（电机与电器专业论文）基于双凸极永磁风力发电机的pwm变换器设计和控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，af a s td e v e l o p m e n to nw i n de n e 埋，h a sb e e ne x p e r i o n e e db e c a u s eo fe n v i r o n m e n t a l p r o b l a t n sa n da n e r g ys h o r t a g ea l lo v e rt h ew o r l d c h i n ah a sr i c hw i n de n e r g yr e $ o a r c ea n do n eo f t h eb e s t c h o i c e sf o rs o l v i n gt h ee n e r g yp r o b l e m sa n dr e a l i z i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp o w e ri nc h i n ai s t od e v e l o pt h ew i n dp o w e tf a s t 、i 恤t h ed e v e l o p m e n to ft h ew i n d - e n a t g yg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h e 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 ( v s c f lg e n e r a t i o ns y s t e ma n dd i r e c t - d r i v ep e r m a n e n tm a g n a tg e n e r a t o r a np r e s e n t e da n dw i d e l yu s e dd u et ot h eh i g he 伍c i e n c y , g o o ds t a b i l i t ya n de a s ym a i n t e n a n c e 1 1 sp a p e r f o c u s e so nt h ev s c fg e n e r a t i o ns 3 r s t e mb a s e d0 1 1n o v e ld i r e c t - d r i v ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) g e n e r a t o r n 廿1 e o r e f i c a la n a l y s i s s i m u l m i o ne n de x p e r i m e n t a lt e s to nt h ev s c fg e n e r a t i o n s y s t e ma r ec a r d e do u t i nd e t a i l ab d e fi n t r o d u c t i o ni sg i v e no nt h es i g n i f i c a n c ee n dt h eb a c k g r o u n do fw i n d - e n e r g yg e n e r a t i o n , t h e p r e s e n ts t a t u so ft h ed o m e s t i ca n do v e t s e a sd e v e l o p m e n ta sw e l la st h ec o r r e s p o n d i n gw i n d - e n e r g y g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h ew i d e l yu s e dc o n v e r 雠i nt h ew i n d - e n e r g y g e n e r a t i o ns y s t e m t h ed e s i g n e db a c k - t o - b a c kp w mc o n v e r t e rf o rt i l ed i r e c t - d r i v ed s p mg e n e r a t o rh a s g o o di n p u ta n do u t p u tp e r f o r m a n c e ，h i 曲o ra d j u s t a b l ep o w e rf a c t o r , l e s sp o l l u t i o nt ot h e 鲫da n da t c t h e m a t h e m a t i cm o d e lo f t h ed e s i g n e dc o n v e r t e ri se s t a b l i s h e da n da n a l y z e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a l e 鲥 i sa l s od i s c u s s e d a e c o r d i n gt ot h et o p o l o g yo f t h ev f c fw i n d e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ed s p mg e n e r a t o r ， a n dt h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n ga n di n p u t - o u t p u tp o w e rb a l a n c e 鼬t h ec o n t r o la l m s t h ec o n u o l s t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d t h es v p w mm o d u l a t i o ni sa d o p t e df o rt h ep w mc o n v e r t e r , j n w h i c ht h eo u t p u tp o w e rf a c t e ro f t h ed s p mg e n e r a t o ri si nu n i ta n dt h ep o w e tf a c t o ro f t h eg d - s i d ep w m c o n v e r t e rc a nb ea d j u s t a b l e t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ew i n d - e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mi ss e tu pb yu s i n g a t l a b s i m u l i n kt o o la n dt h es i m u l a t i o nr e s u j l ss h o wt h ec o n t r o l l e rw o r k sw e l l t h ec o n v e r t e ro ft h ew i n d e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m 。c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e rb a s e do nt h e t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2p r o c e s s o ra n dp e r i p h e r yc i r c u i i so f t h ec o n t r o l l e ra t ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d i n c l u d i n g a ds a m p l i n g ，o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i n g , f r e q u e n c yd e t e c t i n g ，f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o na n dl c lf l l t e r a c c o r d i n gt ot h es e l e c t e de o n t r o ls t r a t e g y , t h ec o d eo f t h ed s pc o n t r o l l e ri sp r o g r a m m e db yt h ee m b e d d e d c1 a n g u a g ea n dd e b u g g e d a tt h es a m et i m e t h es v p w i v ia n dt h ed p l la r ca l s oa c c o m p l i s h e di ns o f t w a r e l o t so fe x p e r i m e n t sa c a r r i e do u t , f r o mw h i c hm a n yt e s td a t aa n dw a v e f o r m sa r eo b t a i n e d b a s e do n t h e s e s o m et h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r d e do u t i tv e r i f i e st h a tt h ep r o p o s e dv s c fg e n e r a t i o ns 3 ，s t e mi s s a t i s f i e dw i t hd e s i g n k e y w o r d s ： w i n d - e n e r g yg e n e r a t i o n , d s p mg e n e r a t o r ，p w mc o n v e r t e r , s v p w m ，d p l l ，d s p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名垫! 麈楚日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 力铭 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 风力发电的现状与发展趋势 风是由太阳辐射放热引起的一种自然现象，风能是一种广义上的太阳能，是最纯洁、绿色的可 再生能源之一。虽然到达地球的太阳能只有2 转化为风能，但其总量仍是十分可观。全球的风能 约为2 7 4 1 0 孙d w ，其中可利用的风能约为2 xl o7 m w ，比地球上可开发的水能总量大1 0 倍，相 当于1 0 0 0 , - 1 0 0 0 0 座1 0 0 万瓦量级的原子能发电站l i j 。 自1 9 9 0 年以来，世界风力发电得到了飞速发展，风力发电装机容量几乎每3 年翻一番。根据 全球风能顾问委员会通报，2 0 0 4 年世界风力发电量提高2 0 ，达到4 7 3 1 7 兆瓦。2 0 0 6 年全世界新 增1 5 0 0 万千瓦的风能发电装机容量，比2 0 0 5 年增加了2 7 ，相当于新建1 5 座大型发电厂。现在 全世界风电总装机容量为7 5 0 0 万千瓦，欧盟各成员国名列榜首，占总数的7 2 ，北美位居第二。 其次是亚洲。从装机容量来看，近几年世界风力发电的发展速度非常之快。从1 9 9 6 年至2 0 0 4 年， 世界风力发电能力年均增长3 1 ，新增装机总容量达4 7 3 1 7 兆瓦，风电电量已占世界总电量的0 5 t 2 1 。在2 0 0 1 2 0 0 5 年的5 年间，全世界新增风力发电设备的发电能力约为3 9 0 0 m w ，到2 0 1 0 年全 世界总装机容量会超过1 4 00 0 0 m w ，预计2 0 2 0 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的1 0 ， 2 0 6 0 年可再生能源将接近总能源消耗量的一半。由于科技进步和生产规模的扩大使风力发电成本继 续下降，估计1 0 年后完全可与燃煤电厂竞争，成为整个可持续发展的能源结构中重要组成部分。 我国有着丰富的风能资源，“世界能源理事会”1 9 9 4 年风能评估报告指出，中国理论风力资源 潜力是1 70 0 0 t w h ，年，全国可利用的风能资源为2 5 3 亿k w ，风能丰富地区的风能密度为 2 0 0 3 0 0 w m 2 ，有效风力出现时间概率为7 0 左右，风速大于3 5 m s 的全年累计时数在5 0 0 0 - 7 0 0 0 h 例。最近十年，我国风力发电发展非常迅速，从1 9 9 0 年的不足4 i m w 迅速发展到2 0 0 7 年的 5 0 0 0 m w 。在现阶段，我国风电成本一般为0 4 5 - 0 7 0 元斤瓦时，仍需国家政策给予扶持。但是一 方面随着对能源需求的增加和环保法规执法力度的不断加大，另一方面随着风电技术作为一门不断 发展和完善中的多学科的高新技术，可以通过技术创新，提高单机容量，改进结构设计和制造工艺， 以及减轻部件重量，降低造价，风力发电的优势和经济性必将日益显现出来。考虑各种制约因素， 按当前实施的政策预计到2 0 2 0 年累积总装机约4 0 0 0 万千瓦；到2 0 3 0 年累积总装机约8 0 0 0 万千瓦； 2 0 5 0 年累积总装机约2 亿千瓦 随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界风力发电发展迅速，表现出了广阔的前景。未来 数年世界风力笈展的趋势可表现为“： 1 、风力发电从陆地风场向海面风场拓展 海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势。我国东部沿海有丰 富的风能资源，并且距离电力负荷中心近，海上风电场必将成为今后我国新兴的能源基地。 2 、风力发电机的单机容量逐步增大 自兆瓦级风力机出现后，风力机的尺寸和发电机组的单机容量增长速度迅速加快。截至2 0 0 7 年，商品化的风力机风轮直径达到1 2 0 米，单机容量达到5 m w 。随着各项技术的成熟，更大容量 的风力发电机组将从实验室走向工业应用。 3 、新型控制方案和新技术将不断被采用 在功率调节方式上，变速恒频技术和变桨距调节技术将得到更广泛的应用；在发电机类型上， 控制灵活的无刷双馈型感应发电机和设计简单的永磁型发电机将成为风力发电的新宠；在变换器上， 随着电力电子技术的发展，新型拓扑结构的变换器不断出现，变换器性能得到不断的改善；在控制 技术上，计算机分布式控制技术和新的控制理论将进一步得到应用；在驱动方式上，无齿轮箱的直 接驱动技术更加吸引人们的注意。 l 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 相比国外，我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，一些重要的原材料和零 部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。总体上，我国的风力发电目前仍处于起步阶段。 为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和 可再生能源产业发展的“十五”规划6 】【7 】，其中包括国家的光明工程和8 6 3 计划后续能源技术 主题等国家重大科技发展项目。有了国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。 1 2 风力发电技术概况 目前风力发电机组面临两个亟待解决的问题发电机组效率的提高和风力发电质量的控制。 提高风能利用率，降低风电成本是发展风电事业的必备前提。现代控制技术和电力电子技术的发展 为上述两个问题的解决提供了技术基础，应用这些最新发展的技术开展对这两个关键问题的研究， 对风力发电技术的进步具有重大意义。 在风力发电技术上，经过不断发展，世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、 管式塔的统一结构形式。进入2 1 世纪后，随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展， 世界风力发电技术得到了飞速发展，其主要体现在： 1 、风力发电机单机容量不断上升。随着材料技术和风力机制造和控制技术的飞速发展，风力 发电机的容量不断上升。现今单机容量为5 m w 的风机己经进入商业化运行阶段。 2 、无齿轮箱系统的直驱方式增多。去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计和制造成本，但有效 地提高了发电系统的效率和可靠性。 3 、变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式。采用变桨距调节方式避免了定桨距调 节方式中超过额定风速发电功率将下降的缺点。 4 、变速恒频( v s c f ) 方式迅速取代恒速恒频( c s c f ) 方式。变速恒频方式可通过调节机组 转速追踪最大风能，提高了风力机组的运行效率。 1 2 1 风力机的功率调节技术 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性嘲可知， 一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率厶的表达式为： 式中：c p 风能利用系数 图1 1 风力机性能曲线 0 = 0 5 c p p v a = ，r p d 2 v 3 q 8 2 东南大学硕士学位论文 第1 章绪论 p 空气密度( k g ，m ) ； a 叶轮的扫掠面积( m 。) d 叶轮的直径( m ) ； v 作用于风力机的迎面风速( m s ) 。 系数巴反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。 风力机的特性通常用风能利用系数c ，一叶尖速比a 曲线来表示，如图1 - l 所示。不同桨距角卢时， 风能利用系数g 对应的叶尖速比不同。叶尖速比： 五= d ( 2 v )( 1 2 ) 式中：n h 风力机风轮角速度( m d ，s ) ； 1 、定桨距功率调节方式 风力机的桨叶与轮毂的连接是固定的，即风速变化时，桨叶的迎风角度不会随之变换的发电机 组称为定桨距风力发电机组。定桨距功率调节方式具有结构简单、性能可靠的优点。这种机组的输 出功率随风速的变化而变化，从c 的关系看，难以保证在额定风速之前c 最大，特别是在低风速 段，这段区间系统效率较低。这种机组通常设计有两个不同功率，大功率高转速的发电机工作于高 风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区，由此来调整厶追求最佳风能系数g 。当风速超 过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低c ，从而维持功率恒定。 2 、变桨距功率调节方式 采用变桨距功率调节方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速时发电机输出功率下降的缺 点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，而要依靠叶片节距角( 气流方向与 叶片横截面的弦的夹角) 的改变来进行调节。变桨距型风力机能使叶片的安装角随风速而变化，从而 便于风力机在各种工况下( 起动、正常运转、停机) 按照风机最佳参数运行。在额定风速以下时节距 角处于零度附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力机，发电机的功率根据叶片的气动性能随风 速的变化而变化，以使发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量；当功率超过额定功率时， 变桨距机构将调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近，不需要采用过载能力大的 发电机。 1 2 2 变速恒频风力发电技术 发电机及其控制系统负责系统的能量转换，其运行状况和控制技术决定着整个风电系统的性能、 效率和输出电能质量，是整个风力发电系统的核心组成部分。根据整个系统的运行特征和控制技术， 风力发电技术可分为恒速恒频( c s c v ) 发电和变速恒频( v s c f ) 发电两类： 1 、恒速恒频风力发电 恒速运行方式下的风力机转速是不变的，而外界风速是经常变化，因此风力机的叶尖速比a 不 可能经常保持在最佳值，巴值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态，系统运行效 率较低。随着风力发电系统单机容量的增大，发电效率显得越来越重要追踪最大风能，提高整个 风力发电机组的运行效率是当务之急。随着电力电子技术、计算机控制技术及风力机制造和控制技 术的发展，使大容量风电机组实现最大风能追踪运行成为可能，而相应的恒速恒频风力发电方式将 逐渐转变为变速恒频风力发电方式。 2 、变速恒频风力发电 风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。由图1 - 1 风力发电机的基本特性可知， 风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，在此转速下风力机对风能的捕获效率最高，所以应控制 风力发电机运行在这个优化的转速下，实现系统的较优运行。 3 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 变速恒频风力发电技术使大容量风电机组实现最大风能追踪运行成为可能。变速恒频方式通过 控制发电机输出功率来调节整个风力发电机组的转速，使之在一定范围内能够快速响应风速的变化， 使风力机的叶尖速比a 达到最佳，以捕获最大的风能，提高风力机组的运行效率。与此同时，在采 用变速恒频技术后，也使得发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电 系统更容易实现并网操作及运行唧，其诸多优点受到了人们的广泛关注，使它越来越多地被应用到 大型风力发电机组中。自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式， 特别是m w 级以上的大容量风电系统。 随着风电技术的日趋成熟，风力发电正沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高风能利用 率的方向发展。风力发电机组一般采用同步或感应发电机，并网型的风力发电机组要求发电机输出 频率与电网频率一致，由于传统的同步或感应发电机不能变速恒频运行，风能的利用率比较低，因 此近年来能克服上述缺点的变速恒频风力发电机发展迅速。国际上对变速恒频双馈风力发电机的研 究比较充分并已有机组投入商业运行，但这种发电机的缺点也相当明显：由于存在主绕组和励磁绕 组，同容量电机的体积较大，效率也较低；发电机的极对数受体积限制不能过多，风机与发电机之 间必须要用增速装置，增加了机组的机械损耗，噪音污染以及维护工作量。国内外对能实现变速恒 频运行的永磁发电机开展了较多研究，研究显示永磁发电机在电机结构、并网方式、保护以及风一 电能量转换运行方式等方面具有独特的优点，目前已成为国际上的研究热点1 1 w 。 双凸极永磁( d s p m ) 电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的特点，一方面继承了开关磁阻电 机的结构简单、控制灵活的优点，另一方面具有永磁电机的功率密度高、效率高、功率因数高等优 点。d s p m 电机的一系列的优点，使得其很有前途能应用于大中型风电机组的变速恒频发电系统， 在风力发电场合将具有很好的应用前景。 变速恒频风力发电系统中间的变流电路根据风力发电机组的种类不同具有很大差异1j 。对于早 期的定桨距恒速风力发电机组，只在其并网过渡过程中，才采用晶闸管软切入，过渡过程结束后， 变流电路即被切除，变流电路并不是整个系统的核心。而对于变速恒频风力发电机组而言，中间变 流电路则起着很重要的作用，不仅完成电流频率的转化，而且还在晟大风能的获取中起着控制和调 节作用，是整个风力发电系统的核心所在。变速恒频风力发电系统中的变流电路种类繁多，其电路 拓扑结构多种多样，但是就其实现的功能和目标来看，他们又都是一样的，那就是如何将变风速条 件下，风力机发出的频率变化的交流电转换为与电网电压频率相同，能与电网实现柔性连接的交流 电。从其实现的功能上看是将一定幅值和频率的交流电转换为另一幅值和频率的交流电，因此从电 路结构上看，有交交变流电路和交直交变流电路两种变流结构。 对于传统的交一交变换器而言，由于没有中间直流环节，只用一次变流，所以有着较高的变流效 率，而且可以方便地实现四象限运行，功率可快速地双向流动，但是由于其采用相控方式，造成输 出电压中含有大量的谐波，低频输出时谐波含量尤其重，且其输入侧功率因数也很低，会在发电机 定子方产生大量谐波电压，严重影响输出电能质量，对电网和发电机产生严重的谐波污染和负面效 应【1 2 1 。随着电力电子技术和控制技术的发展，矩阵式交交变换器应运而生，其继承了传统交交变 换器的优点：频率一次变换：无需大容量的中间直流储能元件；功率双向流动；效率高等。由于采 用全控器件，运用先进的控制手段，又使得其具备交一直，交变换器的优点：输出电压灵活可控且其 低频谐波含量大大减少。另外，其输入性能也十分优良：输入电流保持正弦；输入位移因数可达到 0 9 9 以上并可自由调节，且与负载性质无关。但是目前国外矩阵式变换器的研究工作尚未完全成熟， 尚无商品化的真正意义上的双向开关器件、控制策略和保护方案都十分复杂制约其实用化【l 。 传统的交- 直交电压型变换器，则会出现输入采用二极管不控整流，造成输入电流畸变、谐波 增大，输入功率因数低，更为不利的是能量无法从发电机方送入给电网，只能在中间直流环节安装 升压电路，这样做很不经济，且对中间储能元件造成极大冲击。为解决传统交直交电压型变换器 存在的这些问题，可以采用p w m 控制的交直交电压型变换器”q 。由于交一直交电压型变换器的主 电路拓扑方案已经非常成熟，因此其体积小、成本低。技术上实现可靠，借助于成熟的p w m 控制 4 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 技术，在交直交变换器中对整流电路和逆变电路均采用可控p w m 进行控制，可以将整个变流电 路系统对电网和发电机的谐波污染控制得非常低。同时具有较高的功率因数，并且功率因数可调， 不仅如此，通过p w m 控制还可以非常容易地实现四象限运行，且其主电路设计、驱动电路设计、 保护电路设计及控制系统设计均比矩阵式变换器简易。 1 3 本文的主要工作介绍 本课题采用额定功率为1 2 k w 的双凸极永磁( d s p m ) 风力发电机建立了变速恒频风力发电系 统，在对现有常用的风力发电变流电路拓扑结构进行比较分析的基础上，选取了合适的变流电路拓 扑结构。针对选取的变流电路拓扑结构，设计并制作完成了直驱双凸极永磁风力发电系统的功率变 换器及其d s p 控制器和外围电路，包含硬件设计和软件设计两部分内容。 本课题研究的具体内容如下： 1 、分析和比较风力发电系统中常用的变流电路的拓扑结构，设计适合于直驱d s p m 发电机的 风力发电系统功率变换器，设计目标为使该变换器具有输入、输出特性好、功率因数高并且可调、 对电网谐波污染小等。对所设计的功率变换器进行数学建模和详细的理论分析，讨论其控制目标并 选取相应的控制策略。 2 、针对所选取的基于d s p m 发电机的风力发电系统的变流电路拓扑结构，结合变速恒频系统 的特点，以实现整个系统的最大能量跟踪和输入输出功率平衡为控制目标，分析和选取合适的控制 方法，利用m a t l a b s i m u l i n k 分析工具，建立整个风电系统的仿真模型，对仿真结果进行分析和 比较，最后选取合适的方案。 3 、重点设计和制作直驱d s p m 发电机风力发电系统的功率变换器及控制器硬件电路，包括外 围电路部分( 主要是基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的控制器、对应的电压电流采样调理电路、i g b t 驱 动电路和检测保护电路，l c l 滤波器) 。 4 、根据选取的控制方案，利用嵌入式c 语言在c c s 3 1 的编程环境下对d s p 控制器进行软件 代码编写并调试。 5 、联调软件和硬件电路。对实验数据和波形进行分析比较，修改调整相应设计参数，实现系 统的设计和控制目标。 通过实验测试，验证理论分析的正确性和系统控制器设计的合理性。将实验结果与实验波形和 理论仿真结果进行对比研究。 东南大学硕士学位论文 第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 2 1 双凸极永磁风力发电机系统结构 并网型d s p m 风力发电机系统的总体结构示意图如图2 - 1 所示。 图2 1 并网型d s p m 风力发电机系统总体结构图 由图2 1 可知，并网型d s p m 风力发电机系统包括以下主要部件： 1 、风轮 风轮是风力机的重要部件，它的作用是吸收风能并将其转化成机械能，是风力机区别于其它动 力机的主要标志。风以一定速度和攻角，作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变 成机械能，再由风轮轴将能量传送给传动装置。 在早期的定桨距风力发电机组中，风轮大多采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构。随着风力发电 机组设计水平的不断提高在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组的设计中，开始采用变距风轮， 桨叶和轮毂间通过可转动的推力轴承联接，提高了其在大风情况下的可靠性，同时也提高了系统的 效率。 2 、d s p m 风力发电机 早期的风力发电机组中的发电机一般采用分别在低风速和高风速时使用的双速异步发电机。现 今由于变速风力发电机组的发展，双馈异步发电机和低速永磁直驱式风力发电机发展很快，迅速成 为研究的热点。采用高性能稀土永磁材料的d s p m 发电机作为一种新型特种电机，在电机结构、并 网方式、保护以及风电能量转换运行方式等方面均有其独特的优点，目前已成为国际上的研究 熟点，是很有前途的能应用于大中型风电机组的变速恒频发电系统5 1 。 3 、变流电路 变流电路是整个风力变速恒频风力发电系统的核心组成部分，在整个系统中，变流电路起着很 重要的作用。不仅完成电流频率的转化，实现不同风速下最大风能跟踪，同时还有着保证整个系统 输入输出功率的平衡，保证整个系统安全、稳定运行的作用。根据风力发电机组的种类不同，交流 电路结构也是相差很大 4 、主断路器 风力发电机组运行状态下需要与电网联接，而在停机或是故障状态下则需要与电网断开，这就 6 东南大学硕士学位论文 第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 需要能控制开关的网侧断路器。另外，在永磁风力发电机与其交换器之间也必须要有断路器连接， 实现发电机在运行和停机状态下与变流装置的隔离，保证整个风力发电机组的安全稳定运行。 5 、输出滤波器 通常是由电感、电容的组合构成无源滤波器， 并网后则实现改善输入电用电流波形，减小e m i ， 6 、升压变压器 主要是为了滤除变换器输出电流中的高次谐波 减少对电网的污染。 选用的是工频升压变压器，主要作用是在风力发电系统并网前，将p w m 变换器输出交流电压 变换为与电网同样的电压等级。 7 、d s p 控制系统及检测器件 风力发电机组作为一个独立运行的大闭环系统，控制系统和检测器件是必不可缺少的。在本课 题中，控制系统采用指令处理速度快、指令功能精简强大，有着丰富的外围模块，系统集成度高的 数字处理芯片d s p - - - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 构成，有着可实现模拟控制无法取代的优点。控制系统有偏航和 桨距角控制、变换器控制、通信、安全链等功能。检测器件则包括风速和发电机转速检测，各种电 压、电流等电物理量的检测等等，以实现对系统的可靠、稳定地控制。 2 2 双凸极永磁风力发电机介绍 风力发电机是风力发电机组中将机械能转化为电能的装置，是将原动力与输出电能相连接的工 具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和装置的结构。因 此。研制和选用适合于风电转换、运行可靠、效率高、可控制性好且供电质量优良的发电机系统是 风力发电工作的一个重要组成部分。然而，风能是能量密度较低的一种能源。由风能驱动的风力机 工作在较低的转速，而传统的同步或异步发电机由于极数限制，因此需要在风力机和发电机之间采 用增速齿轮提高转速。直驱式永磁风力发电机取消了增速齿轮，因此具有重量轻、效率高、动态响 应快、安装方便、维护费用低等一系列优点1 1 6 - i h 。直驱式发电机在每分钟几十至几百转的低转速下 工作，为保证其输出在正常频率的范围内( 3 0 - - 8 0 h z ) ，发电机需要有较大的定转子直径和较多的 极对数。 双凸极永磁电机是上世纪9 0 年代初发展起来的一种新型电机，d s p m 电机结合了永磁电机和开 关磁阻电机的特点，一方面继承了开关磁阻电机的结构简单、控制灵活的优点，另一方面具有功率 密度高、效率高、功率因数高等优点。d s p m 电机的定转子均为双凸极结构，永磁体位于定子轭部 并具有独特的聚磁效应，因而，可以用相对较少的永磁材料获得较高的气隙磁密。国内外对其电动 机运行方式已作了较多研究1 2 0 j - 田j ，受到了人们日益广泛的重视。同时d s p m 电机也可作为发电机 运行，它的一系列的优点，使其在风力发电场合将具有很好的应用前景。 2 2 1d s p m 风力发电机结构 在本文中的d s p m 风力发电机具有2 4 个定子凸极和1 6 个转子凸极，8 块具有线性去磁特性的 钕铁硼永磁体位于发电机定子轭部。很明显，建立电机内部磁场的永磁体数量较少。从图2 - 2 中可 以看出，转子上无永磁、无绕组、无电刷，结构极其简单，能适应风力发电场合各种恶劣的自然环 境。组装后的外转子d s p m 发电机轴向剖面如图2 - 3 所示。由图可见，安装电枢绕组的定子铁芯位 于发电机中央，呈圆筒形的外转子依靠前、后轴承支撑，转子内圆周表面均布若干凸极。这种外转 子结构安排具有一系列优点b “m ： 1 、风力机的风叶可以方便地通过螺栓与圆筒转子前面板固定连接，实现风力机和d s p m 发电 机的直接驱动： 2 、由于外转子发电机气隙处直径增大，单位体积功率密度得到提高； 7 东南大学硕士学位论文第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 3 、外转子的圆筒可以起到保护发电机，防止其受到外界环境损害的作用。 转于 后轴承 电境 中空 转轴 内定于 图2 22 4 1 6 极d s p m 发电机纵截面图2 - 3d s p m 发电机轴向剖面 2 2 2d s p m 风力发电机原理 d s p m 电机的定转子极数有多种组合，基于d s p m 电机的工作原理，定子极数、转子极数和相 数的相互关系如下： 舻p j = 以2 r a k + 2 k ( z - 1 ) 1 弗：只 1 ) 式中：p 广一定子极数。 “一转子极数； 一相数： 卜正整数。 当电机以速度h 旋转时产生反电势的频率为： ，= 等 ( 2 - 2 ) w 为减少定转子铁芯损耗，一般取转子极数小于定予极数。根据发电机额定转速选择定转子极数 组合为协p ，= 2 4 1 6 ，注意到d s p m 发电机一相范围内定转子极重叠面积保持恒定，即气隙磁阻不 变，该气隙磁阻占永磁回路磁阻的绝大部分，故可以认为随着转子的旋转永磁回路磁阻保持不变。 因此，空载永磁磁链随位置角呈现线性变化，如图2 - 4 所示。线性变化的磁链在相绕组内感应的空 载反电势波形为理想的矩形波，当发电机加上负载时，将会产生电枢反应。 当机械功率作用于发电机可转化的电功率为 只= 警l n k , t , k , a , b , d f l , 口 ( 2 - 3 ) 式中：岛为电流波形系数，以为线电流密度或电气负荷，肛为定子极数，肼为转子极数，口为定子 内径，n 为转子每分钟转速，乓为气隙磁场强度，岛为转子斜极系数，幻为漏磁系数，为定子迭片 长度，嚼为定子极弧系数，r 为发电机效率。 由式( 2 - 3 ) 表达的功率方程揭示了发电机的输出功率和设计参数之间的关系。 s 东南大学硕士学位论文第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 f ，一 一，_ 图2 - 4 永磁磁链和感应反电势波形 2 3 变速恒频风力发电系统变流电路 2 3 1v s c f 系统变流技术简介 变速恒频风力发电机组是最先进的一种风力发电机组类型，是当今风力发电机组的主流。2 0 0 1 年全球装机容量中7 5 的风机采用可变速风机，2 0 0 2 年8 0 的大型风机采用变频驱动技术忡j 。变速 发电机所具有的诸如低风速时自动追踪最大风能和高风速时可缓冲风机受到的机械冲击等特点，主 要是通过其具有良好性能的变流电路及其对应的控制策略得以实现的。变速恒频风力发电机中的变 流电路拓扑结构虽然种类繁多，但是实现的功能和目标都是一样的，就是将发电机组发出的频率变 化的交流电转变为与电网同频，并且能与电网实现柔性连接的交流电。而实现这一目标的变流电路 结构，有交交变流( a c - a c ) 和交直交( a c i x 7 a c ) 变流电路两种结构。 图2 5 早期变速恒频风力发电系统变流电路拓扑 电 网 早期变速恒频风力发电并网系统的变流电路主要采用晶闸管相控整流和相控逆变的电路结构， 其电路结构如图2 - 5 所示。在系统连接电网一侧，需接入体积很大的滤波电路，以此来保证发电系 统送入电网的电流的谐波符合并网要求。随着电力电子技术的发展，特别是全控型器件i g b t 的出 现和p w m 调制技术的提出，晶闸管相控整流器和逆变器逐步被采用i g b t 功率器件的p w m 整流器 和逆变器所取代。 p w m 变换器的主要优点有：功率可以双向流动；输入电流正弦而且谐波含量少，使得风力发电 机的输出功率因数得到改善，谐波损耗也大大降低；功率因数可以调节，可运行在单位功率因数下； 在发电机输出电压变化的情况下直流母线电压可以调节；对p w m 变换器的有效控制可以使直流储 9 东南大学硕士学位论文第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 能用的电解电容容量有所降低，并且使得送入电网的电流谐波都是高次谐波，只需要简单的滤波电 路就能得到良好的电流波形。随着电力系统谐波和无功问题越来越严重，作为一种积极而有效的解 决方法，p w m 变换器变得越来越重要其应用也越来越广泛。其主要的应用场合有用于四象限的电 机驱动、直流分布式供电系统及变速恒频风力发电系统等。 2 3 2v s c f 变流电路拓扑结构 当前变速恒频系统中的常用的变换器主要有两电平电压型双p w m 变换器、多电平变换器、矩 阵式变换器等几种类别。下面对这几种常用变换器做出简单介绍： 1 、两电平电压型取p w m 变换器 两电平电压型双p w m 变换器( b a c k - t o b a c kp w i v ic o n v e r t e r l 2 7 1 ) 是由两个电路结构完全相同 的两电平电压型三相p w m 变换器通过中间直流环节背靠背式连接而成。在运行过程中，两个p w m 变换器的功率可以双向流动，通常按照它们的位置分别称之为网侧p w m 变换器和发电机侧p w m 变换器。其结构图如图2 - 6 所示。 其主电路结构简单，性能可靠，变换器之间的直流环节可使两个p w m 变换器的控制实现解耦， 这使得两个变换器可以独立地分开控制而不会相互干扰。如果网侧出现轻度故障时，可以通过有效 地控制网侧p w m 变换器保持直流环节电压不变，这样不至于影响发电机侧变换器的控制：反之， 若是发电机转子出现不正常运行的情况，只需要通过对发电机侧的有效控制即可，对网侧p w m 变 换器而言只是相当于一个输入扰动。这种结构使得这种变换器自身具有对电网故障有较强的适应能 力。此外由于发电机侧p w m 变换器是一种b o o s t 升压电路，所以从理论上讲，只要选取合适的电 路参数，直流环节电压可以在很大的范围内调节，但实际上往往根据器件的容量、耐压、发电机运 行要求及整个系统的损耗等因素综合决定直流环节电压的大小。 同时这种变换器由于大容量直流环节电容的存在，降低了整个系统的可靠性和使用寿命；无论 是网侧变换器还是发电机侧变换器，同一桥臂的上下两个功率器件之间的换流都是通过器件的硬开 关实现的，因此运行时的开关损耗比较大。对网侧p w m 变换器而言，为了不使高频的谐波电流污 染电网，通常要在与电网联接处附加e m i 滤波器。 a c o 图2 - 6 两电平电压型双p w m 变换器拓扑结构 a c 2 、多电平变换器 对于前述的两电平电压型双p w m 变换器，功率开关器件只能将变换器的输出端交替地接至直 流母线电压的正端或负端，其输出线电压绝对值只可能是零或者直流母线电压二者之一，可见变换 器的输出电压的变化率较大，谐波含量也较大。而多电平变换器的输出端可以有更多级的输出电压 波形，输出电压的变化率小，谐波含量少，波形也更接近正弦，大大地降低了e m i 滤波器的设计难 度，变换器的性能更好，同时也降低对功率器件的耐压要求。多电平变换器的这些优点更加有利于 高压大容量的电力电子变换，能够实现较大容量的电能变换。图2 - 7 所示为多电平变换器中的三相 二极管钳位三电平变换器拓扑结构。 1 0 东南大学硕士学位论文 第2 章变速恒频双凸极永磁风力发电系统设计 多电平变换器输出电压变化率小，功率开关器件的开关损耗少。在获得相同谐波性能条件下， 多电平变换器的开关频率仅为两电平变换器开关频率的2 5 并且多电平变换器的电压传输比高， 对输出电压的控制能力强。 对于多电平变换器来说，最普遍的一个问题是直流母线上两个直流母线电容分压不均衡的问 题。在三电平变换器中，这个问题不是很严重。直流母线电容分压不均衡主要是由以下三个因素引 起的：每个电容的实际电容值不尽相同、死区时间设置不准确及负载不平衡：多电平变换器的导通 回路中的功率开关数目要比普通变换器都要多，这使得其导通损耗增大；但另一方面，由于每个功 率开关只承受一半的直流母线电压，其电压定额可以降低，所以每个开关的通态损耗降低了，从而 一定程度上抵消了由功率开关数目较多引起的损耗增大的问题。