（电力电子与电力传动专业论文）直驱式永磁同步风力发电系统控制策略研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己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。 学位论文作者签名：q 茈妨 日期：2 0 11 年b 月箩日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 目屯电 2 0 1 1 年b 月罗日 导师虢印如 卅7 年月f 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球对常规能源的不断消耗以及对能源需求的不断增长，常规能源的储 量正日剧减少，发展可再生能源已经成为解决世界能源危机的必由之路。风力发 电已经成为最具有商业发展前景的新型产业。目前，直驱式永磁同步风力发电系 统正成为风电行业研究的热点之一。 直驱式永磁同步风力发电机组采用永磁同步发电机与叶轮直接耦合，是一种 变速恒频风力发电机组。随着风电机组单机容量的增大，追踪最大风能捕获，提 高风f i u fj j 用率，是非常必要的。论文基于最大风能捕获基本原理，结合国内外的 最大功率跟踪控制方法，在吸收这些成果的基础上，提出了一种新的最大功率跟 踪控制算法，该算法从理论上证明了可实现性。 此外，在直驱式永磁同步风力发电机组中，发电机输出电压的幅值和频率都 是随风速的变化而变化的，不可以直接并网。论文对直驱式永磁同步风力发电机 组网侧变流器的控制策略进行了详细研究，提出了基于电网电压定向矢量控制的 双闭环控制策略。为了说明电压外环的重要作用，建立了基于电网电压定向矢量 控制的单闭环控制模型。为进一步分析其控制性能，在m a t l a b s i m u l i n l ( 环境 下建立了仿真模型，仿真结果表明：基于电网电压定向矢量控制的双闭环控制策 略可以使系统运行在单位功率因数状态。直流电压环在有功功率通路可以控制三 相电压源型p w m 整流器直流侧电压为常数。在三相电路瞬时无功功率理论的基 础上，分析了网侧变流器的功率流动方向，重点分析了基于滞环比较器的直接功 率控制系统的组成部分，以及基本控制原理。在现有开关矢量表的基础上，建立 了新的开关矢量表，优化了控制系统。通过对比仿真表明：基于新的开关矢量表 的直接功率控制系统，具有较好的动态性能，减小了功率波动和电流畸变。 关键词：直驱式永磁同步风力发电机组，最大功率跟踪控制，电网电压定向矢量 控制，直接功率控制，开关矢量表 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hg l o b a lc o n s u m p t i o no fc o n v e n t i o n a le n e r g ya n dc o n s t a n t l y i n c r e a s i n g d e m a n df o re n e r g y , c o n v e n t i o n a le n e r g yi sf a s td e c r e a s i n g d e v e l o p m e n to fr e n e w a b l e e n e r g yh a sb e c o m et h eo n l yw a yt os o l v et h ew o r l de n e r g yc r i s i s w i n dp o w e rh a s b e c o m et h em o s tc o m m e r c i a l l yp r o m i s i n gn e wi n d u s t r i e s a tp r e s e n t d i r e c t d r i v 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 i o n i sb e c o m i n gt h ef o c u so ft h eh o ti nw i n d p o w e ri n d u s t r y d i r e c t d r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sw i n dp o w e rs y s t e mw i t hp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sd i r e c t l yc o u p l e dw i t ht h ew i n dt u r b i n e i sav a r i a b l e s p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c yw i n dp o w e rs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s eo fw i n dp o w e r c a p a c i t y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a p t u r et h el a r g e s tw i n de n e r g ya n di n c r e a s ew i n d e n e r g yu t i l i z a t i o n b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h el a r g e s tw i n de n e r g yc a p t u r e ， c o m b i n i n gt h em a x i m u mp o w e rt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d a n db a s e do nt h ea b s o r p t i o n o ft h e s er e s u l t s ，p a p e rp r o p o s e san e wm a x i m u mp o w e rt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m a n dp r o v e st h e o r e t i c a l l yt h a ti tc a nb er e a l i z e d i na d d i t i o n ，i nt h ed i r e c t d r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sw i n dp o w e r s y s t e m ，a m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h eg e n e r a t o ro u t p u tv o l t a g ea r ec h a n g i n gw i t h t h ec h a n g eo fw i n ds p e e d ，a n da r en o td i r e c t l yt ot h eg r i d c o n t r o ls t r a t e g i e so f n e t w o r k - s i d ec o n v e r t e ra r es t u d i e di nd e t a i l d u a l 1 0 0 pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h e g r i dv o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li sp r o p o s e d t oi l l u s t r a t et h ei m p o r t a n tr o l eo ft h e v o l t a g eo u t e rl o o p ，s i n g l e l o o pc o n t r o lm o d e lb a s e do nt h eg r i dv o l t a g eo r i e n t e d v e c t o rc o n t r o li se s t a b l i s h e d t of u r t h e ra n a l y z et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e as i m u l a t i o n m o d e l i se s t a b l i s h e di nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a td u a l 1 0 0 pc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h eg r i dv o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lc a n m a k et h es y s t e mr u ni n u n i t yp o w e rf a c t o r d cv o l t a g el o o pi nt h ea c t i v ep o w e r c h a n n e lc a nk e e pd cs i d ev o l t a g eo ft h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w mr e c t if i e r c o n s t a n t b a s e do nt h et h r e ep h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , t h ep o w e r f l o wd i r e c t i o no fn e t w o r k s i d ec o n v e r t e ri sa n a l y z e d c o m p o n e n t s a n db a s i cc o n t r o l p r i n c i p l e so fd i r e c tp o w e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nh y s t e r e s i sc o m p a r a t o ra r ea n a l y z e d an e ws w i t c h i n gv e c t o rt a b l eb a s e do nt h ep r e s e n ts w i t c h i n gv e c t o rt a b l ei s e s t a b l i s h e dt oo p t i m i z et h ec o n t r o ls y s t e m b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s i ti s f o u n dt h a td i r e c tp o w e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h en e ws w i t c h i n gv e c t o rt a b l eh a s g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dl o w e rp o w e rf l u c t u a t i o na n dc u r r e n td i s t o r t i o n k e yw o r d s ：d i r e c t d r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sw i n dp o w e r ，m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，g r i dv o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o l ，d i r e c tp o w e rc o n t r o l ， s w i t c h i n gv e c t o rt a b l e 江苏大学硕士学位论文 目录。 第一章绪论1 1 1 风力发电变流技术研究的背景和意义l 1 1 1 世界风电的发展概况1 1 1 2中国风电的发展概况2 1 2 并网风力发电技术3 1 2 1速度控制技术发展现状3 1 2 2 并网变流机组发展现状5 1 3 直驱式风电机组全功率并网变流技术的研究现状6 1 3 1 直驱式p m s g 机组( 群) 一6 1 3 2 直驱式全功率变流器方案简介一7 1 4 论文的主要内容9 第二章直驱式永磁同步风力发电系统11 2 1 概述11 2 2 风力发电1 1 2 2 1风速特性及风能密度1 1 2 2 2 风功率12 2 2 3风力发电机组的特性13 2 2 4 风力发电机组的最大风能捕获原理1 6 2 3 最大功率跟踪控制算法一18 2 3 1现有的最大功率跟踪控制算法18 2 3 2 改进的最大功率跟踪控制算法1 9 2 4 本章小结2l 第三章直驱式永磁同步风力发电系统变流器2 3 3 1 概j 鲞2 3 3 2 网侧变流器工作原理及数学模型2 4 3 2 1三相电压源型p w m 整流器的工作原理2 4 3 2 2 三相电压源型p w m 整流器在静止坐标系下的数学模型2 7 3 2 - 3 三相电压源型p w m 整流器在dq 同步旋转坐标系下的数学模型3 1 江苏大学硕士学位论文 3 3 电机侧变流器3 5 3 3 1三相桥式不可控整流电路3 5 3 3 2升压斩波电路3 5 3 4 本章小结3 8 第四章直驱式p m s g 系统变流器控制策略分析3 9 4 1 概j 签3 9 4 2 电网电压定向矢量控制3 9 4 2 1电网电压定向矢量控制概述3 9 4 2 2电网电压定向矢量控制的理论基础3 9 4 2 3电网电压定向矢量控制的双闭环控制模型4 1 4 2 4电网电压定向矢量控制实验仿真4 3 4 3 直接功率控制策略一4 7 4 3 1三相电路瞬时无功功率理论4 7 4 3 2 直接功率控制基本原理4 9 4 3 3改进的开关矢量表及作用效果对比分析5 8 4 3 4 直接功率控制仿真研究6 3 4 4 本章小结6 6 第五章结论与展望一6 8 致谢一7 0 参考文献一。7 1 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1风力发电变流技术研究的背景和意义 随着全球经济的不断发展和世界人口的不断增长，各幽对能源的需求也不断 增长。当下的能源结构中，化石能源如煤、石油、天然气还是主要的能源，另外 还有核能、水能，其他的可再生能源，但只占微乎其微的一部分。众所周知，化 石能源具有不可再生性，随着全球能源的不断消耗，其储量正日剧减少，因此发 展可再生能源成为解决世界能源危机的必由之路。 风能作为一种清洁、无污染的可再生能源，蕴量巨大，全球的j x l 能约为2 7 4 1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 1 0 7 m w ，比地球上可开发利用的水能总量 还要大1 0 倍，越来越受到1 兰界各国的重视。 自1 9 9 0 年以来，风力发电装机容量占电力需求的比例在不断上升，许多国家 都制定了雄心勃勃的风力发电规划。 在1 9 9 3 - 2 0 0 3 年这段时间内，全世界的风力发电容量每年平均增长速度为 3 0 。2 0 0 3 年全球总的风电容量达到4 0 g w 。 2 0 0 6 年，全球风力发电能力比上年增长了2 5 6 1 ，达到7 4 2 2 3 g w 。 2 0 1 0 年，全球风能发电能力翻了一番，达到1 4 9 5 g w 。 在欧洲，风能协会和绿色和平组织签署的风力1 2 9 报告指出，n 2 0 2 0 年全 球的风力发电装机容量将达到1 2 0 0 g w ，风力发电总量占全球发电总量的1 2 1 引。 美国电力科学研究院估计，n 2 0 2 0 年风力发电将从现在的低于美国电力需求1 增加到1 0 。海上风电场正带来能源市场的新发展。现在已经建立了许多海上风 力发电场，有更多的单个容量超过3 0 0 m w 的海上风力发电场f 在建设中或正在 计划阶段。在许多国家这些新建的风力发电场中，3 m w 的风力机正在变成常用 的安装容量，对于大型的海上风电场现在已经可以采用5 m w 的风力机，7 m w 的 风力机正处于样机测试阶段。国际能源专家预言：2 1 世纪是风力发电的世纪。绿 色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来希望。 可见，风能已经不再是可有可无的能源，而风力发电也已经成为最具有商业 发展前景的新型产业。 1 1 1 世界风电的发展概况 从全球的风电发展概况看来，欧洲一直在风力发电市场上处于领导地位。预 江苏大学硕士学位论文 计十多年后欧洲将近一半的人口将会使用风电。同时欧洲风能利用协会将在欧洲 的近海岸地区进行风能的开发利用，预计n 2 0 2 0 年风力发电能够基本满足欧洲居 民的全部用电需求f 6 1 。表1 1 给出 2 0 0 7 年累计风电装机最多的十个国家【2 j 1 5 j 。 2 0 0 5 年新增1 1 ，4 0 7 m w ( 1 1 0 0 力k w ) ，累计5 9 ，2 6 4 m w ( 6 0 0 0 万k w ) 。风 电增长率比其他电源增长率高的趋势仍在继续。1 9 9 9 - 2 0 0 5 年的年平均增长率为 3 0 。 其中，德国是世界风电最为爆炸性的增长的国家，至u 2 0 0 6 年底，风力发电总 装机容量达至i j 2 0 6 2 2 g w ，约占世界风力发电总装机容量的1 3 。近期，德国所拟 定的风电发展长远规划指出：n 2 0 5 0 年左右实现风电量占总用量的5 0 左右1 6 j 。 最近几年来，北美地区的风电产业也发展迅速，2 0 0 6 年底，美国的风电总装 机容量达到1 1 6 0 3 g w ，新增装机容量为列世界第一。由美国能源部与国家可再 生能源实验室资助的在研项目的目的是，n 2 0 l o 年将风力发电的成本降低到3 美 分k w h 。不仅如此，美国计划n 2 m 5 年风力发电容量达到1 2 g w 。加拿大魁北 克水电公司计划在2 0 0 6 - - 2 0 1 2 年之问新增风电容量1 g w 。 1 1 2 中国风电的发展概况 在风力发电方面，同世界风电强国相比，中国的风力发电事业起步比较晚。 至1 j 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 i 引。“十一五”期问，我国的风电事业得到迅速发展。 截至2 0 0 5 年底，中国已建成风电场6 1 个，安装风电机组1 8 6 4 台，装机容量达 到1 2 6 5 g w ，居世界第7 位，亚洲第2 位。 2 0 0 6 年1 月1 同，可再生能源法生效，从理论上说，这为中国发展可再生 能源，包括建立一套风电价格机制以促进风电发展，提供了法律框架，中国也将 2 0 2 0 年风电发展目标从原来的2 0 g w 提高到3 0 g w 。 2 0 0 6 年1 1 月，我国风电发展己进入快车道。 2 0 0 6 年底，我国共建成j x l 电场1 0 0 多个，风电装机容量已达2 6 g w ，跃居世 界第六位。我国计划在东部沿海、西北、华北和东北建立几十个1 0 0 m w 的风电 场，形成若干1 g w 的风电基地。根据国家发展改革委员会可再生能源中长期 发展规划中提出的目标，中国的风电装机至u 2 0 1 0 年达到4 g w ，2 0 1 5 年1 0 g w ， 2 0 2 0 年3 0 g w ，届时风电装机占全国电力装机的2 。为了实现这一目标，至少需 2 江苏大学硕士学位论文 要兆瓦级风力发电机4 0 0 0 2 0 0 0 0 台，可见市场需求巨大。我困的内蒙古、宁夏、 甘肃、黑龙江、辽宁、山东、福建等地区，风力发电事业j 下风风火火地进行着。 2 0 1 0 年后，中国将成为国际风能市场的中心，也可能成为风力发电市场的制 造中心。 表1 12 0 0 7 年累计风电装机最多的十个国家( m w ) 德国美国两班牙印度中国 2 2 ，2 8 0 1 6 ，8 8 01 4 ，7 1 07 ，8 5 05 ，8 8 0 丹麦意人利 法国英国 葡萄牙 3 ，0 9 02 ，7 2 02 ，4 7 02 ，3 9 02 ，1 5 0 1 2 并网风力发电技术 风力发电并网变流机组由塔架结构、具有两片或者三片叶片并连接在轮毂上 的风轮机、发电机、变流器及其控制系统、输变电装置和其他机械装置组成。风 力机的作用是将风能转化为机械能，而发电机的作用是将转化来的机械能转化为 电能。变流器则通过电能变换将发电机输出的能量馈入电网。并网运行的风电技 术是2 0 世纪8 0 年代兴起的一项新能源技术，一出现就受到了世界各国的高度重 视，因而迅速实现了商品化、产业化。特别是随着空气动力学、永磁材料、发电 机技术、计算机技术、电力电子技术、控制技术等的发展，风电技术也有了比较 迅速的发展，单机容量不断增大，从最初的数十k w 级到现在的m w 级。 大型的风力发电机组对系统运行的可靠性、风能利用效率、电能质量等提出 了更高的要求，相应的速度控制技术不断发展，进步。下面介绍速度控制技术的 发展现状。 1 2 1 速度控制技术发展现状 在风力发电技术方面，世界上流行的风电技术大体上可以分为恒速恒频和变 速恒频两大类。恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统，利用感应发电机进行发 电，不论风速如何变化，风轮转速( 通常为同步速附近) 都保持恒定，以实现发 电频率的恒定。而变速恒频系统是将电力电子技术、矢量控制技术和微机信息处 理技术引入到发电机的控制中，风力发电机组变速运行，即叶轮转速跟随风速的 变化而变化，以保持最佳叶尖速比。 ( 1 ) 恒速恒频机组 图1 1 给出了上世纪8 0 年代和9 0 年代初比较经典的并网恒速恒频风力发电机 江苏大学硕士学位论文 组的结构简图1 7 1 1 8 1 。单机容量一般都不大，大都采用异步风力发电机，其中鼠笼 异步发电机应用最为广泛。由于电网频率恒定，异步电机转差变化范围不大，因 此在风速不同的情况下，发电机转子转速近似不变。由于叶轮转速很低，一般不 超过5 0 r m i n ，因此在叶轮与发电机之问需要设置增速箱。 恒速恒频系统的优点在于：结构和控制简单，电机结实可靠，电气部分成本 低。缺点在于：风力发电机组转速不能随风速变化而变化，风能利用率低。 当风速突变时，巨大的风能变化将通过叶轮传递给主轴、齿轮箱、发电机等部件， 在这些部件上产生很大的机械应力，影响电网的稳定性。并网时可能产生较大 的电流冲击。传动装置噪声大，损耗高，维护费用高。 风 i 电网 异步发电机 叶轮 定子绕组 ，n 电机 图1 1恒速恒频风力发电机组结构简图 ( 2 ) 变速恒频机组 在j x l 力发电系统中，风速经常变化而叶轮转速不变，风能利用系数c d 值往往 偏离最大值，风力发电机组常常运行于低效状态。随着风力发电系统单机容量的 增大，追踪最大风能捕获，提高风能利用率，是提高整个风力发电机组运行效率 的当务之急。变速恒频风力发电系统应运而生。与恒速机组相比，其优点在于： 能最大限度捕获风能。变速运行时，风力发电机组以最佳叶尖速比运行 在最大功率点处，提高了风力发电机组的运行效率。 通过现代控制技术和电力电子技术，可以对发电机输出的有功功率和无 功功率进行独立调节。这样，在实现了最大风能捕获的同时，还可以调节风电机 组输出功率因数，提高了风电机组输出的电能质量。因此，可以说，变速恒频发 电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易。 能吸收阵风能量，使风力发电机的寿命延长。当风速由高向低变化时， 高速运转的风轮的能量释放出来转化为电能输送给电网。 4 江苏大学硕士学位论文 变桨距调节简单。变速运行可以将阵风能量转变为风轮转速的变化，因 而放宽了对桨距控制响应速度的要求。 噪声小。 尽管变速机组需要在电力电子变流装置上增加成本，而且控制系统较为复 杂，但瑕不掩瑜，变速恒频风力发电技术在大型风力发电中得到了普遍的应用。 1 2 2 并网变流机组发展现状 2 0 世纪9 0 年代以前，并网风电机组基本上都是异步电机并网机组1 9 1 。这种类 型的风电系统属于恒速系统。其特点是：只有在电机转速超过同步速时，异步电 机才向电网回馈能量。缺点是：效率不高，容量不大。优点是：价格低廉。 2 0 世纪9 0 年代以后，出现了双馈电机并网发电机组1 9 】，如图1 2 ( a ) 所示。 电机的定子绕组通过变压器与电网相连，电机的转子与叶轮之间通过齿轮箱进行 耦合。与异步电机并网机组不同的是，双馈电机并网发电机组属于半变速系统。 其特点是：转子绕组通过背靠背变频器和电网进行连接，使得双馈电机并网发电 机组可以在一定大小的风速范围内实现变速恒频运行。优点是：双馈电机转速 调节范围较宽，网侧功率控制能力较强，效率较高；叶轮可以做大。目前来看， 大约8 0 的市场份额由双馈电机并网机组占据。 再后来，就出现了直驱式永磁同步风力发电( p e r m e n a n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，p s m g ) 机组，如图1 2 ( b ) 所示。这种机组不仅克服了 双馈电机并网发电机组的缺点，而且可以实现全变速运行。 一方面，双馈电机并网机组需要复杂的升速齿轮箱，齿轮箱的升速比约为 6 0 , - 一7 0 ，结构复杂，造价高，故障率高，维护困难，是机组的薄弱环节。特别是 在采用大的叶轮后，叶轮的转速相对减小，而输出功率却大于小的风轮，齿轮箱 的输入转矩明显增加。这就使得齿轮箱的设计、制造和维护难度陡然增加。而直 驱式风力发电机组，风轮直接与发电机连接，去掉了齿轮箱，简单而彻底地解决 了这一难题i 1 0 1 。 另一方面，直驱式风电机组采用全功率交一直一交功率变换装置，成本上要高 于双馈电机并网机组中的背靠背变频器。但通过全功率变换，直驱式风电机组可 以全变速运行，进一步增加了风电机组的灵活性和可控性。 总而言之，直驱型机组的特点和优点在于：第一，机组中常采用多级永磁同 5 江苏大学硕士学位论文 步发电机，同步转速低，电机转子可与风力机直接相连，无需齿轮箱进行转速匹 配，机组噪声降低，能量转换效率提高；第二，永磁同步发电机运行效率高，且 不存在滑环和电刷，维修减少，机组的可靠性显著提高；第三，电机定子绕组通 过全功率变流装置接入电网。 现在，基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组和基于永磁同步发电机的直接 驱动型机组成为主流的并网变速恒频风电机组】。直驱型风力发电机组以其显 著的优点，近年来得到了国内外科研人员的广泛关注，成为目前风力发电技术领 域的重要发展方向1 1 2 l 【1 3 1 【1 4 1 。 桨叶 ( a ) 双馈型风电机组 桨叶 ( b ) 直驱型风电机组 图1 2 主流的并网变速恒频风电机组拓扑图 1 3 直驱式风电机组全功率并网变流技术的研究现状 1 3 1 直驱式p m s g 机组( 群) 直驱式p m s g 机组的结构简图如图1 3 所示。由变浆距叶轮直接驱动永磁同步 发电机。发电机的输出先经整流器变为直流，再经绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 逆变器将电能送到电网。通过中间电力电子变换环节，对系统有功功率和无功功 率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。对风力发电机工作点的控 制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风力 机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化， 6 江苏大学硕士学位论文 有利于最大限度地利用风能，而恒频恒压并网则由整流逆变系统完成。 图1 3直驱型永磁同步发电机组的结构简图 直驱式p m s g 机组群系统的结构简图如图1 4 所示。每一台发电机机端只配置 有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组( 群) 的并联 运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流 母线的直流电转换成5 0 h z 的交流电，直接并入当地电网使用，也可经变压器升 压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。 图1 4 直驱式永磁同步发电机组群的结构简图 1 3 2 直驱式全功率变流器方案简介 对于直驱式风力发电机组所需要的全功率电力电子变换装置，人们已经提出 了多种方案。为便于分析，通常将电网侧变流单元称为网侧变流器，将发电机侧 变流单元称为电机侧变流器。 图1 5 给出了最经典的形式，也是目前风电系统中常见的一种拓扑结构，即 电机侧变流器采用三相p w m 整流器，电网侧变流器采用三相p w m 逆变器，形成 7 江苏大学硕士学位论文 双p w m 背靠背形式的电力电子变换装置。 图1 5p w m 整流器后接电压源型p w m 逆变器型拓扑结构一 p w m 整流器后接电压源型p w m 逆变器型变换装置是常用的全功率变流器。 能量可以双向流动。不控整流桥的非线性特性，使整流桥输入侧电流畸变很严重， 采用p w m 整流技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流，通过解耦控 制，可以实现电机的单位功率因数运行。但是前端的p w m 整流器会大大提高系 统的成本。一般只有在小功率系统中采用。 图1 6 给出了第二种形式的拓扑结构。电s j l n 变流器用不可控整流器代替三 相p w m 整流器。在本方案中，发电机输出电压直接影响到直流环节的电压，因 此在发电机低速运转时，直流环节的电压大小将难以满足三相电压型p w m 逆变 器的工作要求。 一匕一匕一匕去 j 、，气，、一 一 = l _ ，v ，、一 3 g - z - _ j 亡】_ _ v v 、一 一e亭一e亭一e丰 网 图1 6 永磁同步风电机组拓扑结构二 图1 7 给出了现有研究主流形式的拓扑结构。在第二种拓扑结构的基础上加以 改进，即在直流环节中加入升压斩波器，使系统能够在低风速下正常运行。 8 江苏大学硕士学位论文 卜i 一匕一匕一e 一一i 阻一 l v 、，、。一 3 鲑 z = 1 b，一 =_ j - c 丁 忆 - 丰一e丰一e亭 网 图1 7 不控整流接直流侧电压稳定的p w m 电压源型逆变器拓扑结构三 在实际应用中，大功率直驱系统中一般采用不控整流接直流侧电压稳定的 p w m 电压源型逆变器拓扑结构。图中，可以看出整个系统通过增加一级b o o s t 升 压斩波电路将逆变器的直流母线电压等级提高并稳定在比较合适的范围，从而使 逆变器的调制深度范围好，。 总而言之，整个系统通过增加一级b o o s t 升压斩波电路，使得开关管的利用 率高，提高了运行效率。 此外还有其他一些方案，例如电机侧变流器采用不控整流器，电网侧变流器 采用电流源型逆变器的拓扑结构等等。课题以采用第三种形式拓扑结构的直驱式 p m s g 机组为研究对象。 1 4 论文的主要内容 作为当前主流的变速恒频机组，直驱型风电机组以其显著的优点成为我国风 电领域重要的研究和发展方向。论文围绕变流器拓扑结构为不控整流加升压斩波 再加直流侧电压稳定的p w m 整流器的直驱型风电机组进行研究，目的是为以后 的研究工作提供理论和实践基础。 论文的主要研究内容包括以下几点： ( 1 ) 分析了风功率，风力发电机组对风能的利用率，以及最大风能捕获原 理，在现有最大功率跟踪控制方案的基础上提出了一种新的最大功率跟踪控制算 法，该算法从理论上证明了可实现性。 ( 2 ) 分析了网侧变流器即三相电压源型p w m 整流器的基本工作原理，给 出其在abc 静止坐标系、ap 静止坐标系、dq m 步旋转坐标系下的数学模型，为 后续章节控制策略奠定基础。电机侧变流器由三相不控整流加升压斩波组成，电 路简单，简单分析了工作原理，给出了数学模型，便于从整体上把握变流器。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 详细分析了电网电压定向矢量控制原理，建立了双闭环模型：为了分 析电压外环对整个双闭坏控制不可或缺的重要影响，建立了单闭环模型，对比仿 真，分析得出双闭环较单闭环，具有电压外环，控制性能优越。在瞬时无功功率 理论的基础上，分析了网侧变流器的功率流动方向。在分析采用滞环比较器的直 接功率控制原理及控制系统组成部分的基础上，重点分析了作为控制系统核心的 开关矢量表的作用。在传统的开关矢量表的基础上，建立了新的开关矢量表。通 过仿真研究给出仿真结果，对比分析得出采用新的开关矢量表，系统的动态性能 得到明显改善。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章直驱式永磁同步风力发电系统 2 1概述 直驱式p s m g 系统采用了多极交流永磁同步发电机，交流发电机直接与叶轮 相连，无升速齿轮箱，成为无齿轮直接驱动系统，简称直驱系统。直驱式p m s g 变速恒频机组总体结构示意图如图2 1 所示。 永磁同步风力发电机发出电压与频率随风速变化的交流电，通过不控整流电 路变换为直流，经大电感滤波后，获得比较平稳的直流电压。该直流电压经升压 斩波电路，为逆变电路提供幅值恒定的直流电压。该直流电压经逆变电路逆变成 与电网同频率的电能后并网。整个系统省去了传动机构齿轮箱，大大降低了系统 的成本，控制结构比较简单，从而增加了系统的可靠性，因而引起了广泛的关注。 图2 1 直驱式p m s g 变速恒频机组总体结构示意图简图 2 2 风力发电 风力发电以风作为原动力，叶轮在风的作用下转动。风速直接决定了风电机 组的动态性能。 叶轮的作用是将风能转化为机械能。当它旋转时，与它相耦合的发电机旋转， 电能就传送到与发电机相连的电路。 2 2 1 风速特性及风能密度 风速是描述风特性的重要参数之一。风速是表示风移动的速度，即单位时间 空气流动所经过的距离，用r n s 表示。图2 2 形象地给出了风的种类。o 3 s 、7 l5 s 以及2 0 - - 一3 0 s 为基本风，风速为5 m s 和7 m s ，起主要作用；3 - - 一7 s 为一个风速增 江苏大学硕士学位论文 加量为2 m s 的阵风，1 5 - 2 0 s 为渐变风，风速由5 m s 渐变到7 n 1 s ，随机风速的范 围为o 6 m s 1 2 2 1 。 8 邑6 4 t | s 图2 2 风的种类 风速的变化和分布有一定的规律可循的【15 1 。风速可以分解为缓慢变化的分 量和快速变化的分量1 1 6 1 17 1 。在一定的时间内，风速的平均值可以认为是不变的， 这个平均值就是缓慢变化的分量。如人们常取1 0 分钟风速的平均值来进行研究， 通过长时问的风速观测，用该平均值来估计观测地风力资源的状况。 2 2 2 风功率 当把风功率理解为单位时间内流过流面的空气质量所具有的动能时，风功率 与风速的三次方关系就得以证明。 如果，m 为“- d , 团儿”空气的质量，1 ，为这团儿空气的速度，p 为空气的密度， 那么，这团儿空气的动能 e = 1 2 m v 2( 2 1 ) 而空气流量 m + = q m = 0 4 一d x t i t = p a _ i ，( 2 2 ) =2 2 _ i ，l z z j 与风速成正比。由此可得功率( 单位时间的能量) 为 p = ，= 1 2 q m v 2 = 1 2 p a v 3 ( 2 3 ) 因而，速度为v 的风流过面积为a 的流面时，风中所蕴含的功率为 p = 1 2 p a y 3 ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可以看出，风功率与空气密度p ，叶轮扫掠面棚以及风速v 的三 次方成正比。而且，由于叶轮扫掠面积与半径平方成正比，因而风能与叶轮半径 平方成正比【1 8 】【l9 】。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 风力发电机组的特性 ( 1 ) 风力发电机组对风能的利用效率 尽管风能与风速的三次方成比例，但是风力发电机组不能将风功率完全用来 发电。图2 3 中，当初始速度为1 ，的风，通过旋转面积为彳的风轮时，速度降低， 风轮面的风速为v b ，流过风轮之后在远离风轮面后的风速为v d ，动能的一部分被 提取出来。 风轮面的风速 流过风轮之后 在远离风轮面 叫厉的风速 图2 3水平轴风力机风能利用情况 所提取的功率 f = 1 2 m + ( 伊一v d 2 )( 2 5 ) 当已矢r l v b 时，就可求得流量，即 m = p a v b ( 2 6 ) 不妨在此引入一个合理的假设，即 v b = ( v + ) 2( 2 7 ) 将式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 代入式( 2 5 ) 中，得到： f - - 1 1 2 p a ( v - f v d ) 2 ( 1 , 2 - - v d 2 ) = l 2 p a v 3 1 2 ( 1 + ) ( 1 - - , u 2 ) ( 2 8 ) 其中，= 1 ，。 式( 2 8 ) 中，1 2 p a y 3 是风功率，中括号里面的是风力发电机组从风中提取的 功率的系数，被称为风力发电机组的功率系数，或风能利用系数，记为c p ，即 c p = 1 2 ( 1 + ) ( 1 - - , u 2 ) c p 是关唧的函数，对c p 关于弘求导，并令导数等于零，可知：当= 1 3 ，也 即v d v = 1 3 l f j ，c p 取得最大，且最大值为1 6 2 7 o 5 9 3 ，记为c p m 戤o 5 9 3 1 5 1 。 g 是风力发电机组从风中捕获的机械功率与通过桨叶旋转面的全部风能的 1 3 江苏大学硕士学位论文 比例，直接反映风力发电机组对风能的利用率。一台给定的风力发电机组，不管 c p 的最大值是多少，都必须要保持c p 不变。 ( 2 ) 风力发电机组的基本特性 由式( 2 8 ) 知，风力发电机组从风中捕获的机械功率p i 。满足 p i n = l 2 c p p a v 3 ( 2 9 ) 根据空气动力学原理以及试验证明，风力发电机组的功率系数c d 是叶尖速比 五和桨叶节距角( 简称桨距角) ) ，的函数1 6 】1 2 0 】，即 c p = c p ( 五，) ，) ( 2 1 0 ) 据前所述，理想桨叶的最大风能利用效率为c p m 缸= 1 6 2 7 , - 0 5 9 3 ，但是受到实际 限制可能是0 5 ，一般仅达n o 4 7 。c p 值达n o 4 以上被认为是很好的。 桨距角) ，攻角仅和叶尖速比a 是风机运行的重要参数，其中，桨距角) ，为叶片 翼弦与桨叶旋转面的夹角，攻角a 为叶片翼弦与来流方向的夹角，二者之间的位 置关系如图2 4 所示。 翼 片旋转面 j 米流方向 图2 4 桨距角。攻