh a s 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s m a us t a t i ce r r o rb u th a v ef a s td y n a m i cr e s p o n s e i tf u l l yp r 0 v e st l l ee 丘e c t i v e n e s s 孤d c o e c t n e s so fc o n v e n 盯c o n t r o ls t f a t e g y e x p e c t e dg o a l sa r er e a c h e d 1 沁y w o r d s ：p e 瑚a n e n td i r e c td r i v e ；d i r e c t i o n a lv 0 l t a g ed e c o u p l i n gc o n t r o l ；s p a c ev e c t o rp w m ； s o f t w a r ep l l 一 一 1 0 k w 风力发电机组控制 目录 第1 章绪论。1 1 1 课题研究目的与意义1 1 2 国内外风电行业发展概述2 1 3 直驱型风电机组的发展3 1 3 1 发电机侧变流器的发展现状4 1 3 2 电网侧变流器的发展现状。5 1 4 论文的主要工作7 第2 章风电机组控制系统的总体方案9 2 1 风电系统结构的确定。9 2 1 1 风电机组类型的选择9 2 1 2 变流系统拓扑结构的选择。1 0 2 2 坐标变换及空间矢量( s v 】) w m ) 调制技术1 0 2 2 1 坐标变换1 0 2 2 2 基本电压空间矢量1 3 2 2 3 电压矢量的合成及作用时间的计算1 4 2 3 控制系统设计目标1 6 2 4 才章爿、结。1 7 第3 章变流器的控制策略1 8 3 1 风能最大功率追踪( m p p t ) 原理一1 8 3 1 1 风机的功率输出特性。1 8 3 1 2m p p t 控制策略1 9 3 2 电机侧全控变流器的控制。2 0 3 2 1 永磁同步发电机数学模型的建立2 0 3 2 2 永磁同步发电机的矢量控制技术。2 2 3 3 网侧变流器的数学模型2 3 3 3 1 网侧变流器基本数学模型2 3 3 3 2 两相坐标系下的数学模型2 4 3 4 网侧变流器控制系统设计2 6 3 4 1 网侧变流器控制策略2 6 3 4 2 解耦双闭环控制系统设计。2 6 3 5 本章小结2 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第4 章网侧变流器系统硬件电路设计2 9 4 1 变流器主电路参数设计2 9 4 1 1 三相逆变桥的设计3 0 4 1 2 直流侧电容的设计。3 1 4 1 3 交流侧电感的设计。3 4 4 2 信号检测及保护电路3 7 4 2 1 电网电压及并网电流的检测3 7 4 2 2 电网频率检测。3 8 4 2 3 系统保护3 8 4 3 通讯与人机交互接口的设计。3 9 4 3 1 通讯电路的设计3 9 4 3 2 液晶显示与键盘输入。4 0 4 4d s p 系统。4 1 4 5 本章小结。4 2 第5 章网侧变流器控制系统软件设计4 3 5 1 控制系统软件结构4 3 5 2 电网相序的检测4 5 5 3 数字锁相环的实现4 6 5 4 变流器的双闭环设计4 8 5 5s v p w m 的d s p 实现5 0 5 6 本章小结5 1 第6 章样机的研制及实验结果分析5 2 6 1 实验平台的构成5 2 6 2s ，w m 实验分析5 3 6 3 锁相环实验分析5 4 6 4 网侧变流器实验5 5 6 5 本章小结5 7 结论5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果。6 2 附录a 。6 3 致谢6 4 第1 章绪论 1 1 课题研究目的与意义 第1 章绪论 随着全球化石燃料价格的持续上涨以及温室效应的凸现，世界各国越来越关注对可 再生能源的研究和开发。我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压 力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的7 6 ，已成为我国 大气污染的主要来源。目前我国已经探明的常规能源剩余储量( 煤炭、石油、天然气等) 及可开采年限如表1 1 所示。从表中数据可以看出如不改变能源消耗的现状，我国将面 临严重的能源危机i l j 。因此开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展更加迫切、 更具重大意义。 表1 1 我国资源探明储量及可使用年限 资源种类煤炭 石油 天然气水力 探明可开采储量 1 1 4 5 亿吨 3 2 7 3 6 亿吨1 1 7 0 4 亿m 33 5 3 g w ( 装机) 可开采年限年 5 4 8 l1 5 2 02 8 巧83 8 一1 0 4 可开采到年 2 0 5 0 _ 2 0 7 72 0 1 1 2 0 1 62 0 2 4 2 0 5 42 0 3 4 2 1 风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此可以认为 是取之不尽的。风能是一种无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭且分布广泛，符 合人类对生态环境的要求和对能源的需求。世界风能总量为2 1 0 1 增，大约是世界总 能耗的3 倍。如果风能的1 被利用，则可以减少世界3 的能源消耗。近年来，利用风 能进行发电已成为风能利用的主要形式。风能用于发电，可产生世界总电量的8 9 。 中国的风电研究始于2 0 世纪7 0 年代，通过自主研发与国外技术的引进吸收，我国 的风电行业正在逐步壮大，跻身于世界风电大国前列。至2 0 0 7 年，我国风电装备制造 业已掌握6 0 0 k w 、7 5 0 l 测r 、1 2 m w 和1 5 m w 风电机组制造技术。2 0 0 7 年1 1 月2 m w 直驱式风力发电机组的并网发电，2 m w 永磁同步风力发电机的下线，标志着我国风力 发电装备研制技术取得重大突破。我国已拥有2m w 永磁同步风力发电机的完全自主 知识产权【2 】。但是，在风电并网技术领域，我国与风电强国之间还存在着较大差距，兆 瓦级风电变流机组仍主要依赖进口。如何打破国外技术垄断，在变流器设计及控制技术 上拥有自主知识产权，已成为我国风电产业急待解决的问题。 随着风机单机容量越来越大，带动起新的变流拓扑结构的研究目前来看，双馈型 异步风电机组仍占市场主流，然而永磁同步直驱型风机以其固有的优势也开始逐渐受到 关注。直驱型风电系统中，电能要通过变流器传递到电网上，变流器的设计和控制是直 驱型风电系统中的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这 项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风电领域的自主创新能力，具有十分 重要的意义。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 国内外风电行业发展概述 风机用于发电的设想始于1 9 世纪末，美国人b m s h 建造了第一台发电用风机，可 为3 5 0 盏白炽灯和3 个发动机提供电力。至1 9 1 8 年，丹麦已经拥有风力发电机1 2 0 台， 功率为5 2 5 k w 。一战和二战中空气动力学的飞速发展为风机的叶片设计提供了有力的 理论基础。1 9 4 1 年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达5 3 m 的风力发电机，输出功 率可达1 2 5 k w 。1 9 5 7 年，出现了现代风机雏形，由1 个发电机和3 个旋转叶片构成。 进入8 0 、9 0 年代，随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能的不断提 高和控制理论的不断进步，使得风电进入了一个飞速发展的崭新时期。风力发电机组单 机容量越来越大，陆地风力发电机组单机容量多为1 5 m w 、2 m w ，近海风力发电机组 单机容量多为3 m w 以上。 据全球风能理事会( g w e c ) 统计，2 0 0 8 年全球新增风电装机容量2 7 0 5 6 m w ，累 计风电装机总容量达到1 2 0 7 9 1 m w ，年增长速度为2 8 7 ，增长速度依旧迅猛。美国新 增装机8 3 5 8 m w ，中国新增装机容量6 3 0 0 m w ，印度新增容量1 8 0 0 m w ，位居新增装机 容量前三甲。总装机容量排在前五位的国家依次是美国、德国、西班牙、中国和印度。 自2 0 0 5 年，我国风电装机容量增长势头迅猛，保持每年翻倍的高增长率。在政策 的扶持下，国内风电建设如火如荼，2 0 0 7 年我国风电装机容量提前三年完成国家发改委 “十一五“ 规划目标，2 0 0 8 年装机容量达到1 2 2 1 0 m w 。2 0 0 9 年中国更是成为第一大风 电装机市场，装机容量新增1 3 7 5 0 m w ，一年装机容量创单个国家纪录。 近十年来，随着各国的政策鼓励和科技的不断进步，世界范围内风电发展迅速，风 电新技术不断采用，主要体现在： 1 功率调节方式上，变桨距控制迅速取代定桨距失速方式。 定桨距失速方式完全依靠叶片的空气动力学特性来调节输出功率，输出功率随风速 变化。通常使用大小两个异步发电机，分别作用于高风速和低风速条件下，以尽量利用 不同风速的能量。这种控制方式机构简单，成本低，但叶片本身结构复杂，且不能有效 地利用风能。 变桨距控制能随风速的变化调节叶片的攻角。额定风速以下时，叶片攻角固定，其 输出功率随风速增加而增加；额定风速以上时，调整叶片攻角，按照系统最大功率输出， 保证了系统的安全性。 2 并网方式上，变速恒频已经取代了恒速恒频方式。 对并网型风电系统来讲，风电所发出的交流电频率必须与电网的频率一致。实现方 式上有恒速恒频系统和变速恒频系统两种。 恒速恒频系统中，不管风速怎么变化，始终保持风机转速不变以输出频率固定的电 能。对恒速风机来说，当风速变化时巨大的风能将通过风机传递给主轴、齿轮箱和发电 机等部件，产生很大的机械应力，加速部件的疲劳损坏。 变速恒频系统运行时，当风速增大时，多余部分的能量被风机吸收，转化为动能存 储在加速旋转的风机中，从而避免主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。当风速 2 第1 章绪论 下降后，通过变流器的调节，将风机所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网。通 过这种方式可以保证风机运行于最佳叶尖速比，最大限度的利用风能，提高了风机的运 行效率1 3 。 3 驱动方式上，永磁直驱技术稳步发展。 常见的双馈异步发电机，由于齿轮箱、发电机中碳刷和滑环的存在，使得系统成本 高、维护量大、故障率高。因此，基于变速运行、变桨距调节、低转速、高效率、高功 率因数的直驱永磁同步风电机组已成为研究热点1 4 1 。 永磁同步发电机使用永磁体励磁，消除了外部励磁的损耗，而且实现了发电机的无 刷化。永磁发电机并不像双馈发电机需要从电网吸收无功功率来建立励磁，可以改善电 网的功率因数。齿轮箱的取消，提高了系统的效率，降低了系统的维护量，减少了噪声 污染。 1 3 直驱型风电机组的发展 风力发电系统中，风力机与发电机之间的转速匹配是一个关键问题，低速运转的 风力机与发电机一般需要通过升速齿轮箱连接。大容量齿轮箱价格昂贵、故障率高、维 护困难，它的存在已成为风力发电系统进一步发展的瓶颈。因此，研究开发直驱式风力 发电系统是提高效率和可靠性的有效途径之一。 直驱式风力发电机，是由风轮直接驱动发电机的转子，亦称无齿轮风力发电机组 这种风力发电机采用多极发电机与风轮直接耦合驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部 件。由于目前在某些兆瓦级风力发电机组中齿轮箱是容易过载和损坏率较高的部件，而 无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱磨损问题而造成的机组故障，可有效提高 系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场青睐。此外，直驱式风电系 统主要采用全功率变流技术，该技术可使风轮和发电机的调速范围扩展到0 1 5 0 的额定转速，提高了风能利用范围【5 1 。且全功率变流技术对低电压穿越技术有很好的解 决途径，为直驱式风力发电机进一步发展增加了优势。 直驱式风力发电机始于2 0 多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。随着 近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为 领先的国家，其中德国西门子公司开发的直驱式同步发电机安装在世界最大的挪威风力 发电场，最高效率达9 8 。荷兰l a r g e w e y 风电公司也开始生产2 m w 的直驱永磁风力 发电机组，并已经进入欧洲市场。 直驱永磁风力发电机有以下几个方面优点【6 j ： ( 1 ) 发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电 效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。 f 2 ) 可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省 去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下 运行，旋转部件较少，可靠性更高。 邝) 运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。 ( 4 ) 电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网电压跌落时， 风力发电机组能够在一定电压跌落范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行【7 】。 直驱型风力发电机取消了齿轮箱，风机直接与发电机相连接，各种冲击载荷直接作 用到发电机上，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大， 通常在1 0 0 极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。 由于直驱式风电系统的功率是全功率传输，因此必须使用全功率变流器。全功率变 流器作为永磁直驱风电系统与电网的衔接，其结构的选择对变速恒频运行性能至关重 要。 1 3 1 发电机侧变流器的发展现状 电机侧变流器将发电机发出的频率和大小均变化的交流电整流成直流电以供网侧 变流器逆变之用。其拓扑主要有以下三种方式： 1 不可控整流 如图1 1 所示，这种拓扑结构采用三相二极管桥式整流桥，结构简单。由于整流桥 输入为三相不固定的交流电，这种不控整流桥输出直流电压也在随时发生变化。网侧逆 变器需通过不断地改变调制比来保持并网电压频率与大小的稳定。当风速较低时，逆变 器要提高调制比以增加输出电压，这必然导致逆变效率的降低。问题是，调制比并不能 无限地增加，这就会出现低风速时系统无法正常工作的情况【引。 图1 1 不可控整流拓扑结构 2 不可控整流加直流升压电路 在三相二极管整流桥后加入一个升压斩波( b o o s t ) 电路，得到了如图1 2 所示的拓 扑结构。该系统升压斩波电路的加入将直流电压升高并稳定在合适的范围内，使得发电 系统工作范围增大，提高了效率。具有成本低、控制简单的优点【9 1 。但由于无法直接控 制发电机的电磁转矩和磁链，所以动态响应慢，输出最大功率受到限制，且不控整流使 定子电流中谐波分量较大，电机的损耗和振动增大i l 。 4 图1 2 增加b 醴环节的不控整流拓扑 3 全控型p w m 整流器 如图1 3 所示，将三相不控整流桥中的二极管换成全控型的开关器件( 如i g b t ) ， 采用p w m 控制整流桥，能将频率和大小均变化的交流电整流成恒定直流电。通过矢量 控制技术，可以实现发电机的单位功率因数运行，能对发电机的转矩、效率进行有效控 制【1 1 j 。因此，该整流方式控制方法灵活，可以有效提高系统的运行特性。由此带来的缺 点是大功率全控型开关器件的使用会大大提高系统的成本。 v a v b v c 图1 3 全控型p w m 整流结构 1 3 2 电网侧变流器的发展现状 网侧变流器将整流输出的直流电逆变成频率、大小固定的交流电输送到电网中去， 最终实现风力发电机的并网发电。早期的并网风电机组大都采用晶闸管变流技术，晶闸 管逆变器具有成本低的特点，但输入电网中电流的谐波含量较高，为此引入了补偿系统。 补偿系统又存在控制复杂的缺点。 随着p w m 逆变技术的发展，出现了多种p w m 逆变器，从根本上将p w m 逆变器 分为电压型和电流型两大类。 1 电压型p w m 逆变器 电压型逆变器在直流侧采用电容进行储能，从而使逆变器直流侧呈低阻抗的电压源 特性。其拓扑如图1 4 所示。 5 篷 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 吃 v b v c 图1 4 三相半桥电压型逆变器 因为逆变器最终要输出与电网同频同相的电流，如何控制网侧电流就成了电压型逆 变器控制中的重要内容。目前电压型p w m 逆变器的控制策略主要分为“间接电流控制“ 和“直接电流控制“ 两种。“间接电流控制”策略通过控制输出的交流电压与相位，与 电网相作用在中间电感上产生所需电流波形，不做电流反馈。由于电压控制环节的存在， 使得电流响应慢，而且系统对电感量等参数变化非常敏感，目前这种控制方式已逐步倍 “直接电流控制所取代。“直接电流控制“ 以其快速的电流响应和系统鲁棒性而得到 了广泛应用研究。直接电流控制方式有线性和非线性控制两类。线性控制包括p i 调节、 状态反馈、预测电流控制等。非线性控制包括滞环电流、模糊决策、神经网络控制等。 其中，基于坐标变换的p i 调节控制应用最为广泛【埘。 2 电流型p w m 逆变器 电流型p w m 逆变器在结构上与电压型逆变器最显著的区别就是在直流侧使用储能 电感代替了后者使用的电容进行储能，这就使得输出电流波形为矩形波，电压波形为近 似正弦波。如图1 5 所示。 v a v b v c 图1 5 三相半桥电流型逆变器 桥臂中，一个开关器件正向串接一个二极管构成单向开关。由于电流型逆变器对电 网电压波动较敏感，交流侧一般选择使用l 、c 构成二阶低通滤波器，以滤除交流侧输 6 第1 章绪论 出电流中的高次谐波。因为直流侧大电感的存在，桥臂可以直通，上下桥臂之间必须设 置叠流时间为直流电流提供续流通道，这也就要求电流型逆变器由三值逻辑驱动1 1 3 l 。与 电压型逆变器工作时要求直流侧电压必须大于网侧峰值电压不同，电流型逆变器不受输 入电压幅值限制，即使在输入电压低于电网峰值电压的情况下也能实现并网发电，增加 了逆变器的工作范围。 3 两种三相桥式逆变器拓扑结构的比较 电压型逆变器与电流型逆变器是逆变器中两种基本拓扑结构，二者各有特点，如表 1 2 所示。 表1 2 电压型逆变器和电流型逆变器的特点 类型电压型逆变器电流型逆变器 直流侧储能元件电容电感 交流侧滤波器电感构成的一阶低通滤波器l c 构成的二阶低通滤波器 电网扰动影响较小较大 开关元件 i g b t i g ( 了r 、g 1 0 0 适用容量中、小功率大功率 电压型逆变器直流侧并联大电容，能够很好地抵抗由电网波动引起的直流电压波 动，所以受电网扰动的影响较小，能够工作于电网波动较大的弱电网条件下。而电流型 逆变器抵御电网波动的能力较低，一般当电网电压波动超过1 0 时，基于系统稳定性和 安全性考虑，此时逆变器就应该停止工作1 1 4 j 。 此外，基于储能元件和开关器件的效率和成本考虑，电压型逆变器较适用于中小功 率场合，电流型逆变器适用于大功率场合。 1 4 论文的主要工作 本文从1 0 k w 风力发电机组的控制出发，根据永磁直驱风电机组的特点，对机组的 全功率变流系统及其控制进行了理论分析和实验研究。论文主要内容如下： ( 1 ) 论文第二章在分析了不同拓扑结构变流器的特点之后，针对于永磁直驱型 1 0 风电机组，提出了双p w m 背靠背的变流方案。对交流系统解耦控制所用坐标变 换进行了分析。研究了变流器控制所用空间矢量p w m ( s ? w m ) 调制技术，包括基 本空间电压矢量的分布、电压矢量的合成等。最后提出了变流器控制系统的总体方案。 ( 2 ) 第三章首先介绍了风电系统中的最大功率点追踪理论，并就其实现进行了描述。 研究了电机侧变流器的控制技术，在建立了永磁同步发电机数学模型的基础上，分析了 基于零d 轴电流控制的永磁同步发电机转子磁场定向的矢量控制技术。分别建立网侧变 流器在静止坐标系和旋转坐标系下的数学模型，采用电网电压定向控制策略，设计了网 侧变流器的电压外环、电流内环的双闭环控制系统。 ( 3 ) 由于两侧变流器的可逆运行，第四章以网侧变流器为例，详细介绍了变流器主 电路参数设计方法，包括逆变桥的选择和交流侧电感及直流侧电容参数的设计计算。最 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 后介绍了变流器硬件电路的设计。 ( 4 ) 第五章从软件程序方面对变流器的设计加以介绍。包括电网相序的检测、数字 锁相环的实现、变流器双闭环程序设计和s ? w m 的d s p 实现。 ( 5 ) 第六章首先描述了实验平台的构成，然后在此基础上进行了s v p w m 实验、锁 相环实验和变流器控制实验，并对实验结果加以分析验证了设计方法的有效性。 8 第2 章风电机组控制系统的总体方案 + 、 、 。 第2 章风电机组控制系统的总体方案 本章内容首先是分析不同变流拓扑结构的特点，以确定本系统拓扑结构。之后对变 流器控制所用空间矢量调制( s v p w m ) 技术原理及其实现进行了介绍。最后，在选定 拓扑结构基础上提出了风电机组变流系统的控制方案。 2 1 风电系统结构的确定 2 1 1 风电机组类型的选择 风电机组运行过程中，风车吸收风能驱动发电机。实际情况下，风速是不断发生变 化的，这就导致发电机所发出交流电的频率也在不断变化。但在并网型风电场合，最终 将电能输送到电网中去，这就要求发电机组所输出交流电必须与电网同频率。从实现方 式来讲，目前有恒速恒频和变速恒频两种类型。 恒速恒频在运行过程中，保持风机的转速不变，从而实现输出交流电的恒频。恒速 恒频机组多采用异步发电机。一般使用两台容量、极对数不同的大小两台异步发电机。 小容量发电机运行于低风速风况下，当风速进一步增加时则投入大容量发电机。与此同 时，一般辅以变桨距系统改变叶片攻角以调整输出功率，使之适应一定范围内的风速变 化。尽管如此，恒速恒频机组仍无法有效利用不同风速下的风能。 变速恒频机组的风机转速随风速变化而改变，然后通过电力电子变换得到与电网频 率一致的电能。变速恒频机组的优点是风机转速可以在很大范围内变化而不会影响最终 输出到电网交流电的频率。这样，调节风机的尖速比始终处于最佳功率曲线上，从而最 大限度的利用风能。大型风电机组常用的变速恒频方案有两种，即双馈异步发电机组成 的变速恒频系统和永磁同步发电机组成的变速恒频系统。在低风速情况下，如果采用风 机直接驱动双馈发电机的方式，将满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须使用增 速齿轮箱提高发电机转子转速1 1 5 。 齿轮传动不仅降低了风电转换效率，而且齿轮箱也是风力发电系统的主要噪声源， 同时也是机械故障的主要原因。为解决上述问题，出现了风机的直驱方案。风机与永磁 同步发电机转子直接耦合，省去了中间的齿轮箱。因为永磁同步发电机往往采用较多的 磁极对数，所以在低转速情况下依然可以满足发电要求1 1 6 j 。鉴于直驱方式重量轻、效率 高、可靠性好的优点，本1 0 k w 风电系统采用此永磁直驱方式。 永磁直驱发电机组具有以下优点1 1 7 j ：传动系统部件的减少，提高了风电机组的可 靠性和可利用率；永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；机 械传动部件的减少降低了风电机组的噪声；可靠性的提高降低了风电机组的运行维护 成本；机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；利用变速恒频技术， 可以进行无功补偿；电网侧采用p w m 逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对 电网波动的适应性好；由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 2 1 2 变流系统拓扑结构的选择 永磁直驱发电机将风能转化为频率和大小变化的交流电，经过整流后变成直流电， 最后通过三相逆变器将直流电转化为三相频率固定的交流电输送到电网中去。中间的电 力电子变化系统，能对系统的的有功功率和无功功率进行独立控制，以实现最大功率追 踪l l 引。因此，整个发电系统性能的好坏很大程度上取决于中间的电力电子变换环节。经 过前面对两侧不同类型变流器的对比分析，分别确定了两侧变流器的拓扑结构。 电机侧采用三相全控型p w m 变流器，以下我们称电机侧变流器为整流器。永磁同 步发电机定子输出分别与整流器三相桥臂连接。通过对整流器电流的解耦控制，可以实 现对发电机定子侧d 轴、q 轴电流的单独调节。d 轴电流、q 轴电流分别对应无功功率( 通 常设定为0 ) 和发电机的电磁转矩。这样就实现了风电机组的变速恒频运行，在额定风 速以下，输出功率随风速增加而增加；当风速超过额定风速后，系统按最大功率输出。 网侧同样采用三相全控型p w m 变流器，以下我们称网侧变流