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文档简介
永磁直驱风力发电系统毕业设计初稿改422 南京师范大学泰州学院毕业论文(设计)(82018届)题目永磁直驱风力发电系统(不需要两行的此横线空着)院(系、部)电力工程学院专业电气工程及其自动化姓名张三学号13000000指导教师李四南京师范大学泰州学院教务处制I摘要传统的风电机组多采用异步发电机,需采用升速齿轮箱连接高速的发电与低速的风力机。 而齿轮箱的存在,增加了系统损耗,降低了能量利用率,且维护保养工作量大。 再者随着单机容量的不断增大,特别是近年来接海上风力发电的兴起,大容量风电机组成为当前市场主导,但容量增大使齿轮箱的造价也更加昂贵,且在兆瓦级风电机组中更容易造成过载或过早损坏。 与非直驱风力发电系统相比,直驱风力发电系统由于省去了齿轮箱,不但减小了风力发电机的体积和重量,还省去了维护,降低了系统噪音,提高了系统可靠性,这将是以后风力发电技术的发展趋势。 本文首先阅读相关的文献,了解风力发电原理与应用现状。 然后阐述风力发电的原理与风力发电的现状及其发展前景。 最后并对其发展提出可行性的建议。 近年来,随着人类对能源的不断需求及不可再生能源的枯竭,人类追求无污染的新能源意识越来越强烈,发展绿色能源成为重中之重,其中风力发电是具有规模化发展程度最广泛、技术成熟度最高、发展最迅速的洁净能源发电形式之一。 由于风电在改变能源结构,解除环境污染带来的负面影响等方面具有不可替代的作用1,并能带来广泛的社会效益和经济效益,世界上众多国家都对开展风电研究产生了浓厚的兴趣。 中国使用的电力大部分靠火力发电,在煤炭资源逐渐匮乏及价格不断上涨的情况下,风能正在成为一种具有实际开发意义的替代火力发电的能源2。 近年来,随着物质生活水平的提高,人们更加重视自身的生活环境,对空气污染、温室效应及酸雨等对环境起破坏作用的关键因素关切度不断提高,各国都加快了对可再生能源开发的脚步,希望使用无污染清洁的可再生能源来代替火力发电,风能以普遍存在性及可实现性等诸多优点在可再生能源中脱颖而出,成为新能源研究热点。 目前风力发电在我国的发展还处于初级阶段,单机成本相对较高,发电运行过程中的故障处理与维护也大大阻碍了风电事业的发展3。 虽然其弊端现在还有很多,但是它的巨大发展潜力,诸如储量大、开发成本相对较低以及洁净可再生等诸多优点还是吸引人类对其开发研究。 随着风电事业的做大做强,其对风力发电系统的控制要求也就不断提高。 在风力发电并网运行过程中,产生了一系列控制问题,因此有必要对风力发电技术及其相关课题做更加深入细致的研究,实现降低风电成本、提高风力发电效率和电能质量,为改善人类生存环境、提高人们生活水平做出贡献4。 目前国内外对有齿轮箱驱动的双馈风电系统的建模及控制问题的研究已经趋于完善化,研究无齿轮箱驱动的直驱永磁同步风力发电系统的文献相对来说比较少,近年来永磁直驱风力发电系统因高能量转换效率、系统故障率小、并网控制灵活等优势逐渐得到发展,成为继双馈机型后的又一热门机型,所以有必要研究直驱型风电机组的运行特性,使其更好的为人类服务。 本课题主要围绕直驱型永磁风力发电系统展开研究,提出适合系统应用的先进、简单易行、可靠的控制算法,对永磁风力发电机、全功率并网运行的直驱风电系统控制技术深入探讨,5解决风力发电系统最大功率捕获问题及并网运行稳定性问题5。 1.2两种风力发电系统类型风力发电技术在不断发展的同时,风力发电系统也从恒速恒频发展到变速恒频。 在风力发电系统中,风力发电机组最终要一与电网并网,这就要求发电机组的频率与电网同步(频率恒定),才能实现系统正常的发电运行10。 在风力发电系统发电过程中,风速不断变化的同时只要保持发电机的转速不变,直驱风力发电系统中亦即保持风力机的转速不变,就能实现恒速恒频运行;而在变速恒频中,由于风速不断变化的同时,就要求风力机的转速能实时跟随风速的变化而变化,在通过改造发电机本身结构或是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合的控制方式来得到恒频的电能11。 1.2.1恒速恒频系统恒速恒频风力发电系统中,风力机与发电机采用齿轮箱连接,其中用到的发电机普遍为鼠笼式异步发电机,它的模型通常为“恒速风力机+异步发电机”。 该系统通过定桨距失速控制或主动失速控制的风力机使发电机的转速保持恒定,从而达到输出恒频电能的目的12。 但由于风的随机性风能的波动性很大,转速不能随风速变化的话,pC就不可能保持在最佳值,从而不能最大限度地捕获风能,使得发电效率变低,且运行的范围比较窄。 1.2.2变速恒频系统变速恒频风力发电系统一般采用双馈异步发电机或者低速永磁同步发电机,双馈型是风力机通过齿轮箱和发电机相连,而直驱型则是风力机直接与发电机相连。 系统的模型通常为“变速风力机+变速发电机”。 该系统是在风力变化的同时通过风力机的变桨距结构控制风力机转速,进而调节发电机转速,使系统不因转速的变化影响输出的电能频率。 风力机山于风速变化而通过变桨结构控制或者是直接功率控制使其自身转速变化,从而使风力机保持在最佳叶尖速比运行,最大限度地利用风能13。 并且该系统可以灵活的控制无功和有功功率,采用先进的PWM控制技术一可以抑制谐波,减小开关损耗,提高了系统的效率。 61.3本文主要研究内容本文以独立运行小型永磁直驱风力发电系统为研究对象,对风力机发电原理、系统结构等方面做了较为深入的理论分析和实验仿真,对实现小型风力发电系统的优化运行及可靠运行具有重要意义,本文的主要研究内容和章节安排如下第1章介绍了课题提出的背景、目的和意义,主要论述了我国风力发电技术的发展概况并进行了总结;讨论了最大功率输出的研究意义。 第2章永磁直驱风力发电机组结构及组成,建立了直驱式风力发电系统的数学模型,包括风力机模型,然后介绍了风力机的运行特性及永磁同步发电机的分类并对发电机进行建模,最后对风机进行仿真。 第3章和永磁同步风力发电系统结构及组成,然后介绍了永磁同歩发电机电流控制策略。 第4章最后介绍了PWM控制的基本原理及实现方法,基于MATLAB/Simulink软件的运行环境,并在此基础上搭建了永磁同歩发电机的仿真模型,对仿真结果进行了分析。 7第第2章永磁直驱风力发电机组结构及组成2.1永磁直驱风力发电机组组成2.1.1直驱型风力发电机组简介直驱型风力发电机组是一种最具优势的变速恒频控制方案之一。 它的运行状态与双馈电机不同直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接无需升速齿轮箱,直接和发电机耦合。 首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电,经过整流之后变为直流电,然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。 通过中间电力电子变化环节,对系统的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。 直驱式风力发电机组取消了沉重的增速齿轮箱,齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件,具有增加机组的重量、产生噪音、需要定期维护以及增加损耗等缺点。 由于机舱安装在塔架顶部,给齿轮箱维护带来很大不便14。 直驱型风力发电机的定子为三相绕组或多相绕组,转子为永磁或电励磁结构;直驱式风力发电机组发电机轴直接连接到叶轮上,转子的转速随风速而改变,其交流的频率也随之变化,定子发出非工频的电能,电压也随转速变化;由于直驱风力发电机是低速电机,低速就必须多级,其直径就必须增大,这就是直驱发电机组的不利之处。 然而多级结构缩短了闭合磁路的整体长度,绕组节距和定子损耗随之减小。 直驱风力发电机的输出频率通常低于50HZ,而且输出频率和电压不恒定,无法满足工业用电要求,而整流逆变器却使直驱风力发电机变速运行成为可能。 经过大功率电力电子变换器,将频率不定的交流电整流成直流,再逆变成与电网同频率的交流电输出,此变流器的容量与系统的额定容量相同。 通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率,实时满足电网的功率需要15。 整流器逆变器永磁同步发电机电网图2-1直驱型风力发电机结构示意图图2-1为其主要结构。 国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机,多沿用低速多8级永磁发电机,转子为永磁结构,无需外部提供励磁电源,提高了效率。 根据风能条件,直驱风力发电机转速可以在一个相对较宽的范围内变化,从而使风力机在不同的风速下都能输出最大的功率。 这样的变速运行有很多优点,比如缩短驱动链、减小机械应力、提高输出电能质量、增大能量捕捉等,同时在直驱风力发电机组中转动部分组件大大减少,降低了风力机运行维护成本,因此,直驱方案具有更广阔的发展和应用前景,势必要取代双馈式风力发电机组,这将是风力发电领域的一场革命。 直驱型发电机组的生产厂家主要有ENERCON(德国)、GE(美国)、Vensys(德国)、金风、湘电、上海万德、广西银河、常州新誉。 直驱风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案,相对于传统的双馈式异步发电机组其优点16如下 1、由于传动系统部件的减少,提高了风力发电机组的可靠性; 2、发电机与电网之间采用全功率交流器,发电机与电网之间的相互影响减小; 3、机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音; 4、可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本; 5、机械传动部件的减少降低了机械损失,提高了整机效率; 6、可以实现对电网有功、无功功率的灵活控制; 7、由于减少了部件数量,使整机的生产周期大大缩短。 虽然直接驱动与采用交一直一交变频器相结合的变速恒频方式有一定的优势,但这种结构方式也有其缺点,缺点如下 1、采用的多极低速永磁同步发电机,电机直径大,成本高。 由于运输问题,电机的直径不能超过4m,随着机组容量的增大,给电机设计、加工制造带来困难。 2、定子绕组绝缘等级要求较高。 3、采用全功率逆变装置,功率变换器设备投资大,增加控制系统成本。 4、由于结构简化,使机舱重心前倾,设计和控制上难度加大。 综合以上优缺点可以得出结论,采用直驱永磁发电机可进一步提高风力发电的效益。 电力电子器件的发展也为直驱式永磁风力发电机的发展开辟了道路,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代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势17,其技术水平也将不断地提高。 92.2永磁直驱发电机组结构永磁直驱风力发电机组,包括风力机及永磁同步发电机、和增量编码器等组成,其中风力机由三相异步变频调速电动机组成,其由单独地变频控制转动,来模拟风力机转动,如图1-2所示。 另外,图1-3中的永磁直驱风力发电模拟系统控制柜里面包含三相变频器,是控制三相异步变频调速电机转动,模拟风机带动永磁同步电机转动发电,风力机的定子接线端接到该控制柜。 图1-4中的直驱永磁风力发电机组变频柜里面包含机侧变流器和网侧变流器,是对永磁同步发电机发出的电进行PWM整流和逆变,增量编码器的A、A_、B、B_、Z、Z_信号输出端,以及永磁同步电机的定子输出端都要接到该控制柜。 直驱永磁风力发电机组变频柜的输出端接到电网上,如图2-2所示。 增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增图2-2永磁直驱发电机组结构图10图2-3永磁直驱风力发电模拟系统控制柜机侧控制板网侧控制板增量式编码器输入接口图2-4永磁直驱风力发电机组变频柜11图2-5电网接入端口2.3永磁同步发电机分类永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关,永磁同步电机的转子磁场是由预先充磁的永久磁钢所产生,目前永磁同步电机中多采用高磁能积的稀土永磁材料,如稀土钴、钕铁硼等。 电枢绕组与普通的交流电机基本相同,定子旋转磁场可由对称的定子三相绕组产生。 永磁同步电机具有重量轻、体积小、效率高、运行可靠等优点,在许多情况下可以实现无刷化。 为满足工程应用的需要,永磁同步电机正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化方向发展。 随着永磁材料性能的不断提高和完善,特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性的改进和价格的逐步下降,永磁同步电机不仅会在电动方面有更好的性能,而且在直驱式风力发电中会更加广泛应用18。 同步电机的转子结构与异步电机转子结构是不同的,可以分两种形式,即凸极式和隐极式。 凸极式有明显的磁极,如图2-6所示,定子与转子之间的气隙是不均匀的,因此,其磁路与转子的位置有关。 这种电机结构上比较简单、力矩大,但机械强度低,适用于极数比较多的情况,一般用于低速场合。 主要应用于水轮发电机和风力发电机等。 隐极式无明显的磁极如图2-7所示,磁路基本上与转子的位置无关,火电厂基本都是应用这种型式的电励磁同步发电机19。 许多生产厂家将转子结构为隐极式的电机也生产的带有凸极效应,这样使上述两种电机的优点和二为一。 12图2-6凸极永磁同步电机图2-7隐极永磁同步电机凸极式转子圆周上安装有若干对凸出的磁极,每个磁极铁心上套有励磁线圈,各极的励磁线圈按一定的方式连接起来,构成励磁绕组。 凸极式转子的特点是转子与定子之间的气隙不均匀。 隐极式转子的轴和铁心为一铸钢加工而成的统一体,是圆柱体。 隐极式转子的特点是转子和定子之间的气隙均匀。 永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。 永磁同步电机的转子结构与电励磁同步电机转子结构是不同的,它由特定形状的永磁体来构成转子。 永磁体自身可以产生磁链,在转子旋转时产生感应电动势,与普通的电励磁转子励磁后产生感应电动势相似。 永磁同步电机特点如下 1、转子无需励磁;永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁,因此电机可以在很低的转速下保持同步运行,调速范围宽。 2、结构简单、可靠性高;永磁电机省去了励磁式电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构,整机结构简单,避免了励磁式电磁绕组易烧毁、断线,碳刷、滑环易磨损等故障,可靠性大为提高23。 3、体积小,重量轻,中、低速发电性能好;转子永磁体结构的采用,使得发电机内部结构设计排列得很紧凑。 永磁转子结构的简化,还使得转子转动惯量减少,实用转速增加,功率、体积之比例达到一个很高的值。 4、无需外加励磁电源,特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作; 5、没有无线电干扰;永磁发电机无碳刷、无滑环的结构,消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰;消除了电火花,特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作,也降低了发电机对环境温度的要求。 132.4永磁同步发电机的工作原理永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。 永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。 永磁体在电机中既是磁源,又是磁路的组成部分。 永磁同步电机的转子磁极是用永久磁钢制成的,通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。 该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合,并随转子以同步速度旋转。 因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。 永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交流电建立的,定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。 因此,当负载一定时,定、转子旋转磁场之间的差角一功率角是恒定的,通过折算并保持功率角为90度。 这样,永磁同步发动机就和直流电动机基本相同了,可以实现解制,即转子磁场定向的矢量控制。 建立永磁同步发电机的数学模型,需先做以下假设1)忽略铁心磁饱和;2)忽略发电机的齿槽效应;3)转子磁链在气隙中呈正弦分布;4)转子上没有阻尼绕组,不计涡流及磁滞损耗;5)定子各相绕组参数一样,即各相绕组的电枢电阻值、电感值等。 永磁同步发电机的三相定、转子空间分布如图1所示,三相绕组在空间对称分布,沿着逆时针方向各绕组轴线互差120度电角度,转子按逆时针方向旋转,在上述规定下,定子绕组将产生三相正序电压。 ACBdqsAsAr?r?F?图2-8.永磁同步电机定、转子空间分布图根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下的永磁同步电机的定子电压方程为?sqqfqsdqde sqqasqsddsqdqesdda sduL LiLLiLRdtdiuLiLLiLRdtdi1)1(1?(2-1)14式中e?是电角频率;f?是永磁体的磁链;L d、Lq分别是发电机的d轴和q轴电感;i sd、i sq分别为永磁同步发电机定子输出电流的d轴和q轴分量;u sd、u sq分别是永磁同步发电机定子输出电流、电压的d轴和q轴分量。 假设发电机d轴和q轴电感相等,即L d=L q=L则上式可变形为?sq fsd esqasqsd sqe sdasduL Li iLRdtdiuLi iLRdtdi1)1(1?(2-2)永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的等值电路如图2-9所示。 R aLi qeq uqd eLi?R aLi ded udd eLi?(a)q轴等效电路(b)d轴等效电路图2-9.永磁同步电机等效电路图永磁同步发电机电磁转矩的表达式为)(23f sqsq sdq dp eiii LLn T?(2-3)风力发电用永磁同步发电机的永磁体多采用径向表面式分布,即Ld=Lq。 此时发电机的电磁转矩可简化为sq fp ein T?23?(2-4)其中,n p为发电机的极对数,由式4可以看出,发电机的电磁转矩与定子q轴电流成正比,因此可以调节i sq即可调节永磁同步发电机的电磁转矩,进而调节发电机和风力机的转速。 15第第3章永磁同步风力发电系统结构及组成3.1永磁同步风力发电系统结构3.1.1永磁步风力发电系统介绍永磁步风力发电系统主要由模拟风力发电机、双向变流器、电网以及电量监视仪表等部分组成。 系统组成及控制原理框图如图1-1所示。 电网机侧变流器网侧变流器DDPMSG模拟风力发电系统dU机侧电流电压测量网侧电流电压测量机侧控制板光电隔离网侧控制板直流母线电压测量网侧滤波电感图3-1永磁同步风力发电系统原理框图3.1.2风力机运行特性变速恒频风电机组根据风速变化的不同情况,组成了四个不同阶段的运行状态,如图2-2所示。 16图3-2风力机运行区域 1、起动阶段。 风力机受力从而驱动发电机使其转速达到允许切入电网的转速,机组开始发电运行。 2、最大风能追踪阶段。 对发电机的转速通过相应控制策略进行控制,pC不断增大,直到max p pC C?,进入pC恒定区,此时风电机组在最佳状态下运行。 在该区域运行时,随着风速的改变,通过控制发电机电磁转矩,使发电机转速相应地变化来维持opt?,实现最大风能的捕获。 3、恒定转速运行阶段。 当风力机转速达到最大值时受到了限制,机组将进入恒速运行状态。 此时机组运行在最大转速状态,随着风速的增加而减小,机组的输出功率增大。 4、恒定功率运行阶段。 此时风速大于额定风速,pC发电机转速随着风速的增加而下降,pC降低,同时机组维持输出功率不变。 3.2风力机的数学模型风力机的输出特性与风轮叶片的设计有很大关系,这涉及到机械设计、材料学、空气动力学等专业知识,这里只从实验室模拟风力机的角度介绍风力机的输出功率、转矩特性。 根据贝茨理论,风力机从风能中吸收的功率为:321?s cpp?(3-1)式中:pC为风能利用系数,?为空气密度(3/m Kg),v为风流动速度(sm/),s为桨叶旋转面积(2m),影响风能利用系数的两个因素是桨叶节距角?和叶尖速比?,而v Rw m/?,R桨叶扫掠半径(m),mw为风轮的机械角速度(s rad/)。 风力机的功率系数,又称风能利用系数,它是评价风力机效率的重要参数,17与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角(或桨距角)都有关系,是?和?的函数。 在?一定时,风力机?pC?曲线如图2-8所示。 从图中可以看出,在?为某一固定值时,pC只与叶尖速比有关。 对于同一台风力机,如果?为固定值时,存在一个最佳叶尖速比opt?这时风能利用系数max pC最大,风力机的转换效率也是最大的21。 图3-3?pC特性图形风速不同时(12345v v vvv?),风机转速-功率输出曲线,如图3-4所示,风力机输出最大功率点构成了最佳功率曲线optp。 图3-4输出特性在最佳功率曲线optp上运行的风力机将会输出不同风速下的最大输出功率maxp,其值为:3max mkwP?(3-2)式中:2/)/(max3p optCR sk?(3-3)从图3-4可以看出,在相同的风速下,发电机的转速不同其输出的功率也不相同,只有在风速变化时,调节发电机的转速使风力机在最佳叶尖速比运行,这样风力机就会沿着最佳功率曲线optp运行,也即实现了最大风能捕获。 风力机在不同风速下输出的最大功率maxp(也是发电机输入最大机械功率)18减去发电机的空载损耗,就得到了发电机的最大电磁功率,如下式所示:0maxp p p e?(3-4)式中,0p为空载损耗,ep为电磁功率。 发电机组输出有功功率:fel cule lp ppp?(3-5)式中,lp为发电机定子端输出的有功功率,culp为定子铜耗,felp为定子铁耗。 依据最佳功率曲线来调节发电机的转速,使风力机保持最佳叶尖速比运行,这样就捕获了最大风能22,由式(3-4)、(3-5)可得到发电机的有功功率指令*pfel culm felculp pp kwppppp?030max*(3-6)控制发电机有功功率*p的输出,就可以在不同风速下捕获对应的最大的风能。 3.3并网控制原理直驱PMSG风力发电机组中,永磁同步发电机不直接和电网连接,因此电网与永磁同步风电机组之间的交互主要通过电网侧变换器的控制来完成,如图3-5。 电网侧变换器的主要任务有两个一是按照电网的要求,在不超过电网侧变换器容量的前提下输出一定的无功功率,实现网侧功率因数调整;二是负责将永磁同步发电机输出的有功功率及时的传送至电网,这通常是通过控制直流侧电压稳定来保证的,而直流侧电压的稳定是电网侧变换器和电机侧变换器互不干扰、独立控制的前提条件。 为此,需要对电网侧变换器的模型及基本控制方法进行分析。 PMSM三相整流电压源逆变器电网图3-5永磁同步发电机工作示意图并网主要是对网侧的电压源逆变器进行控制,电网侧变换器有多种控制策略,包括基于电网电压定向的矢量控制、基于虚拟电网磁链定向的矢量控制以及直接功率控制等。 目前,基于电网电压定向的矢量控制应用最为广泛,商品化的变频器绝大多数采用这种控制方法或其改进策略。 电网侧变换器按照电网电压定向方式来控制即电网电压矢量定向在d轴上,则电网电压在q轴上的投影为零。 19以电网电压空间矢量方向为d轴方向,与之垂直的方向超前90为q轴方向,则有?0gqg g gduU Uu(3-7)因此,可以得到?L gqq gdddcgd ggqggq gcqgq ggdggd ggd cdii Si SdtduCiLdtdiL i R uiLdtdiL iR uu?(3-8)dq同步旋转坐标系下,电网侧变换器输入的有功功率和无功功率分别为?gd gq gq gd ggq gqgd gd gi ui uQi ui uP(3-9)在电压矢量定向控制方式下,可简化为?gd gd ggd gd gi uQi uP(3-10)上式中,P g小于0表示电网侧变换器工作于逆变状态,有功功率从直流侧流入三相交流电网;P g大于0表示电网侧变换器工作于整流状态,有功功率从三相交流电网流入直流侧。 Q g小于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收超前的无功电流;Q g大于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收滞后的无功电流。 因此,可以将d轴、q轴分别视为有功通道和无功通道,通过控制电流d、q轴分量i gd和i gq就可以独立的调节电网侧变换器输出的有功功率和无功功率。 根据式(3-8),用直流侧电压环的输出作为d轴电流分量(有功电流)的给定值,它反映了电网侧变换器输入至电网的有功功率大小。 通过控制q轴电流分量(无功电流)控制电网侧变换器发出的无功功率。 因此,对电网侧变换器的控制可采用双闭环结构外环为直流侧电压控制环,主要作用是稳定直流侧电压,其输出为电网侧变换器的d轴电流给定量i gd*;内环为电流环,主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令i gd*以及设定的无功电流指令i gq*以实现快速的电流控制。 由式(3-9)可知,d、q轴电流除了受控制电压u cd和u cq的影响外,还受交叉耦合电压gqgiL?、gdgiL?以及电网电压u gd的影响。 交叉耦合电压的存在以及电网电压的扰动都不利于d、q轴电流的解耦控制。 因此,除了对d、q轴电流进行闭环PI控制外,d、q轴控制电压中还应该加入交叉耦合电压补偿项和电网电压补偿项。 这样不但可以实现d、q轴电流的独立控制,而且还有利于提高系统的动态控制性能。 电网侧变换器的d、q轴控制电压可表示为20?gq gqgqiip gqg cqgdgd gdiipgdgcdu i is ts tk iR uuiiststkiRu) (1)(1*(3-11)其中,?gdggqgd gqg gdiL uuiLu?(3-12)其中,gdu?和gdqu?分别为实现电网侧电压,电流解耦控制的电压补偿项;k p和t i分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数。 PI PIPIPWM调制S aSbS cu dc*u dci gd*i gq*i gdi gqu cdu cqgd gqggdgu iL iR?gdggd giL iR?图3-6电网侧变换器电网电压定向控制原理框图基于电网电压定向的电网侧变换器电压、电流双闭环矢量控制系统框图如图3-6所示。 外环为直流侧电压控制,直流侧电压给定值u dc*和反馈电压udc相比电流参考值i gq*根据系统无功要求设定。 将采样得到的电网三相电流经坐标变换后,即可得到d、q轴的实际电流值i gd、i gq。 i gd*、i gq*分别与igd、igq相比较,经电流PI调节器后的输出分别加上d、q轴对应的电压补偿项gdu?和gqu?,就可得到电网侧变换器的d、q轴控制电压u cd和ucq。 21第第4章永磁同步风力发电机仿真分析4.1永磁同步风力发电机特性仿真永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。 磁极在外转子内圆上,内定子嵌有三相绕组。 如图4-1其转子磁路结构多为切向式转子磁路结构,径向式转子磁路结构、混合式转子磁路结构、轴向式转子磁路结构。 图4-1电机外形示意图其发电机特性如图22图4-25KW风力机的Cp特性曲线图4-35KW风力机的特性051015202500.10.20.30.40.50.6Wind TurbineCp Characteristic(pitch angleincreases bystep of2deg.)CpLambdaPitch angle0degree0510152025303500.511.5Wind TurbineCharacteristics(w=1pu,pitch angleincreases bystep of2deg.)P(pu)0510152025303501020Lambda0510152025303500.10.20.30.40.50.6Wind Speed(m/s)Cp23图4-4发电机空载时电动势(V)图4-5发电机负载时电动势(V)244.2永磁机组相关参数表4-15KW风力发电机的技术参数5KW风力发电机的技术参数表品牌Carter/卡特型号FD6.0-5KW额定功率5000(W)输出电压(V)220额定转速(转/分钟)220额定风速(m/s)9最大功率(W)7000启动风速(m/s)3工作风速(m/s)3-25安全风速(m/s)10塔架高(m)9顶部质量(kg)120塔架类型(mm)159*5限速方式偏尾+磁阻输出控制系统充电控制器、逆变器建议配套蓄电池容量12V/100AH十八块4.35KW永磁风力发电机仿真总体框图25图4-55KW永磁风力发电机仿真总体框图4.45KW永磁机仿真图4-65KW永磁同步发电机仿真本设计仿真了风机传动机构、永磁同步电机、整流器、DC-DC升压电路、逆变器、控制系统的
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