（电力电子与电力传动专业论文）多相永磁直驱风力发电机矢量控制的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金g 墨王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同：基对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：孑嵫影签字日期：沙t 年l f 月2 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g 巴王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥j = 业大 量l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：乙 导师签名： 滩芬 签字日期：扣1 1 年相；1 日 签字日期： 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 多相永磁直驱风力发电机矢量控制的研究 摘要 目前，大功率直驱型风力发电系统具有非常好的应用前景。多相电机系统 由于其可实现低压大容量，减小电机转矩脉动，提高系统可靠性，改善系统性 能等诸多优点，特别适合于目前对风力发电系统高效率、大容量、高可靠性的 要求，采用六相永磁同步发电机( p m s g ) 结合双变流器并联技术可以提高直 驱式风电系统( w e c s ) 的机组容量和可靠性。本文以国家“十一五”科技支 撑项目为依托，针对六相永磁直驱风力发电机矢量控制技术展开研究，本文工 作重点可以总结如下： 1 、建立六相永磁同步风力发电机的数学模型，分析了六相与三相p m s g 数 学模型的特点。根据理论分析的模型方程，建立了永磁同步风力发电机的通用 仿真模型，为后面研究永磁同步风力发电机的矢量控制策略和无速度传感器方 法奠定了基础。 2 、对永磁同步风力发电机的常规矢量控制技术进行了细致研究，分析和总 结了常规矢量控制策略的特点，通过仿真对比分析了= 0 控制和最大转矩电流 比控制这两种矢量控制策略特点。 3 、针对直驱系统中永磁同步风力发电机的特定运行工况，采用一种锁相环 加模型参考自适应方法的无速度传感器控制方法，该方法实现简单，辨识准确。 并利用m a t l a b s i m u l i n k ，对该控制方法进行了详细的仿真分析。该方法的使用， 实现了直驱系统需无速度传感器控制的关键技术要求。针对矢量控制和无速度 传感器控制方法需要准确已知永磁同步风力发电机参数的要求，探讨了一种适 合于工程应用中的基于无速度传感器矢量控制方法的直接参数辨识方法，文中 并给出了详细的理论分析及仿真结果。 4 、基于以上理论与仿真分析，本文对永磁同步风力发电机矢量控制策略进 行了实验研究，设计了相应的控制系统的硬件电路和软件。实验验证了本文所 采用的矢量控制策略和无速度传感器的控制方法的可行性和正确性，从而为后 续针对实际风场的试运行奠定实验基础。 关键词：直驱风力发电系统；永磁同步风力发电机；矢量控制；无速度传感器 控制；参数辨识 r e s e a r c ho nv e c t o rc o n t r o lo fm u l t i - p h a s e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r a b s t r a c t h i g h p o w e rd i r e c t - d r i v e nw i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m ( w e g s ) e n j o y sg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t m u l t i p h a s em a c h i n es y s t e mi ss u i tf o rt h eo c c a s i o n st h a tr e q u i r e h i g he f f i c i e n c y ，l a r g ec a p a c i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y ，b e c a u s ei tc a ns u p p l yh i g hp o w e r ，r e d u c e t o r q u er i p p l ea n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m s i x p h a s ep e m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( p m s g ) c o m b i n i n gp a r a l l e lc o n n e c t e d c o n v e r t e r si su s e dt oi m p r o v e c a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd i r e c td r i v e nw i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m b a s e do nt h e s u b j e c t so fs u p p o r t e dp r o g r a mo ft h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd u r i n g t h e11 曲f i v e y e a rp l a np e r i o d ( n o 2 0 0 6 b a a 0 1a 2 0 ) ，t h i sp a p e rm a k e sad e e p s t u d yo nv e c t o rc o n t r o lo fm u l t i p h a s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e di nt h i sp a p e r ，c a nb el i s t e da sf o l l o w s ： 1 m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e ep h a s e s & s i xp h a s e sp m s ga r ee s t a b l i s h e d 。w h i l e p u t t i n gh i g h l ye m p h a s i s o nt h e a n a l y s i s o ft h e i r r e s p e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h em o d e la n de q u a t i o nb u i l tb yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h eu n i v e r s a l s i m u l a t i o nm o d e lo fp m s gi se s t a b l i s h e d b ym a t l a b s i m u l i n k ，p r o v i d i n g a t h e o r e t i c a lb a s i sa n ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o r t h ef u r t h e rs t u d yd i r e c t i n gt o w a r d st h e c o n t r o ls t r a t e g yo f p m s g 2 t h ec o m m o nv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fp m s gi ss t u d i e di nd e t a i l s ，a n dt h e i r r e s p e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c si nt h ea c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fd i r e c t - d r i v e p m s gs y s t e m a r ea n a l y z e da sw e l l a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fz e r od a x i s c u r r e n tc o n t r o la n dm a x i m u mt o r q u et oc u r r e n tv e c t o rc o n t r o la r ea n a l y z e da n d c o m p a r e db ys i m u l i n kt 0 0 1 3 i na l l u s i o nt ot h eg i v e no p e r a t i n gc o n d i t i o no fp m s gi nt h ed i r e c t d r i v es y s t e m ， as p e e ds e n s o r - l e s sc o n t r o lm e t h o dw h i c hc o m b i n e sp h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) a n d m o d e lr e f e r e n c es e l f - a d a p t a t i o n ，i sa d o p t e d i ti ss i m p l et oi m p l e m e n t ，w h i l ei t s i d e n t i f i c a t i o ni se x a c t ，a n di t s i m p l e m e n t a t i o n h a sf u l f i l l e dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s o fs e n s o r - l e s sc o n t r o li nt h ed i r e c t d r i v es y s t e m c o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o na n a l y s i sa r ea l s og i v e ni nt h i sp a p e r i na l l u s i o nt ot h a tv e c t o rc o n t r o l a n ds p e e ds e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d sa c q u i r et h ea c c u r a t ep m s gp a r a m e t e r s ，a p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e d o nt h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l ， w h i c hh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t y ，i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s i i a n ds i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o ns h o wt h eb e t t e rp e r f o r m a n c ei nd e t a i l 4 t h es i m u l a t e dt r a c t i o ns c h e m eo fp m s ga r ec o n s t r u c t e d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n d d s pp r o g r a m m e so ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d ，a n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n sa r ea l s oc a r r i e do u t t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls c h e m e s f o rp m s ga n ds p e e ds e n s o r - l e s sc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a d o p t e di nt h i s p a p e r ，a r e t e s t i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e r e b ye s t a b l i s h i n gt h ef o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rt r i a lr u n n i n go fd i r e c t d r i v es y s t e mi nw i n df a r m f o l l o w i n gd e s i g n i n gt h e h a r d w a r ec i r c u i t sa n dd s pp r o g r a m m e so ft h ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：d i r e c t - - d r i v e nw i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m ( d d - w e g s ) ；p m s g ； v e c t o rc o n t r o l ；s e n s o r l e s sc o n t r o l ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n i l l 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。本论文的所有工作都 是在导师张兴教授的悉心指导、严格要求下完成的。在研究中遇到问题时，张 老师总是一如既往的给予精心指导，不但提高了我的知识水平和科研能力，更 重要的是思维方式和科研方法得到了很好的培养。在两年多的硕士研究生学习 和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。张老 师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使我 受益匪浅。在此，谨向张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，感谢阳光电源各位领导和同事，在公司实习的一年时间里，他们对 我学习工作的指导、支持与照顾令我终生难忘。感谢汪令祥、谢震、余勇、杨 淑英四位博士，他们在我的整个课题研究过程中给予了的无私帮助，在此表示 深深的谢意。感谢实验室一起学习工作的同窗好友们，他们是：王莹、查乐、 李飞、邵章平、刘震、胡超、丁杰、陈武、郭海滨等，他们在我的研究生生活 和学习上给予了我很大鼓励，陪伴我度过了整个研究生阶段。特别感谢师姐刘 芳和师兄王成悦在课题研究过程中给予我的帮助。此外，感谢论文中引用参考 文献的所有作者，感谢他们的无私奉献。 最后，我要感谢默默支持我的父母和姐姐，他们对我深深的爱是我不断进 步的源泉，感谢所有给予我帮助的朋友，在此我要向他们表示深深的敬意和衷 心的祝福! i v 作者：张虎 2 0 11 年3 月 目录 摘要i a b s i t r a c t i i 致j 谢i v 目勇乏v 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景和选题意义l 1 2 风力发电发展现状及趋势1 1 3 风力发电技术研究概况3 1 3 1 风机控制系统的概述3 1 3 2 并网型风力发电系统主要结构类型3 1 3 3 直驱风电系统全功率变流器主要拓扑结构4 1 3 4 多相永磁同步风力发电机的应用及其控制策略概述9 1 4 本文的主要研究内容1 1 第二章六相永磁同步风力发电机建模与分析”1 3 2 1 六相永磁同步电机及其磁动势谐波分析1 3 2 1 1 多相电机相数的定义1 3 2 1 2 六相p m s g 的磁动势谐波分析1 4 2 2 六相永磁同步风力发电机数学模型1 8 2 2 1 六相静止坐标系下的数学模型1 9 2 2 2 坐标变换和变换矩阵2 2 2 2 3 两相旋转坐标系下的数学模型2 5 2 3 六相p m s g 与三相p m s g 模型参数比较2 8 2 4 基于永磁同步风力发电机数学模型的仿真分析3 0 2 5 本章小结3 5 v 第三章六相p m s g 矢量控制3 6 3 1 永磁同步风力发电机的稳态特性3 6 3 1 1 永磁同步风力发电机的相量图和等效电路3 6 3 1 2 永磁同步风力发电机的功角特性”4 0 3 1 3 永磁同步风力发电机的内功率因数角特性4 2 3 2 常规矢量控制策略分析4 3 3 2 1f d = 0 控制4 4 3 2 2 单位功率因数控制4 6 3 2 3 最大转矩电流比控制”4 8 3 2 4 弱磁控制4 8 3 3 六相p m s g 矢量控制系统分析5 0 3 3 1 六相p m s g 发电系统拓扑结构5 0 3 3 2 基于定子电流定向矢量控制策略”5 0 3 3 3 六相p m s g 基于定子电流定向矢量控制5l 3 4 六相p m s g 矢量控制仿真分析5 2 3 5 本章小结5 6 第四章全功率风机变流器无速度传感器技术的研究”5 8 4 1 六相p m s g 无速度传感器控制”5 9 4 1 1 无速度传感器控制方法基本原理”5 9 4 1 2 电压矢量位置角的确定6 0 4 1 3 转子位置定向调节器”6 l 4 1 4 无速度传感器控制方法仿真分析”6 l 4 2 基于无速度传感器矢量控制的电机工程参数辨识方法6 7 4 2 1 参数辨识原理分析6 7 4 2 2 仿真分析6 8 4 3 本章小结7 0 v i 第五章直驱风力发电机变流系统设计与工程实践7 l 5 12 0 k w 高速变频异步电机拖动低速p m s g 的实验室模拟7 1 5 1 1 背靠背双p w m 变流器系统结构”7 1 5 1 2 主电路参数选择及控制电路设计7 2 5 1 3 系统软件设计7 4 5 1 4 模拟实验结果与分析7 6 5 3m w 级变流器工程实践7 9 5 4 本章小结8 0 第六章总结与展望8 2 6 1 总结8 2 6 2 展望8 2 参考文献一8 4 附录一发电机参数8 9 攻读硕士学位期间发表的论文一9 0 v i i 插图清单 图1 1 全功率变流器型变速恒频风力发电系统4 图1 26 个二极管组成桥式不控整流+ 电压源变流器的结构5 图1 3 不控整流+ b o o s t 升压+ 电压源变流器的结构5 图1 46 个晶闸管组成三相桥+ 电流源变流器的结构6 图1 5 背靠背双电压源变流器的结构6 图1 6 二极管中点钳位式三电平变流器结构7 图1 75 电平级联h 桥型变流器拓扑结构8 图1 8 交直交变流器并联扩容拓扑结构一9 图1 9 径向磁通p m s g 1 0 图1 1 0 轴向磁通p m s g 1 0 图2 一l 永磁同步发电机的定子示意图15 图2 2 六相p m s g 物理模型1 9 图2 3 六相系统各坐标系关系2 3 图2 4 给定风速下永磁同步风力发电机仿真模型3 0 图2 5p m s g 转速到电流给定仿真模型3 0 图2 - 6 给定电流到定子电压的仿真模型3 1 图2 7 定子电压到定子电流的仿真模型3 1 图2 8 两相旋转坐标系到三相或六相坐标系的仿真模型3 2 图2 - 9 给定转速刀与输入转矩z 3 2 图2 10 三相和六相永磁同步风力发电机定子电压3 3 图2 1 1 三相和六相永磁同步风力发电机定子电流3 4 图2 1 2 三相和六相发电机定子电流d 和q 轴分量一3 4 图3 1 永磁同步风力发电机空间矢量图3 7 图3 2 永磁同步风力发电机定子电流轨迹和电压矢量轨迹3 8 图3 3 恒转矩轨迹和最大转矩电流比控制电流轨迹一3 9 图3 4 永磁同步风力发电机功角特性一4 0 图3 5 永磁同步风力发电机随6 改变的各变量的静态特性曲线4 1 图3 - 6 永磁同步风力发电机随西改变的各变量的静态特性曲线4 3 图3 7 厶= 0 时发电机空间矢量图4 4 图3 8 厶= 0 控制发电机负载电流变化各矢量关系4 5 图3 - 9 艿= 西时发电机空间矢量图4 6 图3 1 0 永磁同步风力发电机功率因数控制矢量图4 7 图3 1 l 永磁同步风力发电机弱磁矢量控制定子电流矢量轨迹4 9 图3 1 2 六相p m s g 发电系统结构图5 0 图3 13 基于定子电流定向的p m s g 空间矢量图5 l 图3 1 4 六相p m s g 矢量控制框图5 2 图3 1 5f d = 0 控制与最大转矩电流比控制对比仿真波形5 4 图3 16 最大转矩电流比控制仿真波形- 5 6 图4 1p m s g 发电运行时矢量图及参考坐标系5 9 图4 2s s r f s p l l 控制结构原理图6 0 图4 3 基于d 轴定向的转子位置定向调节器6 1 图4 4 无速度传感器控制方法仿真模型一6 2 图4 5 空载时转速从切入转速到额定转速运行时的仿真波形6 4 图4 6 带载时转速从切入转速到额定转速运行时的仿真波形一6 6 图4 7r s 辨识仿真6 8 图4 8i f ，辨识仿真一6 9 图4 9 厶辨识仿真一6 9 图5 1 直驱风电系统实验室模拟平台一7 1 图5 22 0 k w 高速变频异步电机拖动低速p m s g 系统结构框图一7 l 图5 3 交流电流采样电路原理图7 3 图5 4 交流电压采样电路原理图7 4 图5 5 直流侧电压采样电路原理图7 4 图5 - 6 主程序流程图7 5 图5 7 中断服务程序流程图7 6 图5 8 网侧p w m 整流器测试波形7 8 图5 - 9 无速度传感器控制测试波形7 8 图5 1 0 机侧变流器测试波形一7 8 图5 1 1 高频时弱磁控制测试波形7 9 图5 1 2 较高频率下的电压、电流和驱动p w m 波形8 0 图5 1 3 风速动态变化时的测试波形一8 0 i x 表2 1 表2 - 2 表2 3 表5 1 表格清单 x 4 4 1 2 1 1 2 7 表 j u 一 一 歹 一 义角 定夹 义的的 一 定数轴 的相考 数机参 一 相电与数机型组参电类绕路型他相电典其六主 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和选题意义 风能就是空气的动能，指的是风所承载的能量，其大小主要决定于风速和 空气的密度。公元前便有了人类对风能利用的历史，但数千年以来，风能技术 发展相对缓慢，人们一直没有对其给予足够的重视。然而，从19 7 3 年发生世界 石油危机以来，在全球生态环境恶化以及常规能源告急的双重压力下，风能作 为新能源的重要组成部分才重新得到长足的发展。特别是在2 0 0 9 年12 月7 日18 日在丹麦首都哥本哈根召开的哥本哈根全球气候变化大会之后，可再生清洁能 源已成为世界能源发展的方向，而技术最为成熟的风电将成为各国发展可再生 能源的首选i lj 。 目前，随着我国风电市场的扩大，我国的风电产业取得了长足的进步，正 朝着大功率、变速恒频等方向发展。在多种风力发电方式中，永磁直驱式风力 发电系统采用永磁同步发电机( p m s g ) ，没有变速箱、滑环等装置，具有发电效 率高，易于安装维护，机组寿命长、体积小、全寿命运行维护成本低等优点， 代表着世界风力发电技术的发展方向。多相永磁同步电机以其特有的性能，适 合于大功率、高可靠性的场合，与风力发电技术结合可以实现发电机组低压大功 率输出。然而，我国风力发电技术起步晚，还远不成熟，和世界风电强国之间 存在较大的差距。在目前主流的兆瓦级风力发电系统中，大功率风机变流器基 本依赖进口。如何打破风电强国在风电领域中的垄断格局，在变流器设计及控 制技术上掌握自主知识产权，已成为我国风电产业又好又快发展急待解决的关 键问题【2 1 。 本课题以“十一五”国家科技支撑计划“大功率风电机组研制和示范 项 目( 2 0 0 6 b a a 0 1a 18 、2 0 0 6 b a a 0 1 a 2 0 ) 为依托，针对多相永磁直驱风力发电 机矢量控制技术展开研究，旨在对如何实现永磁同步风力发电机高性能控制进 行深入探讨，掌握核心技术，并为后续的研究工作提供理论和实践基础。 1 2 风力发电发展现状及趋势 风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，它的几大优点是：蕴量巨 大；清洁无污染、可以再生；分布广泛；风能设施多为不立体化设施，可保护 陆地和生态；风电场建设周期短、占地少、见效快、造价低、运行及维护的费 用低。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战 略的重要组成部分，发展迅速【lj 。 风力发电的利用方式主要有两类：一类是离网供电系统，单机容量一般比 较小，主要为o 1 1 0 k w ；另一类是作为常规并网系统，当前已经商业化的风电 并网系统主要为大功率风力发电机并网系统。大功率风电机组并网发电是高效 大规模利用风能最经济的方式，已成为当前世界风能利用的最主要形式。 全球的风力发电产业呈现出强劲的增长势头，自19 9 6 年以来，全球风力发 电累计装机容量连续1 3 年增速超过2 0 ，平均增速达到2 8 3 3 ；仅2 0 0 9 年，全 球新增风力发电装机容量3 7 5 0 0 m w ，全球风力发电总装机容量达到 15 7 9 0 0 m w ，增速为31 。据世界风能理事会( g w e a ) 预测1 2j ：预计到2 0 1 2 年，全球年新增风力发电装机容量将增加到3 6 1 g w ，风电机组累计装机容量将 达到2 4 0 g w ，是目前的二倍多，这其中欧洲占10 2 g w 、亚洲占6 6 g w ，北美占 6 1 3g w 。预计到2 0 2 0 年，全球风电总装机容量将达到1 5 0 0 g w ，将有望在现在 基础上扩大10 倍以上，将为全球供应至少12 的电力。 相比于世界风电强国，我国的风力发电事业起步晚，截止于2 0 0 3 年底，我 国风电场总装机容量只有0 5 6 7 g w ，占全国总装机容量的0 1 4 i3 | 。为了促进我 国社会和经济的可持续发展，目前，政府已经将风力发电技术作为应对气候变 化、改善能源结构以及能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了大力扶 持，我国风电事业取得了突破性进展。来自中国可再生能源学会风能专业委员 会的数据显示，我国风电装机容量已连续七年实现翻番，并且从2 0 0 6 年开始， 更是连续3 年新增风力发电设备规模年均达2 0 0 。2 0 0 9 年，我国风电新增装机 容量13 8 g w ，居世界第一，成为增长速度最快的国家，同期欧洲风电新增装机 容量为10 5 gw 美国则为0 9 9 g w 。我国风电累计装机容量达到2 5 8 g w ，超过德 国，位列全球第二。 2 0 1o 年是中国吹响进入低碳经济时代号角的元年，新能源是低碳经济的主 要组成部分，可以预计未来十年，在中国经济结构中以风能为主的新能源将占 据更加重要的战略位置。而且根据统计资料可知，目前我国已经成为全球第二 大能源消费国和生产国，随着经济规模的不断扩大，还会持续加大对能源的需 求。中国科学院的研究报告预测了中国2 0 2 0 年的能源需求。结果表明，到2 0 2 0 年中国能源需求量将达到2 8 8 8 亿3 8 8 0 亿吨标准煤，届时原煤的缺口量约为 3 2 1 亿1 1 7 4 亿吨，天然气和石油都会有巨大的缺口。因此，能源是我国当前 和今存在后相当长一个时期内制约经济社会发展的突出瓶颈。风能作为新能源 的重要组成部分已不再是一种可有可无的补充能源，风力发电作为最具有商业 化发展前景的新兴产业，已经成为解决能源问题不可或缺的重要力量。 为了更有效、最大限度地利用风力资源，未来风电行业的发展趋势可概括 为【1 】1 3 】【4 l ： 1 、风力发电机组单机容量快速增大，风力机的尺寸及输出功率亦迅速增大。 风力发电机组单机容量越大则发电效益越高，单位千瓦的造价也就越低，这虽 然加大了生产和研制的技术难度，但是仍然是风电设备技术的趋势之一。 2 、高可靠性、高效率、新型风力发电机组不断推陈出新。随着高新技术含 2 量不断增加，可以显著提高风力发电机组的利用率。机组效率的提高，可使每 千瓦发电量约提高1 0 3 0 。 3 、风电成本及电价逐步降低。在风电事业的发展中，世界各国非常关注风 力发电成本。随着新型、高效、大型机组的研制成功，产业化、规模化、商业 化生产的日趋完善与扩大，风力发电成本会不断降低。 4 、海上风力发电技术成为发展趋势。海上风电场具有的气流流动速度快， 平稳、对自然景观不会有影响、远离居民地，噪音干扰少以及海上运输、安装 风电机组方便等诸多有利因素而逐步成为未来风力发电的焦点。 1 3 风力发电技术研究概况 1 3 1 风机控制系统的概述 风机的控制系统是风机不可或缺的重要组成部分，主要由监控系统、主控 系统、变桨控制系统以及变频系统几部分组成，承担着风机自动调节、监控、 保证良好的电网兼容性以及实现最大风能捕获等重要任务。各部分的主要功能 如下： 监控系统( s c a d a ) ：监控系统主要实现对全风场风机的启、停操作以及对 风机运行状况的监视，它主要由完善的通讯网络及大型监控软件组成。 主控系统：主控系统为风机控制系统的主体，主要实现风机的自动启动、 故障自动停机、自动调速、自动调向、自动电缆解绕、自动并网、自动解列及 自动记录与监控等重要控制、保护功能。主控系统对外有三个主要接口系统： 变桨控制系统、监控系统以及变频系统，它与变桨控制系统接口主要完成对叶 片的控制，实现风机的最大风能捕获以及恒速运行，与监控系统接口主要完成 风机运行的实时数据及统计数据的相互交换，与变频系统接口主要实现对系统 有功功率和无功功率的自动调节。 变桨控制系统：变桨控制系统配合主控系统，控制叶片节距角的大小，实 现风机最大风能捕获以及恒速运行，因而提高了风力发电机组的运行灵活性。 目前，变桨控制系统的叶片驱动方式有液压驱动和电气驱动两种方式，电气驱 动方式中又可以区分为采用交流电机和直流电机两种不同方案。 变频系统：变频系统与主控制系统接口，且分别和发电机、电网连接，直 接承担着保证供电品质、满足电网兼容性标准，提高功率因素等重要作用。 1 3 2 并网型风力发电系统主要结构类型 。 大型并网型风力发电系统分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电 系统。恒速恒频风力发电系统为早期的装机类型，在我国已经批量投入运行， 目前市场需求极少。目前变速恒频风力发电系统成为风电装机的主流产品，变 速恒频技术作为目前最先进的功率调节技术，特别是全功率变流器型变速恒频 风力发电系统成为了风力发电技术研究趋势，其主要优点1 5 】：( 1 ) 性价比较高， 并且具有变桨和偏航能力，能快速跟踪风向、风速的变化，并实现风力机的最 大风能捕获，额定风速以下时使效率达到最高；额定风速以上时变桨调节实现 风力机的额定功率输出，从而提高系统运行的稳定性、系统的效率及发电量； ( 2 ) 能够利用机械惯性对阵风进行储能，缓冲风机受到的机械冲击，具有较小 的机械应力；( 3 ) 能够动态补偿机组的低频脉动转矩；( 4 ) 能够实现电网的无 功调节；( 5 ) 具有较小的噪音污染。 全功率变流器型变速恒频风力发电系统也称永磁直驱式变速恒频风力发电 系统，如图1 1 所示，采用的发电机为永磁同步发电机( p m s g ) 。风力机与永磁同 步发电机硬性连接，无需增速齿轮箱，发电机定子通过全功率变流器与电网相连。采 用全功率变流器实现风力发电机的全范围调速，所需要变流器容量较大( 约为额定容 量的1 2 0 ) ，该系统可以实现发电机与电网的完全解耦，从而较容易满足电网的要 求。随着电力电子器件性价比的不断提高，永磁直驱式变速恒频风力发电系统以 其发电效率高，易于安装维护，机组寿命长、体积小、全寿命运行维护成本低 等优点，代表着世界风力发电技术的发展方向。 图1 1 全功率变流器型变速恒频风力发电系统 永磁直驱式变速恒频风力发电系统，以下简称直驱风电系统，采用全功率 变流器，主要是交直交变流电路，通过全功率风机变流器实现对永磁同步发电 机的高性能控制，从而保证直驱风电系统良好的运行性能。下面具体介绍直驱 系统变流器主要拓扑结构。 1 3 3 直驱风电系统全功率变流器主要拓扑结构 1 3 3 1 全功率变流器典型拓扑结构 直驱型风电机组需要较大容量的全功率风机变流器以实现能量的并网控 制，随着直驱型风电机组容量要求不断提升，如何保证全功率风机变流器性能 和可靠性以及功率等级，是直驱型风电机组面临的关键问题。随着电力电子器 件及其串并联技术的发展，目前能可靠应用的全功率风机变流器的拓扑结构主 要为交直交变流器( a c d c a cc o n v e r t e r ) ，依据能量流通和电压转换方式， 交直交变流器存在很多不同的拓扑结构【6 j ，典型的拓扑结构有： ( 1 ) 6 个二极管组成桥式不控整流+ 电压源变流器的结构 4 不控整流+ 电压源变流器的结构如图1 2 所示，其拓扑结构简单，控制策略也比 较简单。由二极管整流电路将p m s g 发出的交流电转变为随输入变化的直流电，然后通 过电压源型逆变器转变为固定频率的交流电送人电网，输出到电网的有功功率和无功 功率可调。但是，发电机侧a c d c 变换环节采用不控整流，发电机功率因数不 可控，二极管整流会增大发电机定子谐波电流、损耗以及转矩脉动，并且对于 风速较大变化时，网侧电压源型逆变器调节作用有限。 风机 _ p p - 昏 ? 么么 屣、l 日( p m s g ) ) = 辛裾 t 一 乡一一q 么 么 么 图1 26 个二极管组成桥式不控整流+ 电压源变流器的结构 ( 2 ) 不控整流+ b o o s t 升压+ 电压源变流器的结构 不控整流+ b o o s t 升压+ 电压源变流器的结构如图1 3 所示，其拓扑结构简单， 由二极管整流电路将p m s g 发出的变频交流电转变为变化的直流电，中间环节经过 b o o s t 升压电路提升直流电压，然后通过电压源型逆变器转变为固定频率的交流 电送人电网。相比于图卜2 ，由于中间环节引入，拓宽了发电机的运行范围，且可以 利用多重化技术提高功率等级，这是目前常用的一种拓扑，在小功率和兆瓦级直驱风 电系统中均有应用。但是，发电机功率因数不可控，定子电流谐波含量大，增大 发电机损耗以及转矩脉动，同时，三级变换结构使系统的效率下降。 风机 i 朋 p p - p 。么么 么 止+ _ - = 昏i 辛本 、 。k爿( p m s g ) ) 蟛7 一 么么 么 图1 3 不控整流+ b o o s t 升压+ 电压源变流器的结构 ( 3 ) 6 个晶闸管组成三相桥+ 电流源变流器的结构 6 个晶闸管组成三相桥+ 电流源变流器的结构如图1 4 h ) i ：示，其特点：具有较 大的电流密度，故障时直流电感可限制电流变化率，从而保护功率器件，且晶 闸管具有成本低、功率等级高等优点，在早期的并网风电机组中使用较多。但当采 用方波或p w m 调制时，其输出含有丰富的低次谐波，并且由于发电机定子漏 s 感的作用能够产生威胁到电机绝缘安全的尖峰电压，为此需在其输出端有并联 电容器，用于吸收尖峰电压或纹波电流，但电容的安装会容易造成与电机漏感 之间谐振，故控制较为复杂。 图1 46 个晶闸管组成三相桥+ 电流源变流器的结构 ( 4 ) 背靠背双p w m