（电力电子与电力传动专业论文）基于直接转矩控制的风力发电系统电机侧变流器研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h ei n d i s p e n s a b l ea c c e s st ot h es h o r to ft r a d i t i o n a le n e r g ya n dt h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，w i n dp o w e ri su s e dm o r ea n d m o r ei nt h ew o r l dr e c e n t l y t h i s t h e s i si sap a r to ft h ep r o j e c to f1 5 m ww i n dp o w e rg e n e r a t i o ne n e r g yc o n v e r s l o n s y s t e mw h i c hi sa p p l i e dt ot h ev a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y w i n dp o w e rs y s t e m ( v s c f ) t h ef o c u s i so nt h ec o n t r o lm e t h o do fg e n e r a t o r - s i d ec o n v e r t e ri nt h ep o w 盯 c o n v e r s i o ns y s t e m t h es t a t eo fw i n dp o w e ri ss u m m a r i z e d ，a n da l lk i n d so fv s c ft e c h n o l o g i e sa r e d r a w nt oc o m p a r i s i o n s t h ed i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m i n c l u d s 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 ( p m s g ) ，g e n e r a t o r - s i d e c o n v e n e ra n d 酊d s i d ec o n v e r t e r t h eg e n e r a t i o n - s i d ei n v e r t e r a n di t sc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r e a n a l y s e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fp m s g i nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e ma r e e s t a b l i s h e d i l lt h i st h e s i st h eb a s i cp r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sa n a l y z e d s o m ek e yp r o b l e m s a r es o l v e di n c l u d i n g d e t e c t i n gt h e r o t e ri n i t i a lp o s i t i o n ， c o n s t r u c t i n g t h ev e c t o rt a b l eu n d e rg e n e r a t o rm o d e la n dc o u n t i n g f l u xl i n k a g e r e f e r e l l c e t h ed t cs y s t e mo fp m s g w i t h o u tt h ep o s i t i o ns e n s o ri sp r o p o s e d a i m i n g a tt h ep r o b l 锄so fc o n v e n t i o n a ld t cs y s t e m ，f o re x a m p l et h er e s i s t a n c ev a r i e t y , t h e n u xi n t e g r a ls a t u r a t i o na n dt h es w i t c hf r e q u e n c yv a r i e t y , a m e l i o r a t i v em e t h o d sa l e p r o p o s e d b e c a u s et h e r ei s n op o s i t i o ns e n s o ro i lt h er o t o r , t h ep o s l t l o ns e n s o r - l e s s t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d 1 1 1t h i st h e s i st h ec o n t r o lm e t h o do fg e n e r a t o r - s i d ec o n v e r t e rb a s e do nd t c t h e o r yu s e di nt h ed i r e c t d r i v ew i n dp o w e rs y e t e mi s r e s e a r c h e d i nt h es i m u l a t i o n c i r c 啪s t a n c e t h ea d v a n c e df l u xo b s e r v e ra n dc o n v e n t i o n a lf l u xl i n k a g ei n t e g r a l a l e c o m p e r e dw i t he a c ho t h e r t h em e t h o do fr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t eb a s e do ng e n e r a t o r a n t i e l e c n o m o t i v ei s e f f e c t i v e a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n tr o o fi sb u i l t ，a n d t h ec o n t r o l p r o g r a mi sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ea n a l y s i si nt h i s t h e s i s k e yw o r d s ：d i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；g e n e r a t i o n - s i d ei n v e r t e r ；p m s g ； d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ； c l a s sn o ： v i l 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= 作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证j 1 5 而使用过的材料。与我一同： 作的同志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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采刚影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 石磊 导师签名： 翻啤 签字日期：) 口d 净7 月金日 签字日期：彻弦予年7 月z - e l 致谢 本论文的工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢 两年来梁老师对我的关心和指导。梁老师严谨的作风、正直的为人、宽广的胸怀、 渊博的专业知识和丰富的实践经验也将对我的将来产生深远的影响，并使我终身 受益，在临近毕业之际，特向梁老师表示最诚挚的敬意和感谢! 在平时的理论学习、实验调试阶段，得到了实验室刘纯金、殷振环同学的热 情帮助，在此向他们表示由衷的感谢；在仿真及实验调试过程中，还得到了师兄 胡敬之同学的帮助，在此向他表示感谢；在撰写论文期间，实验室同学赵新、刘 春海和徐家园等同学均提出了宝贵意见，使笔者获益良多，一并表示感谢。 最后，感谢原宇博和她的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 学业。衷心感访十我的父母，他们的关爱使我健康成长。 1 1 风力发电概述 1 引言 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础，随着经济全球化与人口数量不 断增长，能源需求同益增加，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。 一方面，煤炭、石油和天然气等化石燃料的储量日趋枯竭；另一方面，大量使用 化石燃料对自然环境造成严重的污染和破坏。如何在满足能源需求的i j 提下，保 护好我们赖以生存的自然环境，成为了人类必要妥善解决的重大问题。人类正在 努力寻求清洁、高效的可再生能源来减轻对石油、煤炭等常规能源的依赖程度。 可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物能和地热能等，对环境没有副作用或 者副作用相对较小。开发利用可再生能源成为世界可持续发展战略的重要组成部 分，成为大多数发达国家和部分发展中国家2 1 世纪能源发展战略的重要选择。 近二十年来，风能的开发同益受到重视，风力发电技术逐渐成为科研人员研 究的热点。从现有的条件来看，风力发电无疑是最有潜力的绿色能源。风力发电 和其他能源形式相比具有很多优点，风能是一种无污染的可再生能源，它取之不 尽，用之不竭，分布广泛，而且完全免费。风场的建设对自然环境的影响很小， 风力发电机组在生产过程中几乎不排放任何对环境有害的物质。我国正处于经济 高速发展的时期，能源消耗与环境保护的矛盾突显，大力发展风力发电产业正是 实现“建设资源节约型，环境友好型社会 这一目标的重要途径之一。 根据全球风能理事会( 6 w e c ) 公布的最新数据，从1 9 9 6 年起，全球累计风电 装机连续1 2 年增速超过2 0 ，平均增速达到2 8 3 3 。截至2 0 0 7 年，全球新增风 电装机容量为2 0 ，0 7 3 m w ，增长3 2 1 。美国( 5 ，2 4 4 m w ) 、西班牙( 3 ，5 2 2 m w ) 及中 国( 3 , 4 4 9 m w ) 位居前三名，2 0 0 7 年全球累计风电装机容量为9 4 ，1 1 2 m w ，增长 2 6 8 ，超出g w e c 之前预估的2 2 6 。其中中国2 0 0 7 年累计的风电装机容量已达 6 ，0 5 0 m w ，取代丹麦成为世界第五大风力发电国。 从地域区别来看，欧洲仍是风电最普及的区域，0 7 年的占比仍高达6 1 。但 是，亚洲及美国则是未来三年风电市场增长动力的主要来源。另外，北非及中东 地区的风电新增装机容量也迅速增长。值得一提的是，中国0 7 年风电总装机容量 及新增装机容量增幅分别高达1 3 2 3 及1 5 6 ，增长幅度同居世界第一位。 通过产业技术进步，风电的成本也持续下降。目前，在各种可再生能源之中， 风电的成本最低。国内的风电平均成本为o 5 0 元( k w h ) ，总成本费用已经接近 新投资的水电和火电。最近，世界风能理事会对进一步降低风电成本问题进行了 分析研究后，认为风电成本下降，6 0 依赖于规模化发展，4 0 依赖于技术进步。 过去的风电成本下降更多的是依靠技术进步，以后风电成本进一步下降则更多的 是依赖于规模化、系列化和标准化。世界风能理事会估计到2 0 2 0 年，陆上风机的 总体造价还可以下降2 0 - 2 5 ，海上风机的造价可以降低4 0 以上，发电成本可以 同幅下降。 我国的风电行业虽然起步比较晚，起点也比较低，但是在能源需求和环境保 护的双重压力下，加上行政政策方面给予的良好环境，风电行业在我国取得了极 快的发展，其过程大体可分为三个阶段。 第一阶段：1 9 8 6 - 1 9 9 0 年是我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是 项目规模小，单机容量小。在此期间共建立了4 个风电场，安装j x l 电机组3 2 台， 最大单机容量为2 0 0 k w ，总装机容量为4 2 1 5 万千瓦。平均年新增装机容量仅为 0 8 4 3 万千瓦。 第二阶段：1 9 9 1 1 9 9 5 年为示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建立了5 个风电场，安装风电机组1 3 1 台，装机容量为3 3 2 8 5 万千瓦，平均年新增装机容 量为6 0 9 7 万千瓦，最大单机容量为5 0 0 k w 。 第三阶段：1 9 9 6 年后为扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较 大，发展速度较快，平均年新增装机容量为6 0 1 3 万千瓦，最大单机容量为 1 5 0 0 k w 。 中国综合资源利用协会可再生能源专业委员会与美国国家可再生能源实验室 ( n r e l ) 合作，在联合国环境规划署( u n e p ) 的支持与资助下，对我国部分地区的 风力资源进行了详细测算。根据该测算结果推测，我国陆地可以安装1 4 亿千瓦的 风力发电装备，如果考虑海上，总资源量将达到2 0 亿千瓦以上。 总结一下世界范围和国内风力发电行业的发展现状，可以发现风电行业的发 展体现出了以下趋势： 1 风力发电机组单机容量继续增大，更具经济性。经过2 0 多年的发展，世界风电 商业化机组的单机容量已从2 5 k w 左右增加到7 5 0 k w 至2 5 0 0 k w 的水平。实验机 组的单机容量更大，2 0 0 5 年德国已研制出适用于海上风电场的5 m w 机组。 2 采用无齿轮箱直接驱动技术的风电机组的市场份额在迅速扩大。无齿轮传动提 高了风电转换的效率，减少了油品及其它材耗并降低了噪音，而且不易造成风电 机组故障。 3 变桨和变速技术更具发展优势。变桨矩调节能提供更好的输出功率品质，通过 控制发电机的转速，能够使风力发电机的叶尖速比接近最佳值，提高风力发电机 的运行效率。 4 永磁电机优势显著。直驱风电机组包括永磁和励磁两种发电机技术。与励磁电 2 机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机不仅具有结构简单、运行可靠、体积小、 质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，而且在 额定的低转速下输出功率较大、效率较高。 5 海上风电悄然兴起。海上风资源比陆地更丰富，风速更高更平稳，空气密度也 比较高，发电量比陆地高出2 0 - 4 0 。因此，风力发电强国都在悄然向海上发展。 现代风力发电系统由风力机、发电机、塔架、变流器及其控制装置、输变电装 置和其他机械装置组成。其中，风机将风能转化为机械能，发电机将机械能转化 为电能，电能经过变流器后馈送至电网。随着空气动力学、材料学、计算机技术 和电力电子技术等的不断发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量不断扩 大，从最初的几十千瓦向数兆瓦的级别发展。大型并网风力发电机组对系统运行 的可靠性、发电质量和风能利用率等提出了更高的要求。本节先简单分析风力机 的功率特性，进而介绍风力发电机组功率调节技术。 1 2 风机的功率特性及功率调节技术 空气动力学原理指出，通过风力机叶轮的能量不能全部被风力机吸收，由贝 兹公式可知，风力机可以吸收的功率为： “ 己= o 5 c 口( ，见) a p v j ( 卜1 ) 其中只是风力机可以吸收的功率，p 为空气的密度，a 是风力机扫过的面积，v 为风速，y 是桨距角，五是叶尖速比。为了反映风能利用率，定义风力机捕获的 能量和气流通过风力机扫掠面时所具有的动能的比风能利用系数c 。，这个系 数和风速、叶轮转速以及叶片的桨距角有关。理想的情况下q 一= 0 5 9 3 ，考虑 到实际情况并非理想，风力机的效率小于o 5 9 3 ，图1 1 给出了风力机功率特性 曲线。 为了表示风轮在不同风速中的状态，用风机叶片的叶尖圆周速度缈。与风速v 比值来衡量，称之为叶尖速比入，令桨叶半径为r ，则叶尖速比： 咒= ( o m r y ( 1 - 2 ) 功率系数q 是桨距角7 和叶尖速比兄的函数，在桨距角一定时，随着风速和风机 转速的变化，存在一个最优的叶尖速比使得功率系数达到最大；当叶尖速比一定 时，随着桨距角的增大，桨叶攻角减小，所对应的功率系数也呈下降趋势。 3 纂 篓 电，t w 耀r l u l h ) 图1 - 1 风力机的功率特性曲线 f i g 1 1p o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dt u r b i n e 功率调节是风力机的的关键技术之一，从已经投入运营的风力机来看，可以 分为定桨距调节和变桨距调节乜3 。 定桨距调节技术( s t a l lr e g u l a t i o n ) 。这种技术的基本原理是利用桨叶翼型本 身的自动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，即当风速过高于风力机额定风速 的时候，气流在叶片表面产生紊流，导致叶片的升阻比下降，风能利用效率降低， 以达到风力发电机输出功率基本不变的目的。其优点是：发电机组的功率调节由 桨叶完成，调节可靠简单，控制过程大为简化，制造成本低廉；缺点是：桨叶结 构复杂，失速特性不精确，难以向大功率机组发展。 变桨距调节技术( p i t c hr e g u l a t i o n ) 。这种技术是风力发电机组通过变距调节 机构，能够在不同的风况情况下根据风速调节叶片的攻角，按照最佳参数运行以 获得较高的输出功率，使得因风速变化而引起的输出功率变化大为减小，变桨距 风力机在一定风速范围内的输出功率是高于定桨风力机的。其优点是：桨叶受力 较小，整个机组的受力负荷也较小。缺点是：变桨距调节机构复杂，风轮叶片惯 性巨大，桨距调节失误会造成严重后果。 风力发电机组要实现风能的最大功率跟踪，必须根据风速的大小调节风机转 速，从而维持最优的叶尖速比。然而现代大型风力发电机组单片桨叶的重量就接 近甚至超过了一吨，面对如此巨大的惯性系统，仅仅依靠变桨距的方式来调节风 力机的转速，其性能显然是不能令人满意的。而且频繁的进行桨距调节，不仅增 大了控制的复杂性，也加重了系统的应力负担，使得老化加快，机组的服役年限 缩短。解决这个问题的思路是引入变流环节，将转速控制的一部分工作交给发电 机和变流器完成。只有当风速高于风机额定风速时，变桨机构才启动，在额定风 速以下时，就只调节发电机的转速来控制风机的转速。按照发电机速度控制方式 的不同，可以将并网机组分为两大类口4 l ，分别是恒速恒频机组( c o n s t a n ts p e e d c o n s t a n tf r e q u e n c y ) 和变速恒频机组( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ) 。 虽然恒速恒频技术组经过几十年的发展已经比较成熟，并在市场上占有一定 4 份额，但其缺点是很明显的，即无法与现代风力发电机组大型化的趋势相符合， 所以近几年变速恒频技术逐渐发展成熟起来，而且已经在兆瓦级风电机组市场上 占有较大的份额。这种调节方式从理论上讲是最优化的调节方式，可以在输出功 率低于额定功率之前使风机的效率达到最高。当输出功率高于额定功率，即风速 大于额定风速以后，再采用变桨距的调节方式。变速恒频风力发电机组一般采用 永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，发电机可以在较宽的转速范围内工作。 虽然这种方式对技术的要求高，控制结构复杂，但是变速恒频技术的效率高，动 态载荷小，将会是未来风力发电技术发展的方向。 1 3 变速恒频风力发电技术 采用变速恒频功率调节技术的风力发电系统具有以下优点： 1 风力机在不同的风速下有一个最佳运行转速，能最大限度的捕捉风能，同时风 力机的应力最小；。 2 风力机在较宽转速范围内运行，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化； 3 采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言可以起 到功率因数补偿的作用； 4 采用先进的脉冲宽度调制( p w m ) 技术，可以有效地抑制谐波，提高效率； 5 实现了发电机和电网的柔性连接，在电机投入和切除时对电网的冲击较小。 虽然相对于恒速恒频风力发电系统，变速恒频风力发电系统需要变速运行使 得电气控制系统变得复杂和昂贵，但是电气成本在大、中型风力发电机组中所占 比重并不大，而且能产生更多高质量电能输出并降低机械部分的成本。所以变速 恒频风力发电技术得到了越来越广泛的应用，成为了未来风力发电的主流趋势。 变速恒频风力发电系统有多种形式盯羽呻1 ，有的是通过发电机与电力电子装置 相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身的结构来实现变速恒频。不同 的方法有各自的特点，适用于不同场合。 交一直一交笼型转子异步发电机系统中，变速恒频控制是在电机的定子电路中实 现的，由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出频率 变化的交流电首先通过三相桥式整流器变换成直流电，然后通过逆变器变换为恒 定电网频率的交流电。这种系统在并网时没有电流冲击，可调节无功功率，但所 用变频器的容量和发电机的容量相同，笼型异步发电机造价低，结实耐用，但是 启动比较困难，功率因数也较低。 交流励磁双馈发电机系统采用绕线式转子双馈发电机，其定子直接并网，转 子由变频器提供三相滑差频率电流进行交流励磁。在追踪最大风能捕获的变速运 5 行中，随时调节励磁电流的幅值、频率、相位，使发电机能在同步转速上、下较 宽范围内实现输出电能恒频恒压。其优点在于其电机结构简单，成本低；既可单 机运行，也可并网发电；并网运行时，可像普通同步发电机那样，通过调节转子 励磁电流大小来改善电网功率因数；变频器容量小，系统容易设计与调整；变速 运行范围宽，既可超同步速运行，也可亚同步速运行。缺点是电机变量较多，控 制技术要复杂一些。 无刷双馈发电机系统采用的发电机为无刷双馈电机，其定子有两套极数不同 的绕组，一个是直接接入电网的功率绕组，另一个是通过双向变频器接电网的控 制绕组。其功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕 组和转子绕组，故其变速恒频控制策略可与交流励磁双馈方案相同，同样有着调 速范围宽、功率因数可制、变频器容量小的优点，而且发电机没有滑环和电刷， 提高了运行的可靠性，但是发电机的结构工艺较复杂，供货的来源比较少，价格 也较高。 开关磁阻式风力发电系统以开关磁阻发电机为机电能量转换核心，电机为双 凸极电机，定子和转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕 组也没有永磁体，故机械结构简单、坚固，可靠性好。开关磁阻发电机没有独立 的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过分时控制实现励磁与 发电，因而简化了控制系统结构，提高了可靠性。 直驱式永磁发电系统采用的发电机为永磁同步发电机，其转子为永磁体结构， 因而无需外部提供励磁电源，也就没有了滑环。其变速恒频控制是在定子电路实 现的，把永磁发电机发出的交流电通过电机侧变流器转变为直流形式，再经过网 侧变流器变为与电网同频的交流电，风轮机吸收的风能最后完全通过变流系统馈 送至电网，实现的是全功率变换。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接 耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提 高可靠性。 对比以上所提的方案，可以发现直驱式永磁发电机系统具有以下优点： 1 无需滑环和齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低； 2 消除励磁铜耗，功率密度高，转子惯性低，转子结构简单； 3 可实现有功功率和无功功率的单独调节； 4 发电机与电网柔性连接，并网无电流冲击，发电机工作频率独立； 虽然直驱式永磁发电系统是通过增加发电机和变流器的成本来获取系统效率 和运行可靠性的提高的，但是随着电机制造技术和电力电子技术的不断成熟发展 使得电机和变流器的成本逐步下降，所以从风电系统总体效益上考虑，直驱式永 磁发电系统将很有潜力成为未来的主流方案。 6 1 4 本文主要研究内容 本文以“十一五”国家科技支撑计划项目“1 5 m w 以上直驱式风电机组控制系 统及变流器的研制及产业化”为研究背景，重点研究的是发电机组的控制理论和策 略，主要进行了以下几个方面的研究工作： 第一章引言部分，概述了风力发电技术的现状和发展趋势，通过风力机的功 率特性引出了风力发电机组的功率调节技术，进而介绍各种变速恒频风力发电技 术。对其中的直驱式风力发电系统的原理作了简单分析。 第二章电机侧变流器及其控制技术，介绍了直驱式风力发电变流系统和 p w m 变流器的工作原理以及电机侧变流器的控制技术。详细推导了永磁同步发 电机的数学模型，包括在定子和转子坐标系下的电压、磁链和转矩表达式。分析 了发电机及电机侧变流器可以采用的不同控制目标，并加以对比。 第三章永磁同步发电机无位置传感器直接转矩控制系统，深入分析了直接转 矩控制理论用于发电机控制的原理，构造了发电模式下的矢量表，提出了电机侧 变流器启动时转子初始位置判断的可行办法。针对常规直接转矩控制存在的一些 不足加以分析和改进，进一步提高了系统的性能。最后对发电机的转子位置辨识 技术进行了研究。 第四章系统的仿真与分析，应用仿真工具m a t l a b s i m u l i n k 软件，对永磁同 步发电机直接转矩控制系统进行了仿真，仿真结果与理论分析相符。对改进型的 磁链观测器和基于反电势的转子位置估计法进行了仿真，说明了所提方案的有效 性，为实验调试打下了基础。 第五章实验结果与分析，介绍了实验平台，包括功率主电路和控制电路。详 细讲解了软件设计中关键环节的编写方法，给出了实验波形并进行分析，验证了 本文所提出发电机直接转矩控制系统是有效的。 第六章总结了本文的主要工作，对本文所采用的控制方法的有效性做出了结 论，同时指出文中的不足之处，并对后续研究工作进行简要介绍。 7 2 电机侧变流器及其控制 2 1 直驱式风力发电变流系统 直驱型风力发电系统不用增速齿轮箱，风力机与永磁同步发电机直接连接， 可以避免采用增速齿轮箱带来的诸多不利，如减少运行中产生的噪声和机械损耗， 提高风能的利用效率等。直驱型风力发电系统的优势还体现在整体效率高、可靠 性高、降低机组整体重量以及大大减少维护工作量等。由于以上诸多优点，采用 永磁同步发电机可以进一步提高风力发电的效益。近年来，性能优良的大功率电 力电子器件的不断涌现，促进了大型直驱发电机的研究和应用。直驱式永磁风力 发电机组代替传统风力发电机组是风力发电行业发展的趋势，具有广阔的发展和 应用前景例。 图2 1 所示的直驱式风力发电机组变流系统，系统主要由永磁同步发电机、 电机侧变流器和电网侧变流器构成，永磁同步发电机将桨叶吸收的风能转化为电 能，电能在形式上经过a c d c a c 变换后馈送至电网。其中的两组变流器背靠背 连接，根据变流器的不同作用分为电机侧变流器和电网侧变流器。 电机侧变流器 电网侧变流器 图2 1 直驱式风力发电变流系统拓扑图 f i g 2 lt o p o l o g yo fd i r e c t - d r i v ew i n dg e n e r a t i o np o w e rs y s t e m 虽然就目前的情况看大功率永磁同步电机的价格不具有优势，其高性能的调 速系统也没有异步电机那样成熟，但是永磁同步电机具有功率密度大，功率因数 高的优点，特别适合大功率的调速系统，再考虑到我国丰富的稀土资源，永磁电 机的应用前景是非常光明的。直驱式风力发电机组采用多对极低转速的发电机以 减少机械振动，电机转子与风轮机直接相连，故没有增速齿轮箱。 电机侧变流器采用电压型p w m 变流器，作用是调节发电机的电磁转矩，进 9 而达到对转速的调节，从而保证风机的工况符合实现最大功率跟踪的要求。主控 系统下达的转矩指令乞二，是根据有功功率指令p r ；f 和风机转速n 求出的，而有功功 率指令e ，是按照预先设定好的风力机功率特性曲线，采用某种最大功率跟踪的 方法计算得出的。电机侧变流器在调节发电机电磁转矩的同时，还可以根据不同 的控制算法对电机的损耗、容量利用率和响应速度等性能指标进行优化控制，以 提高系统的性能。电能的形式从发电机发出的电压幅值和频率都在变化的交流电 转化为了直流电。 电网侧变流器作用是将直流电转化为与电网相位、频率一致的交流电后接入 电网。在拓扑结构、设计容量上都与电机侧变流器是完全一样的。不计损耗的情 况下，电网侧变流器会将电机侧变流器输出的有功功率完全馈送至电网，同时还 要起到维持直流电压恒定的作用。一般情况下，电网侧变流器的目标是控制输出 电压和电流相位相同，谐波含量要尽可能少，归结起来就是实现变流系统网侧功 率因数为1 ，即醇= 0 。如果有需要的话，电网侧变流器还能调节电压和电流的 相位关系，起到调节电网无功的作用，这时q 二，o 0 ，可以根据需要进行调节。 电网侧变流器跟踪主控系统下达无功功率指令q ；，连同从直流侧吸收的有功功e f 率一起送入电网。 2 2 电机侧变流器工作原理及控制技术 电机侧变流器采用通用的三相电压型p w m 变流器，典型的结构如图2 2 所 示，假设直流电压是恒定不变的，根据一定的调制方法来控制每一相桥臂上管和 下管的通断，就能输出三相幅值和频率可调的p w m 电压波形。 - z 乃乃 l _ g铡口墨 r 吲6 置 c 一 u 口 12 乃t 6 u c 图2 2 三相电压型p w m 变流器结构 f i g 2 - 2t o p o l o g yo f3 - p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m c o n v a t e l l o 变流器三相桥臂上管和下管的开关可以表示为开关函数s ，工= a ，b ，c ， s ，= 1 表示x 相桥臂上管导通，s ，= 0 表示x 相桥臂下管导通。变流器输出相电压 u 。、u b 、u c 可以用直流电压和丌关函数来描述： = & 一警s k( x = 以，6 ，c ) ( 2 - 1 ) j k = a ，b ，c 将式2 1 展开： 铲卜三( s a + s b + s c ) 卜 铲卜三( s a + s b + $ c ) 卜 协2 ) “c = l 一三( s a - i - s b - fs c ) l u 出 变流器与电机相连后，电机频率和电压幅值由变流器决定，电机内部电感的 存在使得变流器的三相电流( 也就是电机电流) 相对电压的相位可调，从而实现 对电机的控制。 在工业应用中，最常用的控制技术主要是矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 和直接 转矩控$ 1 j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，两种技术各有特点，关于二者的比较，已经有学 者进行了很多研究n 7 1 。 1 9 7 1 年，由德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制理论， 从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其基本思想是在普通的三相 异步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子 电流分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互 相垂直，彼此解耦，分别进行调节。这样异步电机的转矩控制，从原理和特性上 就和直流电机功能相似了，这种理论在应用中不断完善并且推广到同步电机的调 速系统。 矢量控制的目的是为了解决交流电机的强耦合特性，改善电机的动态性能。 由于交流电机的电感是转子位置的函数，转子位置在时间和空间上又是不断变化 的，所以交流电机内部各物理量表现出极强的耦合特性，难以对电机进行高性能 的调节。长时间以来对转矩特性要求较高的调速系统都是采用直流电机，交流电 机只能用在一些转速变化不大，调节精度要求不高的场合。一直到著名的派克 ( p a r k ) 方程的提出，才解决了建立实用的交流电机数学模型的问题。借助于坐 标变换使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，将交流量转化为直流量 来控制，从而大大提高了电机的动态性能和转矩调节能力。由于这些直流给定量 在物理上是不存在的，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止 坐标系对交流量进行控制。简单的说所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的 电机矢量变换到以气隙磁场或转子磁场定向的坐标轴系下来分析，这里以转子磁 场定向为例来说明：三相电流f 。，f ，经过由三相静止坐标系到两相静止筇坐标 系轴，再由两相静止坐标系到两相旋转由坐标系的变换，并将转子磁链的方向定 向在d 轴上。 基于矢量控制的电机调速系统经过几十年的发展，在异步电机和同步电机上 都取得了巨大成功，开启了高性能交流电机调速系统的新时代。然而矢量控制技 术也存在着不足，比如需要转子的位置信号、运算量大、易受电机参数变化影响 等。二十世纪八十年代中期，日本的t a k a h a s h i 和德国的d e p e n b r o c k 提出了直接 转矩控制理论n8 。，接着又推广到弱磁调速范围。直接转矩控制技术在很大程度上 解决了矢量控制中计算和控制过程复杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能 难以达到理论分析的结果等一些重要问题。 直接转矩控制技术一诞生，就因自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的动、静态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。目前，该技术已成 功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系 下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转矩，不需要为解耦而简化交流 电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，所需要的 信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能 够做出直接和明确的判断。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道 定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转 子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大地减小了矢量控 制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 直接转矩控制是一种直接的转矩控制，它不是通过控制电流、磁链等量来问 接控制转矩，而是把转矩作为被控量来直接控制，强调的是转矩的控制效果，采 用离散的电压状态和近似圆形磁链轨迹的概念。直接转矩控制技术对转矩实行直 接控制的控制方式是通过转矩和磁链调节器把检测值与给定值做滞环比较，使被 控制值波动限定在一定的容差范围内，容差的大小，要综合系统对转矩的波动要 求和变频器开关频率范围来控制。根据两个滞坏比较的结果加上磁链的扇区信号， 从离线设定的开关矢量表中，选取合适的电压矢量来同时控制转矩和磁链被限制 在容差范围以内。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制 交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节( b a n d b a n d 控 1 2 制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，在维持定子磁链 为圆形轨迹的同时，获得转矩的高动态性能。省掉了复杂的矢量变换与电动机的 数学模型简化处理，没有通常的p w m 信号发生器。控制结构简单，控制手段直 接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具 有高动态性能程的交流调速方法。 新一代的d t c 调速系统继承了原有的优点，在磁链估计，开关表构造，补偿 电机参数变化等方面有了很大改进，还引入了模糊控制和人工智能等新思想，使 得系统的性能得到进一步提升。 2 3 永磁同步发电机数学模型 对于理想的永磁同步发电机，我们作如下的假设： 1 忽略磁饱和、漏磁、磁滞和涡流的影响。定子绕组的电流在电机气隙中只产生 正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。 2 定子三相是对称的，即各绕组的轴线在空间互差1 2 0 。，并且是三个参数完全 相同的绕组。 3 电机定子的空载电势是j 下弦波，转子永磁体的电导率为零。 永磁同步风力发电机正方向的规定：对于定子绕组，以输出电流为正，即绕 组中流过正向的电流时，产生负值的磁链。转子磁链为永磁体产生，耦合到定子 绕组中的磁链为正值磁链。外加驱动转矩的方向与转子的转向相同，电磁转矩为 制动转矩。定子磁链包含两个部分，一部分是定子绕组的自感产生的磁链，另外 一部分是转子永磁体产生的磁链。永磁体产生的磁链取决于永磁体本身强度和永 磁体与定子绕组的夹角o 。r 永磁同步风力发电机均为凸极同步电机，磁路的结构决定了交直轴磁阻的不 同，从而使交直轴的电感厶，厶也不同，且厶 厶。定子电压和磁链的关系如 下： 驴吨+ 等 中s = 一l i s 七vr e 8 t ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 虬为电机定子电压，为电机定子电流，为电机定子磁链，盼为电机转子永 磁体磁链，为电机电阻，只为转子磁链的空间位置角。在转子d q 坐标系下， 电压与磁链的关系用如下的方程来描述： 1 3 旷一心+ 警一q 旷吖乇+ 等+ 啪 下标带d 、q 的为在d q 坐标系下的对应变量， 子绕组磁链可以表示为： = 之+ 沙厂 = 乇 v ：= v 二七v ； ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 够为电机转子磁链的转速。电机定 将式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 写成矩阵的形式： 阡一 ： + p 了蚴 荔z = 一 了三 窆 + 妙厂 三 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 其中p 为微分算子，将式( 2 11 ) 代入( 2 9 ) 可得磁链幅值f 虬i 的表达式： ( 2 - 1 2 ) 根据上述推导，得到永磁同步发电机转子d q 坐标系下的等效电路图2 - 3 和矢 量图2 - 4 。 ，置奇_ 一一1 一 毒卜 1 ( b ) q 轴 图2 - 3 转子d q 坐标系下p m s g 等效电路图 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i t so fd qa x e so fp m s g 1 4 d 。 l q i ： 1 坼 l d i d j fvs g f j ? u q 图2 4 转子d q 坐标系。i - p m s g 欠量图 f i g 2 - 4p h a s o rd i a g r a mo fp m s g i nd , qr e f e r e n c ef r a m e 如果不考虑定子磁链的谐波成分，并采用等量变换形式的空间矢量变换，则 矢量形式的电磁转矩乞可以表示为： 乞= 三地t ( 2 - 1 3 ) 其中只为极对数，如果将定子磁链空间矢量和定子电流空间矢量表示在转子 由坐标系下，i 、j 表示对应的分量为相互垂直的二维相量，得到： = f + j ( 2 1 4 ) t = 岛i + i qj ( 2 - 1 5 ) 将等式( 2 1 4 ) 和等式( 2 1 5 ) 代入等式( 2 1 3 ) ，得到电磁转矩乞在转子坐 标系下的形式： 1 5 乞= 吾( 毛一l g 岛) 尼 通常将转矩视为一个标量，所以： 2 f p = f p k = 吾只( 妙d i q 一叮岛) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 将等式( 2 一1 1 ) 代入( 2 1 6 ) ，可以得到电磁转矩乞，并以标量形式来表示： 乞= j 3e 眇毛+ ( l q - l a ) i j q ( 2 - 1 8 ) 公式( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 1 8 ) 是永磁同步发电机在转子d q 旋转坐标系下的数学模型， 根据帕克( p a r k ) 反变换公式： 嚣 协 - 咖s i n o r l 网 c o s9 il l ( 2 - 2 0 ) 其中五、厶为定子筇静止坐标系下的矢量，厶、为转子d q 旋转坐标系下的 矢量，可以得到永磁同步发电机在筇静止坐标系下的表达式： 一心+ 警 2 - ， 驴嘞+ 警 防2 2 ， t e = 号e ( 沙口i p y 屯) ( 2 2 3 ) 这里没有给出类似式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 的磁链分量、的表达式，这是因 为筇静止坐标系下，电机的口轴和轴的电感分量仍然是转子位置角印的函数， 如此复杂的表达式很难在实际情溯中应用。 1 6 p ，p ， 吣m c s 。l = hq p ，p ， 吣m c s 。，。l = 1j 厶厶 。l 2 4 永磁同步发电机控制目标 2 4 1 零直轴电流控制 零直轴电流( z d a c ) 控制旨在将永磁同步电机直轴电流控制为零，是永磁同步 电机最常用的的控制策略。将毛= 0 代入式( 2 1 8 ) ，则电磁转矩表达式变为： 气 f e = 号e y 厂i q ( 2 _ 2 4 ) 认为转子磁链恒定，则电磁转矩与交轴电流成正比，即电磁转矩与定子电流呈 线性关系，使得电机转矩控制环节得到简化。在已知电磁转矩指令t 。时，连同 屯= 0 代入式( 2 1 2 ) ，可以得到定子磁链的表达式： 阮i = ( 2 - 2 5 ) 采用这种控制方式时，定子电流中没有直轴电流分量，