（电工理论与新技术专业论文）直驱型永磁同步风力发电机的变流器研究.pdf

“ r o t h er e s e a r c ho fc o n v e r t e rb a s e do nd i r e c t d r i v ep e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u sw i n dp o w e rm o t o r b y w a n gb a i c h u a n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n t h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n gi nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gx i n h u a m a y ，2 0 1 1 一 o 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：王，( 孙7 日期：2 夕jl 彳月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位 论文的全部或部分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和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 王为- 一f 杉咖吁 日期：沙，年月多日 日期：。，年莎月9 日 。 膏 硕 ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t il 插图索引1 li 附表索引iv 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究概况4 1 2 1 国外变流器的技术现状4 1 2 2 国内变流器的技术现状5 1 3 风力发电的发展趋势6 1 4 论文主要内容7 1 5 本章小结7 第二章直驱型风电系统运行原理和数学建模8 2 1 直驱式风电系统的基本结构、运行原理和优势8 2 2 直驱式风力发电系统几种常用拓扑结构简介9 2 2 1 不可控整流+ b o o s t + 逆变拓扑分析9 2 2 2 双p w m 背靠背拓扑分析1 0 2 2 3 开关器件的串联和并联1 0 2 3 直驱式风电系统主要组成部分数学模型1 3 2 3 1 风速数学模型13 2 3 2 风力机数学模型1 4 2 3 3 轴系数学模型16 2 3 4 直驱式变速恒频永磁同步发电机的数学模型16 2 3 5 直流环节1 8 2 3 6 全功率变流器数学模型1 9 2 4 本章小结2 2 第三章三电平逆变器中点电位平衡的研究2 3 3 1 中点电位不平衡的原因及其危害2 3 3 2 三电平逆变器中点电压波动分析2 3 3 2 1 开关矢量对中点电位的影响2 3 3 2 2 直流侧电容电压的平衡方法2 5 3 2 3 开关矢量影响下中点电流的流向2 6 3 3 中点电位平衡的控制策略2 7 3 46 0 。坐标系s v p w m 算法2 8 一 直驱刑永磁同步风力发电机的变流器的研究 3 4 1 坐标系统与变换2 8 3 4 2 选择最近的3 个基本矢量2 9 3 4 3 计算作用时间3 0 3 4 4 确定输出开关状态3 0 3 5 最小开关损耗控制3 l 3 6 基于三相桥臂输出电流和中点电位检测的中点平衡方法3 2 3 7 本章小结3 3 第四章直驱式风力发电系统仿真研究3 4 4 1 直驱型风力发电系统控制策略3 4 4 2 发电机侧p w m 整流控制3 4 4 2 1p w m 整流主电路分析3 5 4 2 2 基于两相旋转坐标变换双闭环控制策略分析3 6 4 3 网侧变流器控制策略3 7 4 4 直驱式永磁同步风力发电系统仿真与分析3 9 4 5 本章小结4 8 结论与展望。4 9 结论4 9 展望4 9 参考文献5 0 致谢5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 5 t l 硕十学位论文 摘要 直驱型风力发电系统变速恒频控制是基于定子电路实现的，把永磁同步发电 机发出的交流电通过变流器转变为与电网同频的交流电。因为变流器的容量与系 统的额定容量相同，需要全功率变流器，在现有器件耐压水平未取得突破性进展 以前，多电平技术因其具有输出谐波含量小、控制灵活等特点，非常适合应用于直 驱型风力发电系统。另外，多电平变流器无需变压器，又可以达到升压的作用，具 有很好的经济性。因此，多电平变流器在直驱型风力发电系统中具有很广阔的应 用前景。 本文介绍了三相三电平二极管中点钳位型p w m 整流器电路拓扑结构，详细分 析了空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 的基本原理，针对传统的复杂s v p w m 算法，分析了 一种基于g - h 坐标系的简化s v p w m 算法。该算法采用将电压矢量分解到复平面上， 然后对其进行标幺化的方法。通过对参考矢量的分解来决定电压矢量的选择，以 及对其作用时间进行计算。此方法同时具备算法简单易于实现，占用内存少和具 有通用性的特点，省去了传统算法中烦琐的区间划分以及冗余状态的选择。 最后在m a tl a b s im u lin k 仿真环境中搭建风力机模型、永磁同步电机模型、 三电平p w m 整流控制模型、三电平逆变器模型等仿真模型，对6 0 。坐标系s v p w m 算 法进行仿真，结果验证了此算法具有保持中点电位平衡和抗大负载扰动的优点。 关键词：p w m 整流器：双闭环控制：中点电位控制：6 0 。坐标系 商驱型永磁同步风力发电机的变流器的研究 a b s tr a c t 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 ns y s t e m sc o n t r 0 1c i r c u i ti sb a s e d o nt h es t a t o r t h ef r e q u e n c yo fc u r r e n ti sc h a n g e di n t ot h es a m ef r e q u e n c y w i t ht h ea cp o w e rg r i db yc o n v e r t e r t h e r e f o r et h ec o n v e r t e rr a t e dc a p a c i t y ist h es a m eo ft h 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 ee xis ti n g d e v i c e s v 0 1 t a g el e v e ld i dn o ta c h i e v eab r e a k t h r o u g hu n t i lm u l t i - i e v e l t e c h n o l o g ya p p e a r a n c e m u l t i 一1 e v e c o n v e r t e rc a nr e d u c et h eh a r m o n i c c o n t e n ta n db ec o n t r 0 1 e dv e r yf l e x i b l e i ti sv e r ys u i t a b l ef o rd i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a ti o ns y s t e m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h e m u l t i 一1 e v e lc o n v e r t e ri nw i n dp o w e rs y s t e mh a sav e r yb r o a da p p li c a t i o n p r o s p e c t s t h et e c h n o l o g yo ft h r e e p h a s et h r e e 一1 e v e ln e u t r a l p o i n t c l a m p e dp w m r e c t i f i e rw a sp r e s e n t e di nt h isp a p e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs p a c ev o l t a g e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dt h ea l g o r i t h mb a s e do ng h c o o r d i n a t e sw a sp r o p o s e d i nt h e a l g o r i t h m ，t h ev o l t a g ev e c t o r s a r e t r a n s f o r m e dt ox yp 1 a n e ，a n dt h e nc o r r e s p o n d i n gc o m p o n e n t sa r en o r m a l i z e d t h es e l e c t i o no fv o l t a g ev e c t o r sa r ed e t e r m i n e db yt h ed e c o m p o s i t i o no f t h er e f e r e n c ev e c t o r ，a n dt h e nc a l c u l a t et h eo p e r a t i n gt i m eo ft h es e l e c t e d v o l t a g ev e c t o r si nac o n t r o lc y c l e c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a la l g o r i t h m w h i c hr e q u i r e sac o m p l e xd is c r i m i n a t i o no fs e c t o r sa n ds e l e c t i o no f r e d u n d a n c ys t a t e s ，t h ea l g o r i t h mi sw i t hn os e l e c t i o no ft h e m ，a n da l s o isg e n e r a la n dsi m p let or e a liz e ，n e e d ss m a ll m e m o r y f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fw i n dt u r b i n e 、p e r 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 、t h r e e1 e v e lp w mr e c t i f i e r 、t h r e el e v e lp w mi n v e r t e r i ss e tu pb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h em e r i to f t h ea l g o r i t h mi nk e e p i n gn e u t r a lp o i n tv o l r a g eb a l a n c ea n dr e s i s t i n gl a r g e 】o a dd is t l j r b a n c e k e yw o rd s ：p w m r e c t i f i e r ；d u a lc l o s e dl o o pc o n t r o l ；n e u t r a lp o i n tv o l t a g ec o n t r o l ； 6 0 。c o o r d i n a t e ss y s t e m i t 硕十学位论文 插图索引 图2 1 直驱式风电系统原理图8 图2 2 不控整流后接d c d c 变换接逆变器拓扑9 图2 3 背靠背双p w m 变流器拓扑1 0 图2 4 直接串联i g b t 逆变器1 l 图2 5 器件串联型并网逆变器12 图2 6 器件并联型并网逆变器13 图2 7 风能利用系数的数学模型15 图2 8 永磁同步电机定、转子空间分布图1 7 图2 9 永磁同步电机等效电路图1 8 图2 10 直流环节结构示意图1 8 图2 1 lp w m 整流器的主电路拓扑结构1 9 图2 12 电压型p w m 逆变器的拓扑结构图21 图3 1 中小矢量与中点电位的关系2 5 图3 2 中点电位控制原理图2 7 图3 36 0 。坐标系s v p w m 算法的流程图2 8 图3 46 0 。坐标系下三电平空间矢量图2 9 图3 5 一个扇区调制情况：3 1 图4 1 直驱式永磁同步风力发电系统控制框图3 4 图4 2p w m 整流主电路框图3 5 图4 3p w m 整流双闭环控制框图3 7 图4 4 引入中点电位平衡控制算法的s v p w m 控制流程图3 9 图4 5 直流电压脉动系数k 与调制度及相角的关系4 0 图4 6 直驱式永磁同步风力发电系统仿真模型4 2 图4 7 风速变化情况下桨距角特性曲线4 4 图4 8 调制度、d 轴电流、q 轴电流波形4 5 图4 9m = o 8 6 6 时直流侧相关电压波形4 6 图4 10m = o 8 6 6 时相电压与相电流波形4 6 图4 1 1m = o 8 时频谱分析4 7 图4 1 2m = o 5 时三相线电压波形4 7 图4 13m = o 5 时频谱分析4 7 i t l j 直驱型永磁同步风力发电机的变流器的研究 附表索引 表1 1 风电与光伏的产业特性比较1 表1 2 几种典型变流器拓扑结构的技术现状4 表3 1 不同的开关矢量所引起的中点电流2 6 表3 2 具有中点电位平衡算法的优化调制策略3 2 表4 1 直驱式永磁同步风力发电系统参数定义4 1 一， 硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 十二五规划对未来以核能、风能、太阳能等为代表的新能源产业做出了全面 布局。从产业发展趋势的角度看，新能源已经代表了未来的第四次工业革命，低碳 将是人类社会从工业文明向生态文明过渡的一个重要标志，未来谁在新能源领域 走在前列，谁就能把握住未来的核心竞争力乜1 。 其中，作为新能源的重要组成部分，风能产业未来五年发展潜力巨大，据有关 研究表明，陆地和海上风能的可开发装机总容量达到大约7 亿1 2 亿k w 。其他最新 评估报告提出的数据甚至可达2 5 亿k w 以上。比较研究现有的五大风电强国，中国 的风力资源量接近于美国，大大超过印度、德国和西班牙。根据全球风能理事会 所做的“超前情景”分析，预计中国的风电装机容量将会在2 0l5 年达到1 3 亿 k w ，2 0 2 0 年达到2 5 亿k w ，2 0 3 0 年超过5 亿k w ，也就是说未来10 年我国风电装机容量 是目前风电装机容量的10 倍左右。 可再生能源发电领域，风力发电与光伏发电是最具备远大产业前景的行业， 就中国现状看，在我国，风电更具备商业化条件，处于快速发展的启动期。风力发 电与光伏发电相比，在能量转换率、发电时问、产业规模、技术成熟度等许多产 业特性上有优势，如下表1 1 所示。 表1 1 风电与光伏的产业特性比较 风电光伏 能量密度低低 能量转换率 8 5 1 0 发电时间 全大 晴好自昼 适用地点陆地、海上均可较窄 产业规模大较小 一 技术成熟度局较低 造价8 0 0 0 9 0 0 0 元k w5 0 0 0 0 元k w 发电成本0 5 0 元千瓦时3 5 - 8 元千瓦时 机组寿命 1 5 年以上1 5 - 2 0 年 发电小时2 0 0 0 小时年1 0 0 0 1 5 0 0 d 、时年 主要缺点 并网稳定性不住，储能，输并网稳定性不佳，储能困难、选址要 配困难求高，仅可在晴好向量壬发电 直驱型永磁同步风力发电机的变流器的研究 ( 续表) 市场概况 国内发展刚起步，技术实力国内生产商较多，但主要出口欧美市 相对薄弱。国内建设规模处 场，市场规模严重依赖国外产业政策。 于迅速扩张，国际上欧洲市 晶体硅国内生产技术落后，原材料供应 场发展较快 主要依赖国外。 政策扶持中国政府出台系列法规支 德国政府欲对可再生能源优先法进 持，提出国产化率要求。 行修正，导致国内出口德国的产品供大 于求。 目前，风电的单位电量成本约为火电的2 倍左右，太阳能则为10 倍左右，虽然 随着技术进步，两者的成本都有降低的趋势，但以可预见的未来，风电行业仍然较 光伏行业具有低成本优势，因而获得更快的发展速度。 基于风力发电具有上述优点，因此欧美发达国家很早就开始关注风力发电。 各国都通过立法或给予不同的优惠政策积极鼓励、支持和推进风力发电的发展。 亚洲以及其他地区国家最近几年内风力发电也得到迅速发展。世界范围内，估计 可开发的风能资源为5 3 万亿k w h 年。到了2 0 2 0 年，全球风力发电总装机容量估计 为2 31 亿k w ，其中中国为1 7 亿k w ，约占世界风力发电总装机容量的o 1 4 。 发展风能能源，减轻对环境的污染，己成为我国能源工业关注的一个热点。风 电机组变流器是风电机组并网部分的的核心控制设备，相当于整个风电机组的心 脏，主要用来解决由于风速大小、方向不同造成的风机电压不稳的问题。长期以 来中国10 0 依靠进1 ：3 直驱型变流器3 ，成为制约风力发电产业化的瓶颈。目前国 内的变流器技术几乎空白，打破长期以来国外企业垄断风电机组变流器市场的局 面，使中国风力发电机组可以装上“中国芯，是我国势在必行的漫长科技道路。 本论文对基于直驱型永磁同步风力发电机的变流器做了一些基础研究，准备为变 流器的革新做一些技术储备。 与双馈型风力发电系统相比，直接驱动型风力发电系统的优点在于3 ：传动 系统采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性和可利用率，提高整体效率， 降低了风力发电机组的运行维护成本，使整机的生产周期缩短：可以实现对电网 有功，无功功率的灵活控制：发电机与电网之间采用全功率变流器，使发电机与电 网之间的相互影响减少，电网故障对发电机的损害较小。 目前国内有的风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经 a d a 变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，直驱型需考虑谐波治理问 题，但是可以解决我国难以自主生产齿轮箱的困难。最近在一些风力发电占主导 地位的国家，比如丹麦、德国等已经相继制定出了新的电网运行准则，定量地给出 了风力发电系统离网的条件( 如最低电压跌落深度和跌落持续时间) ，仅仅当电网 。 电压跌落低于规定曲线以后才允许风力风电机脱网，当电压处于凹陷部分时，发 硕十学位论文 电机应提供无功功率。这就要求风力发电系统具有很强的低电压穿越能力，同时 能方便地为电网提供无功功率支持，但目前的双馈型风力发电技术是否能够应对 自如，学术界存在争论，而永磁直接驱动型变速恒频风力发电系统已被证实在这 方面有优秀的性能。直驱型永磁同步风力发电技术因其成本低、效率高等优点成 为时下风力发电技术的研究热门。多电平技术的应用，使得耐压低的功率器件能 够应用在高压大容量系统中。因此将多电平变换技术应用于风力发电系统将成为 未来的一大趋势。 随着风力发电机的单机容量越来越大，更多的风力发电拓扑正在被研究和开 发中，就目前情况看，双馈型风力发电机占主流，然而直接驱动型风力发电机以其 固有的优势也开始逐渐受到关注。直接驱动型风力发电系统中，电能必须通过逆 变器才能传递到电网上，这就要求功率开关器件具备很高的功率等级。然而受到 功率开关器件材料的耐压极限和制作工艺的约束，单一功率开关器件的容量是很 小的，同时由于逆变器功率特别大，考虑到降低开关损耗，减小电磁干扰的因素， 器件的开关频率也不可能特别高，但是开关频率太低又会使得逆变器输出波形的 畸变率增加，进而使得后续滤波器的设计难度加大，因此还需要对风力发电系统 逆变器的拓扑结构展开更深入的研究。整流器的容量，可靠性，响应速度和并网特 性等各方面要求都特别高，因为变流器是作为风能所发的电能回馈至电网的唯一 通路： 53 逆变器的设计和制造是直接驱动型风力发电系统的另外一个重点和难点， 逆变器对于整个风电系统的稳定，高效运行至关重要，对于增强风力发电领域的 自主创新能力有着十分重要的意义。 中点电压平衡问题是保证电机安全高效运行的一个重要标志，若三电平逆变 器的直流侧电容电压得不到平衡，结果会使输出电压包含二次或更高次的偶次谐 波，这对交流传动装置会造成极大的破坏。所以中点电位偏移是三电平逆变器必 须要解决的问题。本论文准备对基于直驱型永磁同步风力发电机的变流器做一些 基础研究，拟解决中点电位平衡问题。 传统的三电平s v p w m 算法直接采用类似两电平的方法，其中涉及到特别多的 三角函数和查表。随着电平数的增加，传统算法将变得特别复杂。最近国内外专 家对此问题进行了深入的研究，提出了许多改进的算法。导致s v p w m 算法复杂的根 本原因是经典空间矢量理论基于a b 直角坐标系统。基于三电平空间矢量之间的 角度均为6 0 。的倍数这个几何特性，提出了一种新的6 0 。坐标系，即g _ h 坐标系， 在此基础上获得三电平s v p w m 简化算法。这种算法还能是多电平s v p w m 的通解， 而且计算容易，具备可行性。本论文将基于g h 坐标系的空间矢量调制算法用到三 电平p w m 逆变器里面，而且应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境实现了该算法，仿真结果 验证了该算法的有效性。 直驱型永磁同步风力发i 乜机的变流器的研究 1 2 国内外研究概况 随着风电行业产能的扩大，风电行业的变流器产品也开始扩大需求，中国新 。 能源战略已经开始把大力发展风力发电设为重点。随着风电机组容量的扩张，风 电设备对变流器的要求越来越高。长期以来我国风电机组的变流器一直依靠进口， 国产化是风电行业的重要趋势1 。2 0 0 9 年1 1 月4 日，国电龙源电气有限公司生产的 1 5m w 双馈型风电机组变流器在保定下线，该产品的实现国产，将使中国风机设 备制造国产化迈出重要一步。国产变流器厂商若要在风电领域占有一席之地，也 要加强和提高自己的技术水平，才可以与国外变流器厂商在风电行业展开激烈竞 争。 1 2 1 国外变流器的技术现状 ( 1 ) 拓扑结构的优化口8 1 ：早在上个世纪7 0 年代，德国学者h o l t z 首先提出了 多电平变流器，之后a n a b a e 在8 0 年代提出了中点钳位式电路，对多电平的拓扑结 构发展莫定了基础。以中点钳位变流器为基础，又相继出现了二极管钳位多电平 变流器、电容钳位多电平变流器。f z p e n g 在1 9 9 5 年提出了级联型多电平变流器。 在这些基础之上，又相继出现了通用混合型多电平变流器。以上是电压型多电平 变流器，随着超导储能元器件的成熟和应用，电流型多电平变流器有非常广泛应 用前景，因此，目前电流型多电平变流器是一个新的研究热点。随着对多电平变流 器深入研究，将会有更多拓扑出现。多电平变流器主要有二极管箝位、飞跨电容 箝位、级联型三种基本拓扑及其派生拓扑。但到目前为止，仅仅是针对这三种拓 扑有其各自的通用形式，仍未建立这三者之间的理论联系。 表1 2 几种典型变流器拓扑结构的技术现状 变流器类型特征类璎控制技术各注 背靠背式电压源型变流器 p w m 成熟技术 不控整流式电压源型变流器不控整流 成熟技术 + b 0 0 s t + p w m 背靠背式电流源变流器 p w m 未验证技术 串联式电流源整流器+ 电压源逆 p w m未验证技术 流器 矩阵式 p w m未验证技术 多电平电压源型变流器 p w m 成熟技术 谐振式电压源型逆流器 p w m 朱验证技术 ( 2 ) 控制策略阳1 ：p w m 控制技术在谐波的抑制和消除，信号的控制和传输方面 有很多优点，因此p w m 技术的应用将会越来越多。它要求功率器件有很高的丌关频 4 硕十学位论文 率，而普通的大功率器件难以达到它的要求，这样就限制了p w m 技术应用于大功率 器件上。多电平变流器主要有s p w m 和s v p w m 两种控制策略。中点电位不平衡问题 是其中研究的难点。因为中点电位的不平衡将会导致输出谐波增大，对负载和电 网带来严重的干扰。对于中点电位的不平衡机理的研究已经很深入，也已经有了 一些可行的解决方案，但是由于其冗余矢量的增多，将使得控制变得非常复杂。所 以，优化中点电位平衡的控制算法将成为今后研究的重点和难点。 ( 3 ) 多电平技术应用在高压大容量的系统们：变流器采用多电平方式以后， 能够在常规功率器件的耐压基础上，提高电压等级，获得更多级的输出电压，使波 形更接近于正弦，谐波含量明显降低，电压变化率明显减小，并且获得更大的输出 容量。如果丌关管造成损坏，将会造成整个系统的崩溃，对于丌关管的保护将是多 电平应用中的重点，所以选择合适的缓冲电路和保护电路也是今后研究的重点。 1 2 2 国内变流器的技术现状 中国的风机企业和国外比较起步晚一些，但是近年来发展势头很迅猛。根据 全球风能理事会最新研究报告内容，2 0 0 9 年，全球1 5 大风机制造商罩面，已有5 家 中国企业入围。在国内市场，中国风电企业更是牢牢占有约5 0 的份额，并对保持 增长的势头很有信心，这些公司已经制定了长远的全球化路线，积极进军国外市 场。我们认为经过市场激烈竞争的磨练，通过加强技术研发与自主创新，中国企业 未来在全球风电市场中还会有更突出的表现。 根据对国内f 在制造和生产的风电变流器的调查分析，它的技术渠道大概属 于下面五大类： 第一类：引进海外的设计图纸和技术，或者是与海外设计技术公司联合设计， 在国内进行生产和制造。例如金风科技引进的1 2 m w 和1 5 m w 直驱型风电机组，现 在已经在国内大量生产和供货。还有浙江华仪、广东明阳、国电联合动力的1 5 m w 双馈型i x l 电机组，重庆海装、上海电气的2 m w 双馈型风电机组等都是采用这种方式 引进的，现在这些公司的产品某些已经批量生产，某些样机已经下线。 第二类：购买海外成熟的风电技术，在国内进行许可生产。例如金风科技和浙 江运达的7 5 4 k w 定桨距风电机组，华锐风电、东方汽轮机的1 5 m w 的双馈型风电机 组，都在国内成功大批量生产并且实现了产业化，这些机组是国内的主力机型。还 有重庆海装的8 5 0 k w ，保定惠德、武汉国测、吴忠仪表的i m w ，上海电气的1 2 5 m w ， 北重的2 m w 等都是采用这种方式引进的，现在这些公司的产品已经批量化生产。 第三类：与海外公司合资，引进海外的成熟技术在国内进行生产。例如航天安 迅能、恩德风电的l5 0 0 k w 双馈风电机组，在国内已经成功生产并且实现了产业化。 还有湘电i x l 能、瑞能北方的2 0 0 0 k w 等公司都是采用了这种方式引进的，现在这些 公司的产品某些已经批量化生产，某些样机已投入试运行。 瓦驱璎永磁同步风力发电机的变流器的研究 第四类：海外的风电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制 造技术，在国内进行生产。像歌美飒风电的8 5 0 k w 、苏司兰的12 5 0 k w 、通用电气的 1 5 0 0 k w ，维斯塔斯的2 0 0 0 k w 机组都是采用这种方式进行生产的，目前已经投入批 量化生产。 第五类：采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术，在国内进行生 产的风电机组。例如：沈阳华创、江苏新誉、浙江运达、三一重工丌发的1 5 m w 机组，上海万德的1 5 m w 机组都是采用这种方式进行生产的。目前，沈阳华创、江 苏新誉、浙江运达开发的1 5 m w 双馈风电机组都已经投入批量化生产，并在风电场 进行运行。 目前在国内对直驱风力发电系统的研究还较少，尤其是对电能变换装置的研 究。虽然国内已经研制出用于直驱风力发电系统的小型电能变换装置，但是这些 装置还存在着功能较为单一，对供电电源的选择性较强，未实现全数字化控制，可 靠性不高等不足之处。所以，我们应该抓住风电发展这一契机，将现代电力电子技 术、先进控制技术与风力发电相结合，在直驱型风力发电系统的电能变换装置方 面进行深入的研究，以提高直驱型风力发电系统电能变换装置的性能与质量，实 现装置的全数字化控制，增强其功能，进一步开拓风力发电的市场。 中国风电技术研发和设备制造能力很弱。目f j ，中国风电设备制造企业走的 是一条从带料加工，到合作生产或购买国外许可证进行组装的技术思路，风力发 电系统工程研发制造能力差，现有制造水平远远落后于市场对技术的要求。中国 风电发展缺乏专业及复合型人才，风电产业服务体系尚未形成。目前还未建立起 专业的风电技术研发机构，风电技术研发和管理人才严重不足，风电产业缺乏从 设计、制造、安装、调试到运营管理的人才培养系统，风电产业服务系统尚不完 整，很难适应当前风电迅猛发展的需求。 1 3 风力发电的发展趋势 因为风轮直径太大转速较低，传统的风力机是通过齿轮箱增速后和发电机相 联接的。虽然发电机体积有所减小，然而增速箱增加了损耗和重量，产生了噪音， 需要定期维修，不仅需要很多的运行费用，并且降低了运行的可靠性。永磁同步电 机拥有高效率的能量密度和无刷化等优势，近年来获得迅猛发展。为了提高风力 发电系统效率和运行可靠性，目前风力发电系统讵在向取消增速机构的由风力机 直接驱动永磁同步发电机的趋向发展，并且已在不同功率等级的风力发电系统中 得到应用。 根据风力条件，直驱型永磁同步发电机转速能够在一个比较宽的范围内变化， 从而使风力机在不同的风速都能输出最大的功率。这样的变速运行有很多优势， 比如：缩短驱动链、减小机械应力、提高输出电能质量、增加能量捕捉等。风力 6 硕十学何论文 机的制造f 朝向半径更大，性能更优的方向发展。使用直驱型同步发电机能够大 大减少发电机组转动部分组件数量。对风力发电来说，直驱方案是更有自仃景的选 择。 直驱型风力发电相对于传统的发电系统有这着无可比拟的优点，直驱型风力 发电系统是未来风力发电的主流趋势。因为风力发电存在着风速变化或风速较低 的风力发电机输出的电能电压变化较大、幅值较低且频率变化，因而不能采用直 接将发电机与电网相连接的方法并网。因此必须在风力发电机输出端增加一个电 力电子装置，将电压和频率均随机变化的电能变换成为电压、频率、谐波、相角 和功率因数都符合电网要求的交流电能，最后与公用电网连接实现并网。 1 4 论文主要内容 本文各章节如下： 第一章：绪论。介绍了目前国内外新能源领域的研究现状，分析了风能发电业 界存在的主要问题。 第二章：理论分析和推导了永磁直驱风电系统各个主要部分的数学模型。 第三章：直驱型系统变流器中点电位不平衡问题的解决。深入地分析了导致 中点电位不平衡的原因，提出一种能够保持中点电位平衡的改进算法； 第四章：使用m a t l a b s i m u l i n k 软件实现对三电平变流器的仿真研究。整流器 选用普通的脉宽调制控制算法，逆变器选用能够抑制中点电位偏移的空i b j 矢量脉 宽调制控制算法。 结论与展望：经过研究，得到本论文的控制算法具有保持中点电位平衡和抗 大负载扰动的优点。三电平变流技术可以在常规功率器件的耐压基础上，提高电 压等级，使波形更接近正弦，谐波含量小。伴随着超导储能元器件的成熟和应用， 能够实现回馈制动和四象限运行的电流型变流器将成为风电强国的研究热点。 1 5 本章小结 本章主要对风力发电背景以及多电平变流技术应用于风力发电系统做了介 绍，并对本论文各章节的安排进行了简要介绍。 7 直驱型永磁同步风力发l 乜机的交流器的研究 第二章直驱型风电系统运行原理和数学建模 2 1 直驱式风电系统的基本结构、运行原理和优势 直驱型风力发电系统主要包含风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统， 控制系统等。其基本结构如图2 1 所示： 图2 1 直驱式风电系统原理图 直驱型风力发电系统的风力机和发电机转子直接耦合，因此发电机的输出端 电压和频率根据风速的变化而变化。要实现风电机组并网，需要确保机组电压的 幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。它的基本原理是首先将风能转化为幅 值和频率变化的交流电，然后经过整流之后变为交流，最后通过逆变器变换为三 相频率恒定的交流电送入电网。通过中间的电力电子变换环节来对系统的有功和 无功功率进行控制，从而实现最大风能追踪的目的。 本文研究的风力发电系统运用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生 电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱， 从而缩短了维修周期，降低了因齿轮箱产生的噪声污染，处于低j x l 速时具备更高 的效率。风电系统将发电机发出的全部交流电通过整流逆变装置转换后并入电网， 因此要求采用大功率的电力电子器件。 与传统的风电系统比较，直驱系统有如下优点1 ：第一，永磁同步发电机具 备结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，可靠性高的特点。该系统中的 永磁同步发动机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以和永磁发电 机直接耦合，省去了其他风力发电系统中的增速箱：第二，该方案在一定程度上实 现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性，可以独立设计逆变器部分。无齿轮驱 动的转速低，力矩大，转子直径大，转子极间的问隙很小，对定子丌槽的要求很高， 硕十学何论文 价格很贵，因此采用的是多级外转子结构，包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁 磁钢、铁心，定子和外转子。发电机无自带冷却j x l 扇或外装冷却风扇，因而结构简 单，损耗小，提高了整个机组的可靠性和寿命，减少了运行和维护花费。电力电子 变流装置可以任意调节有功功率、无功功率及频率输出的，使得谐波分量降低， 在低电压穿越方面表现出很强的能力。 2 2 直驱式风力发电系统几种常用拓扑结构简介 2 2 1 不可控整流+ b o o s t + 逆变拓扑分析 最典型的直驱型风力发电系统的主电路拓扑通常为：风力机与永磁同步发电 机直接连接，将风能转换为频率变化、幅值变化的交流电，通过整流之后变为直流 电，通过b o o s t 电路升压后，最好通过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到 电网。通过中间电力电子变换环节，实现了调节系统的有功功率和无功功率、控 制最大功率跟踪，最大效率利用风能。主电路拓扑结构如下图2 2 所示。 风 a a k i h孑彳态 _-_ 一 zzz - j ) 厂、 v vv 1 p m s g l 一y一 v a 、 ，1 k 一 c a v vv 机一 乳 杰 一 _ 电厣 zz d c ，d c 变换 图2 2 不控整流后接d c d c 变换授逆变器拓扑 图2 2 中的d c d c 变流器为b o o s t 电路。b o o s t 主电路一般由不可控整流电路、 电感、丌关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感，可以减小输入电流纹波， 防止电网对主电路的高频瞬念冲击，对整流器呈现电流源负载特性：其输出侧有 滤波电容，能够减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。利用b o o s t 电路在斩 波的同时，还实现功率因数校正的目的，包括如下两个方面：( 1 ) 控制电感电流， 使输入电流正弦化，保证其功率因数接近于1 ，并使输入电流基波跟随输入电压相 位。( 2 ) 当风速变化时，不可控整流得到的电压也在变化，而通过d c d c 变流器的调 节可以保持直流侧电压的稳定，使输出电压固定在定值附件。 这是目前广泛选取的一种拓扑结构，在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统 9 直驱型永磁同步风力发电机的变流器的研究 中均有应用。海外风力发电公司e n e r c o n 的直驱型风力发电系统e 8 2 ，中国的合肥 阳光电源有限公司的小型并网风力机变流器w g io o k 3 都使用这种拓扑。 2 2 2 双p w m 背靠背拓扑分析 图2 3 是背靠背双p w m 变流器的拓扑结构图，发电机定子通过背靠背变流器和 电网连接。 电机侧变流器网侧变流器 图2 3 背靠背双p w m 变流器拓扑 发电机侧p w m 变流器通过调节定子侧的d 轴和q 轴电流，控制发电机的电磁转 矩和定子的无功功率( 无功功率参考值为0 ) ，使发电机运行在变速恒频状念，在额 定j x l 速以下具有最大风能捕获功能：网侧p w m 变流器通过调节网侧的d 轴和q 轴电 流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的 无功功率，通常运行在单位功率因数状态。此外网侧变流器还要保证变流器输出 的谐波畸变率尽可能小，以提高注入电网的电能质量。 背靠背双p w m 变流器结构是时下直驱型风力发电系统中较常用的一种拓扑， 国内外对其研究较多，主要集中在变流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿 越能力等发面。国内九洲电气股份有限公司的直驱型风力发电系统用兆瓦级功率 变流器w in din w e r t t m a 和合肥阳光电源有限公司的风力发电机组用全功率变流 器w g 2 0 0 0 f p 即是使用这种结构。此种拓扑结构的通用性较强，双p w m 变流器主电路 完全一样，控制电路和控制算法也极为相似；两侧变流器都选取基于d s p 的数字化 控制，选用矢量控制，控制算法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对发电机调 速和 2 2 硕卜学位论文 等级的制约，容量有限，已经不能满足大功率的要求：而高电压等级功率器件受制 造工艺等限制，不可能发展太快。