（机械电子工程专业论文）永磁直驱风力发电系统低电压穿越技术研究.pdf

永磁直驱风力发电系统低电压穿越技术研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 摘| 要 近年来风电行业发展迅速， 风电的装机容量在电网中的比重越来越高，对风机并网 特性的研究已经尤为重要。由晋直驱型永磁同步风力发电机具有结构相对简单、维护成 本较低等优点，使其在风电市场上占有了越来越多的份额。本文对该机型的低电压穿越 进行了研究，主要包括以下内容： 首先，建立了直驱型永磁同步风力发电机的数学模型：主要包括风力机模型、发电 机模型，机侧变流器和网侧变流器模型。在空间矢量调制理论的基础上提出了机侧变流 器和网侧变流器的控制策略。进而，从能量传递的角度提出了低电压穿越的总体控制方 案。 其次，在m a t l a b 仿真软件中对直驱型风力发电系统进行了建模。分别对风力机、 机侧变流器和网侧变流器进行了仿真研究。对风机在电网跌落情况下的低电压穿越能力 进行了仿真研究，验证了总体控制方案的正确性。 再次，在仿真研究的基础上对1 5 0 k w 的直驱型风机的变流器进行了硬件设计和软 件设计。所设计的变流器主要电路包括控制电路和功率电路，给出了机侧变流器和网侧 变流器的控制框图。 最后，分别对机侧变流器和网侧变流器进行了小功率原理性实验，对变流器的控制 策略和矢量调制算法进行了实验分析，证明了变流器控制原理的正确性。在小功率实验 的基础上对机侧变流器进行了满功率实验，进步对变流器软硬件设计的合理性进行了 验证。对卸能电阻维持直流母线电压效果进行了实验分析。实验结果证明，本文所提出 的变流器控制策略是正确的，卸能电阻能够有效的维持母线电压的稳定，达到了设计目 标。 关键词：永磁同步发电机；低电压穿越；卸能电阻；空间矢量脉宽调制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h ew i n dp o w e r i n d u s t r yd e v e l o p e dr a p i d l y ，w i t ht h ei n c r i e a s i n gs l h a r eo f t h ew i ndp o w e ri nt h ep o w e rs y s t e m ，t h er e s e a r c ho ft h ew i n dg e n e r a t o rg r i dc h a r a c t i z r i s t i c s h a sb e co m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a 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 o r ( d p m 。, g ) h a v eg r a b b e da ni n c r e a s i n gs h a r eo ft h em a r k e ti nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t so w n a d v a n t ag e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o w e rc o s ta n ds oo n t h el o wv o l t a g er i d e t l m ：o u g h ( i r t ) i s s u e so fd p m s gi ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h em a i nc o n t e n tl i s t e da sf o l l o a ，i n g ： f i rs to fa l l ，s t u d i e dt h ed p m s g sm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi n c l u d e sw i n dt l l r b i n e m o d e l ，p m s gm o d e l ，m o t o r - s i d ec o n v e r t e rm o d e l ，g r i d s i d ec o n v e r t e rm o d e l ，a c c o r d i n gt o s p a c ev , , c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) w o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g no ft h em o t o r s i d e c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h eg r i d s i d ec o n t r o ls t r a t e g y f u r t h e r m o r e ，t h el v r tc o n t r o ls t r a t e ：g yi s p r e s e n t ( df r o mt h ee n e r g yt r a n s f e rp o i n to fv i e w s e c o n d l y , c a r r i e so u td p m s g sm o d e lo ft h es i m u l a t i o ns y s t e mi nm a t l a b s i m u l a t i o n a n a l 3 7 s i so ft h ew i n dt u r b i n e ，m o t o r s i d ec o n v e r t e r ，g r i d s i d ec o r n ，e r t e ra n dd p m s g si n r t a r ec a r r ie d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r es h o w e dt h a tt h el v r tc o n t r o ls t r a t e g yi sr i g h t t h ! r d l y , b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea sw e l la ss o f t w a r e ( ) ft h e 15 0 k w 】) 一p m s g sc o n v e r t e ra r ef i n i s h e d t h em a i nc i r c u i t i n c l u d i n gc o n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i t a n dp o xe e rc i r c u i t ，t h em o t o r - s i d ec o n v e r t e ra n dg r i d s i d e c o n v e r t e rc o n t r o ld i a g r a m a r e i n t r o d u ce di nt h i sp a p e r f i na l l y , t h r o u g ht h em o t o r s i d e c o n v e r t e ra n d g r i d s i d e c o n v e r t e rs m a l l p o w e r e x p e r i mr o t s ，t e s t i f yi t sc o n t r o ls t r a t e g ya n ds v p w m a l g o r i t h m ，p r o v e st h ec o n v e r t e ri st h e c o r r e c t n ：s so ft h ec o n t r o lp r i n c i p l e 0 nt h eb a s i so f t h el o wp o w e r e x p e r i m e n t s ，r a t i o n a l i t vo f t h eh a r dw a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n v e r t e ri s f u r t h e rv e r i f i e db ym a k ef u l lp o w e r e x p e r i m ir o t s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t ，t h ec o n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e d 协t h i s p a p e ri sc o r r e c t ，t h es t a b i l i t yo ft h eb u sv o l t a g ei sm a i n t a i n e de f f e c t i v e l yb yu s i n gu n l c i a d i n g r e s i s t a n ce ，a n dt h ed e s i g ng o a li sr e a c h e d k e y w o r ( 1 s ：p m s g ；l v r t ；u n l o a d i n gr e s i s t a n c e ；s v p w m 第一章绪论 ；i i ；i i i i i i , i i ! rl , i i i i i i i i i i i 第一章绪论弟一早i 珀t 匕 1 1 选题的背景及意义 随着世界文明的不断进步，人类已经消耗了大量的化石能源，而伴随着全球经济的 不断发展，能源的需求更是在不断增加，可是地球能够提供给我们的化石能源是极其有 限的。这些传统能源大量消耗不但带来了环境污染、气候变暖等一系列问题同样也严重 制约着人类社会的持续发展。当许多国家都在积极寻找化石燃料替代品时，日本福岛第 一核电站发生的一系列事件给核能利用蒙上了一层阴影，许多人开始对核能的发展提出 了担忧。 风能，这种可以说是取之不尽、用之不竭的新型能源被越来越多的人所看重，它十 分安全而且对环境基本上没有污染，最关键的是地球上人类可利用的风能总量十分巨 大。随着风力发电技术的不断完善，风能必然会为人类未来社会发展做出巨大的贡献。 1 1 1 风力发电发展现状 由2 0 世纪7 0 年代的石油危机所引发的经济危机让许多人认识到了社会经济发展对 传统能源的依赖，进而带来了风力发电的迅猛发展。许多国家为了改进本国的能源结构， 为风力发电提供了许多支持政策并投入了大量的人力、物力来开发研制新型风力发电机 组，开创了风能利用的新时期。伴随着技术的不断成熟，成本的持续降低风力发电对国 家政策支持的依赖性正在不断减小。风能已经成为了世界能源组成中不可或缺的一部 分。 近十年来，在努力提高能源使用安全、积极应对温室效应等气候问题的大背景推动 之下，全球风电累计装机容量保持了近3 0 的年均增长速度，这在能源发展史上是十分 罕见的。根据世界风能协会的统计，至2 0 1 0 年底，全球风电累计装机容量已达到1 9 4 3 9 万千瓦。中国、美国、德国、西班牙和印度5 国的累计装机容量均已超过1 0 0 0 万千瓦， 成为了占据全球风电装机总容量近四分之三份额的世界前5 强。从目前世界各国的风电 利用水平来看，处于比较领先地位的是欧洲的丹麦、葡萄牙、西班牙和德国，其风电发 电量分别占全国总用电量的2 1 、1 8 、1 6 和9 。 由于我国的能源结构中火力发电占了相当大的比重，这种单一的能源结构不但消耗 了大量的煤炭同时也带了诸多的社会问题跟环境问题，严重影响着我国经济的可持续发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 展【1 】。发展风电不但可以优化我国的能源结构，减少温室气体的排放还司以带来我国新 能源产业的发展，推动经济的增长。近几年来随着国家一系列支持政策的出台，我国的 风电乏展进入了快速发展阶段。2 0 1 0 年中国( 不包括台湾地区) 新增安装风电机组1 2 9 0 4 台，装机容量1 8 9 2 7 9 9 m w ，年同比增长3 7 1 ；累计安装风电机组3 4 4 8 5 台，装机容 量4 4 t 3 3 2 9 m w ，年同比增长7 3 3 【2 】。2 0 0 0 2 0 1 0 年我国风电新增装机容量和累计装机 容量增长趋势如图1 1 所示。 晤菊辆丽百i 丽 誉 = 螂 繁 - 一 置； 烈 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 图1 1 中国2 0 0 0 2 0 1 0 年风电新增装机容量和累计装机容量增长趋势图 1 1 2 风机功率控制技术发展概况 随着风力发电技术的不断发展进步，风机的功率控制技术也在不断的进步，由最初 的定桨距型风力机发展到变桨距型风力机，而变桨距型风力机又从转速固定型发展到现 在技术最先进的可变速型变桨距型风力机，采用此种风力机的风机使用的是变速恒频技 术【4 】。功率调节方式的飞速发展使得风机的风能利用效率显著提高，使得风机在风速很 低的情况下也能向电网输送电能，提高了风机的产能。虽然近几年来我国风电行业发展 迅速，但是由于起步较晚，对于大型变速变桨距型风力发电机组的研究水平跟世界上最 先进的一些国家还是有一定的差距的。 在世界各地的风力发电场，还有四种功率调节方式在被广泛使用，这四种方式为3 ： 桨距失速调节方式、变桨距调节方式、主动失速调节方式和变速恒频调节方式。 1 毫桨距失速调节功率控制技术 在芽! 用定桨距失速调节方式的风电机组中，风机的叶片与轮毂之间连接方式是刚性 的，在风速变化的时候叶片不能随之变化来改变角度，只能被动捕获风能。而这一凋节 定风速时，由于风力机的叶片角度是不变的，i 气流会在1 1 f 片处产生涡流使得风机桨叶的 升阻比下降，风力机所捕获的风能不会随着康速的提高而增多，进而使得发电机输出的 电能得到控制。该种机型的功率调节方式是被动的但是在控制算法上要相对简单。对于 采用此种功率调节方式的风力机来讲有两个技术难点需要解决：一是风力机要有较高的 机械强度，因为当风速过快时风力机依然要保证对发电机输入风能保持在额定值附近； 二是风电机组由于某些原因要突然切出电网时，叶片要有一定的刹车能力。对于惯性巨 大的定桨距风机如果只在连接轴处采用机械刹车，对风机整体的机械强度会造成严重破 坏。由新型的复合材料制成的桨叶和叶尖扰流器的应用成：叻解决了以上两个难题，这使 得失速型风机可靠性高和成本低廉的优点愈加明显。在过去的2 0 年里，此种风机一直 是风电市场的主力机型，即便是在如今的风电领域失速型风机仍占有一定的市场份额。 2 变桨距调节型功率控制技术 采用此种功率调节方式的风力机能够通过改变风轮上叶片的角度，来控制风机捕获 的风能。当风机工作在额定风速以下时，工作特性与定桨距风机相似，叶片的角度的变 化范围很小。当风机工作在额定风速以上时；风力机的变桨距调节装置开始发挥作用， 通过改变叶片的角度来控制风力机捕获的风能，保证了发电机的输出功率。这种结构方 式可以降低风机的切入风速并且在风机进行刹车操作时能够大大减小对制动器件的冲 击，延长了风机的使用寿命。该风机的功率调节主要是依靠风力机的桨距调节，而在实 际应用中风力机的调节速度往往跟不上风速的变化速度，会造成风电机组的瞬时过载， 对风机本身以及风机所在处的电网产生不好影响，为了减小这种影响人们在这种风机上 采用了许多办法。其中一种常用方法在传动结构中安装弹性环节，降低自然风的波动给 发电机输出功率带来的影响。 3 主动失速型功率控制技术 主动失速型功率调节方式是定桨距失速调节方式和变桨距调节方式二者优点的结 合。风力机的叶片通过轴承安装在轮毂上，叶片本身可沿其纵向轴线旋转。在风度较低 时风力机可以通过改变叶片的节距角使风机可以工作在最佳功率曲线上。当风速过快 时，又可以主动失速使风力机捕获的风能维持在额定值附近。该种调节方法不需要灵敏 的调节速度，可通过控制叶片角度完成启停机。 4 变速恒频功率控制技术 变速恒频技术是近年来发展最为迅速一种风机功率控制技术。采用这种调剂技术的 风电机组在运行时，由于发电机的转速跟随风速的变化而变化，发电机输出的三相电的 3 哈尔滨：j ：程大学硕士学位论文 电压和频率也是变化的，通过后面的调制电路将不定频的三相电调制成与电网频率相同 的交流电来实现并网。在目前的风电市场来看，变速恒频控制技术是最优化的控制技术， 它的切入风速很低、风能的利用率很高、结构又相对简单并且该种风机的后期维护成本 也较低3 。 1 1 3 风力发电机组发展方向 1 单机功率不断增大 在过去的近2 0 年里，随着风电技术的快速发展，风机单机容量增加了近2 0 0 倍， 叶轮直弪增加了近1 0 倍。现在世界上最大的商业化风力发电机组单机容量为6 m w ，而 在1 9 8 0 年商业化的风电机组单机容量仅为3 0 k w 。由于风机的单机容量越大其发：电的 综合成本越低，而风力发电机组的大型化还并没有遇到技术瓶颈，所以风力机组的单机 容量还：肾不断增大。而随着单机容量的不断加大，风力发电的成本将不断降低甚至能够 低于传统火力发电，这将大大加快风电的推广。 2 传动系统不断创新 在一专统的风力发电机组中，其发电机都是通过变速齿轮箱来实现与叶片主轴相连接 的。这种连接方式不但增加了安装及维护成本而且由于系统中存在多级传动必然降低了 风力发电机的发电效率。随着风电机组单机容量的持续变大，这种连接方式的问题也就 日益突渤，于是不存在变速齿轮箱的直驱式风力发电机便迎来了快速发展。直驱式风力 发电机是将同步发电机与叶片主轴直接相连，这种传动系统结构紧凑、故障率低，维护 成本要：弋大优于带有齿轮箱的传统风机，是未来风力发电的发展趋势【6 l 。 3 永磁同步电机的应用 随着研究人员在大功率变流和永磁材料领域不断的取得进展，永磁同步风力发电机 组受到i f 越来越多的关注。相比于传统机型，永磁同步发电机的发电效率更高，机组整 体机构相对简单。由于其通过变流装置向电网输送电能实现了与电网的隔离，对电网的 影响很、。多磁极低转速的永磁同步风电机组已经成为了商业化大型风机的热门机型。 4 海上风电飞速发展 对 二风力发电来讲海上风电有着许多陆上风电没有的优点。首先，在海面上空气流 动没有越l 挡物，同地区海上风速要远远大于陆地风速；其次，在海上修建风电场不占用 宝贵的陆地资源，不会受到地形的限制；另外，海上风电相对于陆上风电要稳定，这在 电网薄弱地区显得尤为重要。由于许多经济发达城市都分布在沿海地区，在其附近修建 4 第一章绪论 海上风电场可以为其提供直接的能源的支持，为其提供更好的发展环境7 ，8 1 。 1 2 风力发电机组低电压穿越技术研究现状 近些年来，风力发电在世界范围内发展迅猛，装机总容量保持着近3 0 的年增长率， 到2 0 1 0 年为止世界风电的总装机容量已经达到了1 9 9 5 2 3 m w ，在世界能源总成中风电 已经占据了越来越大的比例。由于风力发电特性不如火力：发电稳定，当风电在电力系统 中占有很大比例时，对风电系统并网特性的碲究就显得十分重要。为了确保电网的稳定， 风力发电机组必须具备在电网故障时的运行能力，这也是风力发电进一步发展的必须条 件【9 。1 。 1 2 1 低电压穿越的相关规定 低电压穿越( l o wv o l t a g er i d et h r o u g h ，l v r t ) ，是指风力发电机组在其并网点的电 网电压发生跌落时，能够保持并网运行不脱阏，并向电网输出无功功率帮助电网恢复正 常，“穿越”这段电网故障时间 1 2 - 1 3 1 。风力发电并网系统与传统的并网发电设备最大的 区别在于：在电网故障或扰动期间风力发电系统不能维持电网的电压和频率，这对电力 系统的稳定性是非常不利的，必须考虑电网故障或扰动时风电系统的各种运行状态对电 网稳定性的影响。在风电发展的开始阶段，风电机组会在：其并网点电压跌落时主动脱网 来保障其自身安全，由于那时风电占电网比重很小，风电：饥组的这种保护措施不会对电 网造成严重后果；然而随着风电快速发展，风电占电网比重越来越大，如果风机还是采 用原来主动脱网的保护措施，由此电网故障引起的大量风电机组切除会导致系统潮流的 大幅度变化甚至可能引起大面积的停电，甚歪可能加剧故障，导致系统其他机组全部解 列。风电机组的低电压穿越技术关系着未来凤电能否大规模应用，对其相关技术的研究 是及其具备商业价值和社会价值的。 在丹麦、德国等一些欧洲发达国家，很早以前就开始了对风力发电的开发和利用。 经过多年来的不断发展，风电在当地已经成为了一种主要的能源来源，在这些地区有关 风力发电的技术研究处于世界先进水平，并先后制定了许多风力发电行业的技术标准， 其中包含了低电压穿越技术的相关规定。由于每个国家的实际电力情况不同，相应的低 电压穿越的技术标准也就各有差异，其中德国的e o n 标准是影响最大的标准之一，它 不但规定了风力机组的在电网电压跌落时的穿越能力范围，还对此时风力机组对电网提 供的无功支持进行了详细规定，如图1 2 所示。 5 哈尔滨11 程火学硕士学位论文 故障发生时刻 图1 2 德国e 0 n 标准中的低电压穿越能力曲线 德雪的e o n 风机低电压穿越标准规定，风力发电机要在其并网点电压跌落至：电网 电压1 5 时，能够保持并网工作6 2 5 m s 4 0 1 。只有当电网出现图1 2 中曲线下方故障州才 允许风；几脱网。在阴影区域，还要求风电机组能为电网提供无功补偿，以帮助电网尽快 恢复。 1 2 2 王驱发电机组低电压穿越研究现状 近：手来随着相关技术不断进步，直驱永磁风力发电机组发展迅速，其技术不断成熟、 发电成：拉不断降低逐步成为了风电主流机型之，而对其低电压穿越技术的研究也就变 得尤为：重要。 相对于双馈感应风力发电机组由于直驱永磁风力发电机组特有全功率变流器并网 结构使得风机与电网没有直接的耦合，所以其低电压穿越能力要更加具有优势。直驱永 磁风力发电机组的低电压穿越核心关键就是解决其直流侧能量堆积的问题。常规控制策 略使得永磁同步电机输出功率几乎不发生变化，而网侧电压跌落，若电机依旧输出跌落 前同等功率，则会造成过流。若对输出电流进行限制，则输送到电网的功率受到限，制， 输入输出功率的不平衡会导致中间直流侧电压上升 4 7 1 。在这种情况下如果：不采取相应的 措施，风力机组将会受到不可逆的损坏。 因为直驱式风机的发展历史相对较短，所以国内外对其低电压穿越技术的研究相对 较少。二e 献 1 4 首先建立了直驱永磁同步风力发电系统模型，采用了解耦控制方式，提 出了按f 王网电压跌落幅度来减小发电机输出功率的低电压穿越的控制策略。文献f 1 5 采 用改进的瞬时对称分量法对电网电压瞬时值进行对称分量分解，提出了电网电压不对称 第一章绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 薯i i i 毒i 毒i i i i i i 鲁i i 宣i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣 跌落时d p m s g 的低电压穿越控制策略。文献 1 6 对常用的c r o w b a r 电路进行了分类， 并讨论了各自的优缺点。分析表明，直流侧c r o w b a r 保护电路是优选方案，具有较低的 成本和较高的可靠性；串联辅助变换器c r o w b a r 保护电路补偿性能好，响应速度快。 文献 1 7 】通过仿真得出结论：在含风电场的电网处加装s a t c o m ( 静止同步补偿器) ，可 以提高系统的可靠性和电压调节效率。相关研究大体可以两个方向：一是改进控制策略； 二是增加硬件辅助电路。此外，如何快速准确的检测到风机并网点电压跌落也是低电压 穿越研究的热点之一。 1 3 本文的主要内容 本文主要以直驱型永磁同步风力发电机为研究对象，对该机型的低电压穿能力进行 了研究，主要工作如下所示。 第一章叙述了研究风力发电的背景及意义，简单描述了风电机组的发展向，对低电 压穿越技术相关规定以及直驱永磁风力发电机组低电压穿越技术研究现状进行了介绍， 说明了研究低电压穿越技术的必要性。 第二章介绍了空i 瑚矢量调制理论、机侧交流器和网侧变流器的数学模型。提出了针 对直驱型永磁同步风机变流器的矢量控制策略。在此基础上，对风机的低电压穿越方案 进行了分析介绍。 第三章在前文所介绍的数学模型的基础止，按照所建立的控制策略，对机侧变流器 和网侧变流器进行了仿真分析。构建了整个直驱型风力发电机的仿真模型，针对不同的 低电压穿越方案进 g t 仿真分析，验证了本文所提出的低电压穿越策略的正确性。 第四章在前文仿真分析的基础上，对风机变流器进行了硬件设计和控制程序设计。 介绍了变流器的主要电路，给出了机侧变流器和网侧变流器的控制流程图。 第五章在设计完成的变流器基础上进行矿实验。主要包括低功率整流实验、低功率 逆变并网实验和大功率整流考核实验。并对卸能电阻维持直流母线电压的能力进行了实 验。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第二章永磁直驱风电机组控制系统总体方案 ：举章首先提出了全功率永磁直驱拓扑结构并对其进行了分析介绍，之后描述了系统 所采用的矢量调制技术( s v p w m ) 技术原理及其实现方法，最后提出了适合于谚i 拓扑结 构下的低电压穿越方案。 2 1 永磁直驱风电全功率并网变流器概述 f j 前使用的风电全功率变流系统是基于s v p w m 变流器电路拓扑构成的 2 3 1 。 s v p w m 变流器采用了全控型功率开关管，这与传统意义上的不可控a c d c 变换设备 是有很大区别的。采用了s v p w m 变流技术的变流器可以实现能量的双向传送，它既可 以工作在整流状态又可以工作在逆变状态，而且其网侧的功率因数是可调的。在本文中 将风：b 发电机侧的变流设备称为机侧变流器，将电网侧的变流设备称为网侧变流器 2 0 - 2 1 】。永磁同步直驱系统全功率风机变流器总体结构如图2 1 所示。 术叻! 忮流器眄9 f 9 1 收流器电网 图2 1 水磁同步直驱系统全功率风机变流器总体结构 该结构的特点是永磁同步直驱型风力发电机( p m s g ) l 5 电网之间是通过两台全控型 s v p w l d 变流器来连接的。台用来整流而另台用于逆变，通常将这种变流结构称为 背靠背结构。发电机定子输出与机侧变流器相连，通过变流器的解耦控制，可以宴：现发 电机无功功率和电磁转矩单独调节。相对于传统的二极管不可控整流方式，这种解耦控 制可以：阿效解决输入电流畸变问题，大大减少了永磁发电机的损耗，延长了发电机的使 用寿命c 同时这种拓扑结构还具备了b o o s t 电路的升压特性，能够完成整流和升压两部 分工作c 在电网侧同样是通过全控型变流器来连接风力机组和电网。这中连接方法减少 了风机对电网的谐波污染，同时可以通过解耦控制，方便快捷的调整风力机组向电网输 第二章永磁直驱风电机组控制系统总体方案 送的无功功率，有利于实现风力机组在电网电压跌落时的无功补偿。 这种背靠背的拓扑结构能够有效的完成a c d c a c 的变流和控制【i8 i ，不但可以 实现对p m s g 最大效率、最小损耗控制而且这种控制方式能够实现功率因数的快速调 整，有利于风力发电机组实现低电压穿越。这种结构的缺点主要是两个全控变流器将会 增加系统成本，但是随着大功率变流装置技术的不断进步，此拓扑结构将会得到广泛应 用。 2 2 风力机的特性 物理学家贝兹于1 9 2 6 年建立了风力机的气动理论。贝兹理论是在理想状态下得出 的结论。假定风轮没有轮毅，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外， 假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向都为轴向。理想风 轮的气流模型如图2 2 所示。 图2 2 理想风轮的气流模型 其中：u l ，d ，u 气流在风力机上游，流经和下游的速度，m s s ，是，s 气流在风力机上游，流经和下游的截面积，m 2 这里认为自然风是不可压缩的，由能量守恒定理可以得到【2 4 】 s l ) 1 = 是l ) 2 = s l ) 3 气流作用在风力机上的力，和提供的功率p 可分别表示为 f = jp s v 2 ( u 】2 一u 3 2 ) 上 p = 去p s u 2 ( u 1 2 0 ，2 ) ( d l + u 3 ) ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 由于在面s 处风速u ，为给定值，p 可以看做是以l ) ，为变量的函数。对式( 2 - 3 ) 积分就 可求得风力机可获得的最大功率【”1 圪。= 万8p 跚3(2-4) 将式( 2 4 ) 除以气流通过面s 时所具有的总动能，可得风力机的理论最大效率为 9 矿去2 争5 9 3 陋5 ， 式( 2 5 ) 中所得结果便是贝兹理论的极限值，它说明了风力机在自然风中所能获得的 风能是有极限的，极限值为5 9 3 ，气流通过风力机后是仍具有一定的动能的。由于实 际应乒j 风电机组都存在这传动和摩擦损耗，风力机的实际效率是要小于o 5 9 3 的，用c 。 表示，则综上司以得到风力机所得到的实际功率为 e = c p p s v l 3 ( 2 - 6 ) 2 3 垒垒标变换及空间矢量调制技术 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 和正弦p w m 不同，它是从电动机的角度出发，使电动 机获篌：幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁 场为基准，用变流器不同的开关模式所产生的实际磁场去逼近基准圆磁场，由此形成 p w m 皮形。基于s v p w m 的控制器被广泛应用于三相变流中，其具有许多优点，如确 定的开关频率、优秀的电压电流谐波畸变率、较高的直流电压利用率等。 2 3 1 坐标变换 由于变流器的交流侧均为交流量，不利于在三相静止对称坐标系( 口，b ，c 讨，设计 控制系统。为了简化变流器的数学模型，便于实现对变流器的控制，可以通过将三相静 止坐标系( 口，b ，c ) 转换成同步旋转坐标系( d ，g ) 。经过坐标变换，原来的时变交流 量转化成了直流变量，从而使得控制系统得到简化，降低了控制难度。坐标变换是通用 矢量分解等效的结果，主要分为“等量变换和“等功率”变换两类，两者变换思路一 致。“等功率变换相对于“等量”变换计算相对复杂，因此在本文中采用“等量： 变 换。 1 c l a r k 变换 c 1 r k 变换是由三相静止对称坐标系( 口，b ，c ) 向两相静止垂直坐标系( a ，p ) 的转 换【2 6 】。訇2 3 为三相静止对称坐标系( 臼，b ，c ) 与两相静止垂直坐标系( 0 ，届) 的空问 位置关系。其中a 轴与卢轴重合，而仅轴滞后a 轴9 0 。相角，电流矢量，与o ：轴相角为0 ， 屯，f b ，艺，屯，t 分别为电流矢量，在a 轴，卢轴，a 轴，b 轴，c 轴的投影。 若e 王流矢量与口轴相角为0 ，则i 在a 轴，卢轴上的投影满足 图2 3 坐标系( 口，b ，c ) 与坐标系( a ，卢) 的空间位置关系 同时，在口轴，b 轴，c 轴的投影满足 联立式( 2 6 ) 和( 2 - 7 ) n 得 令零轴分量为 阡 l 2 压 2 联立式( 2 - 8 ) 、式( 2 9 ) 可得“等量”c l a r k 变换式为 m 2 削i o 了 豳ib ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 2 p a r k 变换 p a r k 变换是由两相静止垂直坐标系( a ，卢) 向两相同步旋转坐标系( d ，g ) 的转换。 9坩一瑶 s l 一卜 咖竺嵋 0 厍 l 一 = = = 砀屯 r0j、l 、l，、l， o o o o 2 2l，i 一 + 9 p p s s s o o o c c c n n n，r | i i f f 1 00 ，1 0，lli_ 00 i_，。，。l 0_ 一2 52。一2压一2 l o l_，。l 2 3 l ， 0 + + 0 - i 1 3 = b 2笪2上压 ，一2万一2。一压 。 o 上压 一i i i i i i i i i i i 垒垒圣窒兰鳖丝至重竺垒鎏二i i i 一一i 一 在进f 二矢量控制时，电压或者电流的解耦计算一般是在两相同步旋转坐标系下完成的。 图2 4 为坐标系( a ，p ) 与坐标系( d ，g ) 的空间位置关系。其中，为电流矢量，d 轴与a 轴相角为西。 q i 级( 甓 d 幽2 4 坐枥i 系( a ，卢) 与坐标系( d ，g ) 的空间位置关系 可以得到从两相静止垂直坐标系( a ，卢) 到两相同步旋转坐标系( d ，q ) 变换的表达 式为： = 一c s o i s n 咖c s 。i n s l i i 8 c 2 - 2 ， 电流矢量，经过c l a r k 变换和p a r k 变换被转换成直流量0 、t ，这样便大大：方? 便了 对三相交流电的控制。 2 3 2 空间矢量s v p w m s v ) w m 调制技术是通过跟踪目标电压的空间旋转矢量，通过控制桥臂功率器件的 开关，来保证输出电压的空问矢量与目标矢量相位一致，所以s v p w m 既可以用二f 逆变 又可以用于整流f 2 7 】。 o 1 0 图2 5 变流器的开关状态 第二章水磁直驱风电机组控制系统总体方案 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i 对于广泛使用的三相两电平p w m 变流器来说，桥臂上的六个开管的开关组合会有 s = ( s 。、s ，、& ) = 0 ，1 ，2 ，7 ，8 种开关状态，如图2 5 所示。相应的电压空间矢量为 u 。= 0 0 0 ，u 1 = 1 0 0 】，u ，= 1 1 1 】。变流器的输出电压由这些电压空间矢量 组成。电压空间矢量u ，玩的长度为1 ，称为有效电压空间矢量；而矢量砜、的 长度为零，称为零电压空间矢量。如图2 6 所示，电压矢量空间可分为六个扇区，由平 行四边形法则，这8 个电压空间矢量就可以合成任意有限模长的空间矢量。在一个控制 周期内，当参考电压矢量确定时，选择与参考电压矢量最接近的三个开关矢量，控制它 们的作用时间，就可以合成出与参考矢量相一致的电压矢量【2 8 】【3 l 】。 b ( ( o l o ) jw 1 1 0 i 2 4 变流器控制方案 f x 、 ，ji l 么渗沁i i i 似0 0 0 ) n 影j 图2 6 电压空间矢量合成示意图 全控s v p w m 变流器是永磁同步风力发电机组的关键组成部分，它的运行状况关系 到整个风力机组能否正常工作，也同样是风力机组实现低电压穿越的关键所在。对于背 靠背结构的风电机组，交流器的控制分为机侧变流器控制和网侧变流器控制。机侧变流 器主要是将发电机发出不定频的交流电整流成直流电，并对发电机的转速进行控制；网 侧变流器主要是将直流侧的直流电逆变成与电网同频反相的交流电，在向电网输送电能 的过程中要能够完成对输出功率的解耦控制，实现功率因数可调。 2 4 1 永磁同步发电机的数学模型 直驱型风力发电机的风力机与永磁同步发电机之间是直接耦合在一起的，发电机的 转速会随着风力的变化而变化，由于永磁同步发电机一般都是大功率低转速因此当风速 波动引起风力机波动时，发电机转速不会随着自然风速的波动而发生转速的快速变化具 1 3 哈尔滨：l ：程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 有一定的稳定性。在直驱永磁风力机组中，低转速的永磁同步发电机不仅可以降低整个 风机机身的震动，提高整个机组的可靠性，而且因其转速低的特性，当机侧变流器减少 向直流侧输送能量提高发电机转速时，发电机的转速也不会瞬间上升过快：，为整个机组 的低电压穿越提供了便利条件。 对二j 二研究直驱永磁同步风力发电机组来讲，能否准确建立永磁同步发电机的数学模 型是非常重要的，它关系到整个控制策略的准确性。由于永磁同步发电机内部的电磁关 系十分复杂，很难建立一个准确的数学模型，因此要对永磁发电机进行如下假设，以便 建立相对准确的数学模型：发电机的磁路不会发生饱和；发电机三相绕组成对称三：相绕 组，定子电压和电流为正弦；转子永磁场在空问成正弦分布；不计涡流和磁滞损耗。 永磁同步发电机的三相定、转子空间分布图如下图所示。永磁发电机的定子电流、 电压号障子的速度和位置是相互关联的陟3 0 1 。 图2 7 永磁同步发电机的三相定、转子空间分布图 对永磁同步发电机电枢绕组，采用发电机惯例：以输出电流方向为正，各线圈流过 正向电流时，产生负值磁链。 发电机的磁链方程为： m 引邓 c o s 臼 7 c o s ( o 一三7 r ) c 。s ( 臼+ 昙万) j 式中：，发电机转子永磁体磁链，w b 虬，y 6 ，y 。转子磁链在三相绕组中的投影，w b 由 二发电机的三相绕组成星形对称分布，可得电压方程网为： 1 4 ( 2 1 3 ) 第二章永磁直驱风电机组控制系统总体方案 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii j li i 眚i i i i i i i i i i i i i i i i i 肓i i i i i i i i i i 讣 3 r + 二p l0 0 2 0r + 二p l0 3 2 00r + 王p l h 魄吩 式中：“。，u c 三相绕组端电压，v t ，蠢，t 三相绕组电流，a r 电枢绕组电阻，q 三电枢绕组电感，h 卜微分算子 。电角速度，r a d s 2 4 2 机侧变流器控制方案 s i n0 7 s i n ( o 一三兀) j s i n ( 日+ 昙万) ( 2 1 4 ) 永磁同步发电机基于转子磁场的矢量控制方法主要有：、恒定气隙磁链控制和最大 效率控制。其中以零d 轴电流控制最为常用。该方案将定：子电流矢量定位在q 轴，d 轴 分量为零，实现了发电机定子电流的解耦，定子电流中只：有交轴分量而没有直轴分量， 并且交轴电流分量与永磁体磁链夹角为9 0 度。因此，电机转矩中只包含永磁体的转矩 分量，简化了电机的控制【3 2 j 。 令同步旋转坐标系的d 轴与转子永磁体的磁链方向相致，q 轴沿逆时针方向超前d 轴9 0 度，坐标系的同步转速为电角速度，则可得到同步电机的定子电压方程【3 3 j ： 式中：、u q 发电机定子在同步旋转坐标系下的电压分量，v 厶、乞发电机定予在同步旋转坐标系下的电感分量，h 、乇发电机定子在同步旋转坐标系下的电流分量，a r 定子电阻，q 在采用零d 轴电流控制时，电流的d 轴分量为零，同步发电机的电磁转矩方程可以 写为： 瓦= 1 5 1 a i t ，i q ( 2 1 6 ) 式中：z 发电机电磁转矩，n m 吐 0 ，留 粕 办 厶 幻 一 上 以 织 一 十 奶百如瓦 厶 如 哈尔滨一l ：程大学硕士学位论文 p 永磁同步发电机的磁极对数， 吐式( 2 1 5 ) 可知，当认为转子永磁体磁链恒定时，对电机电磁转矩的控制也就是 对发咆机定子q 轴分量的控制。对于某一已知电磁转矩巧，可算得发电机定子的d - q i d = 0 +2 z ( 2 17 ) r3 p , ，y ， 弓入反馈控制量( p i 调节器，可得到如下控制方程： ：三rri。q二。眈)el厶ai。d二c五o。yjjk。s,五lq二!丫三；毒一iq)dt c 2 一8 ， h = + ，+ 一) + k