本科生毕业设计-2mw直驱式风力发电控制系统研究

本科生毕业设计说明书题目2MW直驱式风力发电控制系统研究2MW直驱式风力发电机控制系统研究摘要本文首先对风力发电的现状以及前景展望作了简要的介绍，并主要对2MW直驱式风力发电机的变流电路作了详细的分析。具体研究内容如下研究了阵风、渐变风和随机风的数学模型，介绍了风能转换基本原理、风力机模型和桨距角控制策略。并由风能利用系数与桨距角、叶尖速比的关系曲线，详细阐述最大风能捕获原理。介绍了直驱式各种变流电路和变流方式及其优缺点，重点研究了2MW直驱式风力发电机的变流主电路，并分别研究其整流升压逆变部分。分析了同步电机的数学模型，进行了CLARK变换和PARK变换以此来研究定子方程和转子方程。同时也进行了同步电机的矢量控制分析，把直流电机的控制思想移植到交流电机上，把交流电机当直流电机来控制。关键字风力发电；直驱式同步发电机；变流电路；矢量控制STUDYONCONTROLSYSTEMOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINEABSTRACTTHISPAPERFIRSTLYHASABRIEFINTRODUCTIONOFTHESTATUSANDPROSPECTSOFWINDPOWER,ANDTHENANALYZESCURRENTCIRCUITOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINEINDETAIL,SPECIFICSTUDIESAREASFOLLOWS1THEMATHEMATICALMODELOFGUST,RAMPCHANGEOFWINDSPEEDANDRANDOMCHANGEOFWINDSPEEDHASBEENSTUDIED,ANDTHEBASICPRINCIPLESOFWINDENERGYCONVERSION,WINDTURBINEMODELANDTHEPITCHCONTROLSTRATEGYHASBEENDESCRIBEDTOOWITHPOWERCOEFFICIENTANDPITCHANGEL,THISARTICLEELABORATESMAXIMALWINDENERGYCAPTURINGPRINCIPLE2INTRODUCEDADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFDIRECTDRIVECURRENTCIRCUITS,THENMAINLYMADEASTUDYONCURRENTCIRCUITOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINE,ANDMADEARESEARCHONCURRENTCIRCUIT,BOOSTCIRCUITANDINVERTERCIRCUITOFITRESPECTIVELY3ANALYZEDMATHEMATICALMODELOFSYNCHRONOUSMOTORANDSTUDYTHESTATORANDROTOREQUATIONSWITHCLARKANDPARKTRANSFORMEQUATIONSALSOCONDUCTEDASYNCHRONOUSMOTORVECTORCONTROLANALYSIS,USEDCONTROLIDEASOFTHEDCMOTORTOSTUDYACMOTORANDCONTROLLEDACMOTORSASDCMOTORSKEYWORDWINDPOWERGENERATIONDIRECTDRIVESYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMCURRENTCIRCUITVECTORCONTROL目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111课题背景112风力发电系统的研究现状213风电的未来发展趋势414国内外风电发展现状6141世界风电概述6142国内风电概述9第二章风力发电系统工作原理及其空气动力学模型和原理1121风力发电系统工作原理1122风力机模型12221空气动力学模型12222风速模型13223风能转换原理15224定变桨距发电机组和桨距角控制模型1723最大风能捕获原理20第三章直驱式并网系统中的变流部分研究2331永磁直驱式同步发电机并网方式2332直驱式风电系统中的各种变流电路2433直驱式并网型风电系统的变流方式2734变流器主电路研究以及工作原理29341主电路的结构29342主电路的工作原理30343整流部分的电路的工作原理30344升压斩波电路以及恒压输出原理32第四章永磁同步电机的数学模型及矢量控制3641基本坐标变换关系3642三相静止坐标系下永磁同步电机基本方程3843同步旋转坐标系下永磁同步电机数学模型4044永磁同步发电机的矢量控制技术42441永磁同步发电机的电流控制策略42442单位功率因数控制策略44第五章总结与展望47参考文献48致谢50第一章绪论11课题背景能源是人类文明历史发展赖以存在和发展的重要物质基础，在过去的很长时间里，以煤炭、石油、天然气等为主的化石能源极大地推动了人类历史的发展。长久以来，在大量使用化石燃料发展经济的同时，造成了严重的环境污染和生态系统的破坏，如大气污染、水污染、臭氧层破坏、物种濒危、绿色屏障锐减、地荒漠化、酸雨侵害、温室效应、垃圾积留、人口激增等问题，国际上概括为“3P”和“3E”问题POPULATION（人口）、POVERTY（贫穷）、POLLUTION（污染）、ENERGY（能源）、ECOLOGY（生态）、ENVIRONMENT（环境）。随着经济快速发展和人口的不断增长，能源需求与日俱增，加快了能源的消耗，导致了以石化燃料为主的不可再生能源面临资源枯竭的严峻形势。据专家统计，如果按照现在的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可供开采200年，预测已探明的石油储量仅能开采40年，天然气能开采60年1。与此同时，日益严重的环境污染问题也需巫待解决，因此，我们当下正面临着能源危机和环境保护两方面巨大的压力。从人类长远的发展来看，走可持续的发展道路，大力开发利用新能源、发展可再生能源，已经成为人类社会发展的一项重大战略举措。可再生能源主要有太阳能、水能、风能、海洋能、氢能、地热能以及核能等。由于具有可再生、无污染、绿色环保等显著优点，风力发电成为当前的研究热点之一。风能是由于地球表面大量空气在不停地流动而产生的动能，约有2的太阳辐射能转变为风能。据官方统计，全球共有风能资源约43L09MW，其中可用的风能资源大概为2L07MW，达到全球能源需求总量的15倍以上2。与传统发电方式比较，风力发电具有很多自身的优点，具体表现如下可再生清洁能源。风能是一种绿色无污染可再生洁净能源，基本上不消耗资源，更不会污染环境，具有火力发电无法比拟的优点。可靠性高。目前，大中型风力发电机组的可靠性从20世纪80年代的50提高到98，超过了火力发电，而且机组寿命也超过了20年。运行维护简单。由于采用了微机技术，现代大中型风力机具有很高的自动化水平，具有风机自诊断功能，其安全保护也越来越完善，不仅可以实现单机独立控制，而且也能实现多机群体控制和远程遥控，完全可以做到无人值守，必要时，只需进行定期的维护，避免了火力发电存在的大修问题。实际的占地面积小。根据统计的结果，变电、监控和机组等建筑仅占传统火力发电厂使用土地面积的1，其余的场地仍可供其他方面使用。发电方式多样化。风力发电不仅可并网运行，也可和太阳能发电、柴油发电、水利发电等其他能源组成互补系统向电网供电，同时也可独立运行。这样，为解决边远供电困难或无电地区的用电问题，提供可能性。正是因为风力发电具有如此多的优点，欧美各国早就重视风能的发展，他们通过立法或实行各种优惠政策积极激励、扶持和推进风力发电的发展。最近这些年，风力发电在亚洲国家以及其他地区国家发展非常迅速。据估计，世界范围内每年可开发的风能约为53万亿KWH。全球风电总装机容量在2020年可能达到1231亿KW，其中我国风电装机容量占014，可达17亿KW。12风力发电系统的研究现状按照控制方式来划分，风电系统可分为恒速恒频系统（CSCF）和变速恒频系统（VSCF）两大类。CSCF系统的特点是，不管风速怎么变化，始终维持风力机转速为恒定值，这个值一般是同步速，从而实现恒定发电频率，其中，发电机大多数为同步发电机或感应发电机。当风速不断变化时，风机叶尖速比不可能一直持在最佳值状态，也就不能实现风能最大捕获的目的，导致风能转换效率比较低。由于CSCF系统还是一种刚性的耦合系统，在风速突变时，风力机的叶轮将要承受巨大的扭力和风力摩擦，时间久了，将会造成严重的磨损。为了使机械转速保持不变，风力同样会在风机主轴、齿轮箱、电机等部件上产生巨大的机械应力，这些都会减短风机的使用寿命。在并网运行时，将会给稳定运行的电力系统带来潜在的影响。在VSCF风电系统中，当风速不断的变化时，风机始终能够保持在最佳叶尖速比，从而提高风能的转换率，通过恰当的控制策略从而产生恒定频率的电能。相对于CSCF发电系统，VSCF风能的利用率较高，各个部件受到的机械应力得到了显著的下降，降低了运行的噪声。近年来，由于引入了电力电子装置，变流机组的控制灵活性提高了，使得机组性能符合了电网公司的高标准，从而进一步提高了电力系统调节的灵活性和暂态、静态稳定性。由于具有以上种种优点，VSCF发电系统己经开始逐渐地取代了CSCF发电系统，在2004年和2005年，在全球所安装的所有风电机组中，92的风电机组应用了VSCF系统，并且这个比值还在不断上升。目前，VSCF型风电机组主要可分为两种基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组和基于永磁同步发电机的直驱型机组345，基本结构图分别如图11和图12所示。图11双馈型机组结构图图12直驱型机组结构图在双馈风力发电机中，发电机转子与风力机之间通过齿轮箱藕合相连，发电机定子三相绕组与电网直接相连，转子绕组三相接头与电网之间通过背靠背变换器相连。通过控制转差功率，发电机可在次同步、同步、超同步三种工况下运行，同时，电机也有较宽的转速调节范围和较强的网侧功率控制能力。一般，在双馈风力发电机组中，选取的变流器通常是部分功率变流器。由于仅仅输送转差功率，通常使用机组容量的1/31/2倍作为变流器容量，价格和成本比全功率变流器要低许多，因此具有一定的诱惑力。正因为具有那么多优势，在风力发电行业中，变速恒频双馈型风电机组应用非常广泛。从21世纪初开始，双馈型风电机组占有的市场比例已高于CSCF风电机组，并且从此成为了大规模并网风电机组的主流机型6。但是，在工作过程中，双馈型风电机组的缺点开始显现出来了。首先，齿轮箱的成本很高，并且由齿轮箱自身导致的噪声问题和漏油问题都不能得到完全地解决，能量转换效率还是较低，系统的可靠性也得不到保证；其次，必须按时对双馈电机中的电刷和滑环进行维护，大量的检修工作在某种程度上降低了系统的可靠性。电机在低负荷下工作时，效率不高，尤其是电机的单机容量越来越大，引发问题将更加明显。由于不需要齿轮箱，直驱型风电系统机组巨大的发展空间逐渐展现出来了。目前，永磁直驱风电机组的装机容量约占风电装机总容量的十分之一，这个比例仍在不断提高。近年来随着海上风电场的开发，25兆瓦容量以上的永磁同步力发电机使用越来越广泛。国外对直驱永磁发电机组的设计己经十几年了。在1997年，德国就生产了功率为600KW的永磁风力发电机。我国对直驱风电机组的研发技术比较落后，可发展非常快。目前，湘电集团和金风科技早就开始独立制造了直驱永磁同步风力发电机。由于直驱式风力发电系统省去了容易出故障的齿轮箱，风力机与发电机转子直接连接，二者转速相等，所以发电机的输出端电压和频率随风速的变化而变化。若要实现风电机组并网，需要经全功率ACDCAC变流器以保证机电压的幅值、相位、频率、相序与电网保持一致。直驱式风力发电系统具有如下特点78风力机直接驱动低速永磁同步交流电机，电机转速范围与风力机转速很好地匹配，无增速齿轮箱，机组结构得到简化，减少发电机的维护工作并降低噪声污染，而且切入风速较低，低风速时具有更高的效率。永磁发电机结构比较简单、采用永磁体励磁，不需要从电网吸收无功来建立励磁电压，因此损耗小、效率高、可靠性高，转子永磁体的极数很多，一般有几十极甚至上百极，远远多于普通交流同步发电机的极数，所以永磁发电机转子半径很大，但轴向长度却相对较短，呈圆盘形状。采用全功率变流器可以实现系统输出有功功率和无功功率的解耦控制，方便地调节功率因数，提高了系统运行可靠性。但其缺点是需要两个全功率变流器来实现ACDCAC变换，增大了投资。制约直驱式风力发电机单机容量的主要因素是变流器的额定容量和成本价格，但随着电力电子技术的飞速发展，变流器成本将会逐渐降低，与其他系统所采用的升速齿轮箱结构相比，直驱式风电系统具有很大的竞争优势。相比于其他风力发电机，省略齿轮箱的直驱机提升了能量转换效率，全容量变流器改善了并网特性，但是风电机组的出力仍受自然风速的限制。作为风力发电的原动力，风能的随机性与不可控性直接导致风电场成为不稳定的间歇性电源，因此，对直驱式风力发电机进行研究。13风电的未来发展趋势随着风力发电技术的不断发展，风电技术也在不断的升级换代。具体发展趋势主要有以下几个方面风力发电机组单机容量不断增长国际上3MW以上的变速变桨距风电机组己经研发出来了，5MW的风电机组正在试验运行当中。目前，芬兰WINWIND公司己经研发出来了11MW风电机组，该公司的3MW风电机组已经安装完成，2010年该公司将开发出11MW的风电机组。德国ENERCON公司己经批量生产18MW的直驱型风电机组，45MW的原型机正在试验当中9。变桨距调节方式迅速取代失速功率调节方式失速调节是通过风力机叶片在高风速下气流与叶片之间产生的分离失速从而限制功率增加的一种调节方式。它的缺点是需要叶尖刹车装置，风电机组的动态载荷比较大。优点是由于轮毂与叶片之间没有运动部件，所以不需要复杂的程序控制，在失速过程中的功率波动也比较小。变桨距功率调节是根据功率信号控制风力机叶片的桨距角，从而改变气流攻角来限制输出功率。它的优点是输出功率稳定，机组的启动性能好、结构受力小；缺点是由于增加了变桨距装置，因而增加了故障概率，它的程序控制比较复杂。目前，变桨距调节方式在兆瓦级以上的风电机组中应用比较普遍。变速恒频迅速取代恒速恒频为了获得最大的风能利用效率，变速恒频并网方式是通过控制发电机的旋转速度，进而控制叶尖比，使其达到最佳值。重要的是，变速恒频与恒速恒频相比，变速恒频风电机组在运行时增加了“网间友善”，因此目前兆瓦级以上的风电机组大多采用变速恒频的方式。无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大齿轮传动不仅产生噪声、降低风电转换的效率和增加维护的成本，而且还是机械故障产生的主要原因。直驱式风电系统由于解决了齿轮箱的问题，提高了系统的效率和运行的可靠性，日益受到人们的青睐，在市场中所占的份额越来越大；2004年德国所安装的风电机组中有409采用了无齿轮箱的系统10。海上风电场的发展随着风力发电技术的发展，陆地风电的发展需要占用大量的土地，对周围人民群众的日常生活产生了不利的影响，同时海上风力资源相当丰富。因此，发展海上风电事业已经是一种新的趋势。由于海上和陆地上的风电机组采用不同的叶尖速比，同时海上风力发电机组比陆地上的风力发电机组对噪声的要求更低，所以采用较高的叶尖速比速度可以降低机舱的成本和重量。国外对海上风力发电机场的建设做了很多工作，并开发出了海上风能资源测试设备和海上风电场的安装平台。14国内外风电发展现状141世界风电概述表11全球风电累计装机容量年份累计装机容量（MW1996年61001997年76001998年101201999年135602000年173202001年238202002年310902003年392232004年474302005年589612006年740522007年938352008年1202962009年1585052010年1953642011年2374702012年283730表12全球风电新增装机容量年份新增装机容量（MW）1996年12801997年15001998年25201999年34402000年37602001年65002002年72702003年81332004年82072005年115312006年150912007年197832008年264612009年382092010年358022011年410002012年46108丹麦是世界上最早使用风力发电的国家，也是风电发展最为迅速、技术最为先进的国家之一，拥有世界风电制造领头羊企业VESTAS（维斯塔斯），截至2010年3月，其产品累计装机容量达到39705MW，占世界总装机量的236。据全球风能理事会（GWEC）的统计数据显示，1996年至2009年这十几年中，全世界风电累计装机平均增长速度达到了286，显示出了快速、持续增长的强劲势头。2009年，全球风电累计装机容量达到了158GW，且当年累计增速达到了319，比常年平均水平提高了33个百分点，具体数据详见表13。仅2009年一年内，全球风电新增装机容量达3834万KW，增长率高达42，比19962009年期间的平均值高出了10多个百分点（见表14）。随着风电产业的快速发展，使之不但成为世界新能源发电的主要力量，而且在拉动经济增长和创造就业方面发挥着越来越重要的作用。截至2009年底，世界上已有100多个国家开始发展风电，风电累计装机量超过100万KW的国家达17个，位于前十名的国家分别是美国、中国、德国、西班牙、印度、意大利、法国、英国、葡萄牙以及丹麦。新增装机位于前十名的国家分别是中国、美国、西班牙、德国、印度、意大利、法国、英国、加拿大和葡萄牙。在累计装机排名中，中国以微弱的优势超过德国，排在了第二位，但与第一名的美国差距还很大。德国排名第三，西班牙位列第四。近年来，风电的发展仍然主要集中在欧洲、北美洲以及亚洲地区，在2009年全球3834万KW的新增装机量中，亚洲、北美和欧洲占据了绝大部分，作为全球最主要的风电市场，这三大洲的风电装机的增长有力地推动了全球风电产业的发展。凡是风电装机量排名靠前的国家，都是由其本国著名的风电设备制造企业作为技术支撑。由于风力发电市场竞争激烈，个别知名厂商先后被并购，一些大型跨国公司也开始介入风力发电行业。如表15所示。VESTAS,GE,GAMESA,ENERCON以及SIEMENS等传统知名品牌，在世界累计市场份额中占了67，居于主导地位。但在2009年，新增市场份额中的比例己经下降到47。华锐、金风、东汽和SUZLON等一批新兴企业，在世界风电市场的竞争中开始崭露头角尽管在全世界累计市场份额仅有145，然而在2009年这一年的新增市场份额中已占据30以上。表13世界风电整机装备制造业分布序号企业名称当年新增MW累计MW1VESTAS丹麦4766129397052362GEWIND美国4741128229311363华锐中国3510955658344ENERCON德国322187197381175金风中国2727745315326GAMESA西班牙254669192251147东汽中国2475673765228SUZLON印度2421659671579SIEMENS德国226561112136710REPOWER德国129735489429其他企业合计703119026331156总计3700310001684461000前十名29969810142115844142国内风电概述我国风电虽然发展很快，但是目前开发程度还比较低，至2009年底，只开发利用了不到2600万KW，不到可开发量的2，尚有十分丰富的潜在资源能够开发利用。我国风电的发展现状有如下特点第一，国内市场增长迅速、风电场建设速度加快。中国首座风力发电场是山东荣成风电场，1986年5月安装了3台VESTAS55KW风电机，此后发展较慢，直至2003年国家发改委推行风电特许权项目，才促进了我国风电的迅速发展，连续多年呈倍数增长。2009年我国除台湾省外其他地区共新增风电机组10129台，其装机容量达1380万KW，已经超过美国成为了全球当年新增装机量最多的国家；累计风电装机量已达2580万KW，排名由2008年的第四位上升至目前的第二位。其中并网风电机组达2268万KW,累计发电量达516亿KWH。政府规划要求截至2015年将达到9000万KW,2020年要达到15亿KW1112。第二，风电制造产业发展迅速、国内自主研发进程加快。自2003年以来，国家连续推行风电特许权招标这一项目，正确采取了政府支持和市场机制相结合的方式，有力地促进了风电事业的发展。华锐风电、金风科技、国电联合动力、东方汽轮机、上海电气以及通用电气、歌美飒、维斯塔斯、苏司兰、西门子等一大批国内外大型制造业和投资商纷纷涌入中国风电制造业市场。此外，还有一批中小型制造企业在成长中，依托其良好的研发基础，表现出了较强的发展实力，如南车和湘电集团等。截至2009年底，国外风电制造厂商仅占据了我国209的市场份额，其余均为国内的自主品牌。第三，我国的风电发展得到了政府和社会的大力支持。为了大规模商业化开发风力发电，国家发改委从2003年起推行风电特许权这一项目，每年一期，通过招标的方式选择投资商和开发商。这是国家发展风电的一个重要举措，它明确风电不参与电力市场竞争，还对规定的上网电量承诺固定电价。在2006年，我国实施了可再生能源法，确立了可再生能源发展的法律地位和基本制度和政策框架。国家发改委、财政部、国家能源局等政府部门还研究制定了有关配套政策，支持包括风电在内的可再生能源的发展。根据我国新能源产业振兴规划，至2020年我国风电总装机容量预计达到15亿KW，将打造七个千万千瓦级风电基地酒泉、哈密、蒙西、蒙东、河北、江苏和吉林。第二章风力发电系统工作原理及其空气动力学模型和原理21风力发电系统工作原理永磁直驱式风力发电系统控制结构复杂，涉及的控制问题也比较繁琐，为了研究和分析的方便将其分成能量管理系统和偏航管理系统。能量系统包括将风能转换成机械能的风力机、将风力机传递的机械能转化成频率变化的电能的发电机和将发电机的电能转化成电网要求的电能的变流器。偏航管理系统包括风力机的变桨操作系统、偏航操作的电机控制系统、解缆操作系统和刹车操作系统等。从下图21中可以看到整个直驱式风力发电系统的结构组成，其中包括从风力机捕获风能，然后驱动发电机发电，再到将可变电能转换成电压、频率恒定的电能输送到电网等部分构成的主系统；为了保障主系统按照人们设置的模式安全、可靠、高效、经济的运行的控制系统。图21永磁直驱式风力发电系统的结构框图能量管理系统风力机、永磁同步发电机、稳压电容器、耗能电阻、整流逆变装置等部分构成了能量管理系统，其主要功能就是把不同形式的能量进行转化，也即是把风能转换为电能。以下将详细介绍各个组成部分的功能。风力机它是将风能转换成机械能的装置，包括桨叶、轮毂，传动轴等，其输出的机械能通过传动装置传送给发电机，永磁同步发电机将机械能转化成电能的装置，主要包括定子和转子部分。变流器它的形式是背靠背的PWM，可以分成整流器和逆变器两部分，整流器将发电机输入的交流电转换成直流电，其中间直流环节的电容器起滤波和稳压作用，逆变器再将直流电逆变成频率、大小不变的交流电输送到电网。耗能电阻它起两方面的作用，一方面防止发电机发出的电对电容器造成过充而损坏电容器；另一方面当风速过大时，发电机输出的电压有可能过高，这时接入耗能电阻可以消耗一部分电能，从而避免了电压的进一步升高。偏航控制系统风向风速仪、异步电机、抱闸装置等部分共同构成了偏航控制系统。它的主要作用就是对风，使风力机桨叶扫掠面与风向垂直，从而保证风力机能更多地获取风能。风向风速仪将测得的风向、风速等信息传送给主控系统。异步电机主要执行偏航操作、侧风操作、解缆操作等命令。偏航操作可分为自动偏航和手动偏航，自动偏航就是风向发生变化时，步进电机根据主控指令自动旋转，使得风力机桨叶扫掠面对准风向，来捕获最大的风能。手动偏航就是通过人为控制实现对风的操作；侧风操作就是为了避免风速过大对风力机造成损坏而设置的操作，也即是当风速超过限定风速时，步进电机旋转使得桨叶扫掠面与风向平行，这样风力机受的风力就很小了；解缆操作就是在对风过程中，假如风力机的转动方向始终朝一个方向，势必会造成电缆的过度缠绕，甚至扯断电缆，为了避免这种情况发生，当风力机朝一个方向旋转规定圈数后，它会朝反方向旋转若干圈从而保证了电缆的安全性。此外，除了偏航控制系统和能量管理系统以外，风力发电系统还包括主控制系统、故障保护系统、可视化操作系统等，这些系统都是通过主控制系统进行协调控制的，保证了风电系统安全、高效、经济的运行。22风力机模型221空气动力学模型风力机由叶片、轮毂、传动轴和联轴器等中间传动装置构成。风力机将风能转化为机械能，本文的重点是研究风电机组的电气特性，因此使用简化的气动力模型来描述风机的输出功率、转速与风速的关系，其中可控参数为桨距角和叶尖速比。为了表示风轮运行速度的快慢，定义叶尖圆周线速度与来流风速之比为叶尖速比（21）RN2其中，N为风轮转速（转分）；R为风轮半径（M）；为上游风速（M/S）；为风轮旋转角速度（RAD/S）。风力机的机械转矩TW与风速的关系可以表示为（22）/,5023CP对应的机械功率为（23）,32PWCRTP其中，为空气密度；R为风力机叶轮半径；为桨叶的桨距角；为叶尖速比；CP为风力机的功率系数。已知，（24）06854016573021IECIP其中，则风能利用系数CP是叶尖速比和桨距角的函1813I数，可表示为CP,。在直驱式风电系统中，由于没有齿轮箱，风力机通过传动轴直接驱动发电机旋转，因此二者转速相同，即，传动部分采用单质量块模型。G传动系统数学模型为（25）JBTDMEWT其中，J为机组的等效转动惯量，为转动粘滞系数，TE为电磁转矩，为发电机转速。222风速模型风速是空气在单位时间内移动的距离，风速模型相对于风力发电机是相对独立的，同一地点的风速随海拔高度而有差别。对风速进行数据处理和分析过程中要以下方WV的公式测风高度H0处的风速VW0进行修正（26）0HW其中，H为风力机轮毂的高度，单位为M；风速的单位为M/S；为高度修正系数，通常在010040范围内，实际工程计算中近似可取1/7。采用风速四分量模型可以更好地模拟风速随时间不断变化的基本特性，四个分量分别为基本风、阵风VWG、渐变风VWR和随机噪声风VWN。基本风风电机组的输出功率主要是由基本风决定的，基本风风速可以由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定，该分量为常数，不随时间变化。（27）KAV1其中，A和K分别为威布尔分布的尺度参数、形状参数；1为伽马函数。K1阵风阵风可以反映风速在某一时刻突然变化的特性，通常用阵风来考察风电系统在较大的风速扰动下的动态特性。（2GCOSWGTTVT108）其中，；、分别为阵风GWGTTV1MAXCOS2COS1MAXWVGT1的最大值、周期及启动时间。渐变风渐变风用来描述风速的渐变特性。（2RWRRAMPTTVT2X109）其中，；为渐变风的最大值；、RRWRRAMPTTV212AX1MAXWRVRT1分别为渐变风起始时间和终止时间。RT2随机噪声风随机噪声风可以反映风速的随机变化特性。（210）IINIWTOSIVSC2211其中，；是02的随机变量；21II3422IIIVFKI是地表粗糙系数，一般取0004；F是扰动范围，单位是；是相对高度的平均NK2M风速；为幅值波动参数，取值范围052。实际作用在风力机上的风速可以用上述四种风速分量的叠加和表示WV（211）WNRGV四种风速分量和合成风速的仿真曲线如图22所示。其中，基本风风速为6M/S；阵风在4S时启动，8S时结束，最大值为2M/S；渐变风4S时启动，8S时达最大值2M/S；随机风幅值波动参数为1。223风能转换原理德国物理学家贝兹（BETZ）于1926年建立了风力机的气动理论。贝兹理论假定风轮是理想的，即没有轮毂，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为轴向。理想风轮的气流模型如图23所示。图23中，是风力机上游风速；是通过风轮时的实际风速；是风力机下游的1VV2V风速；上游风速的气流截面积为，下游风速的气流截面积为。1SS根据能量守恒原理，风轮获得的机械能是由空气动能的降低而转化得到的，所以必定小于，又因为，自然界中的空气流动可认为是不可压缩的，由2V1VV，可知大于。21S21S图22理想风轮的气流模型风作用在风轮上的力为（212）21VSF风轮吸收的功率为（213）21P从上游至下游的风能变化为（214）21VSE由能量守恒定律可知，,所以得出P（215）21V所以，作用在风轮上的力和转化功率是（216）21VSF（217）224P因为上游风速为给定值，所以P可以看做是以为变量的函数，如果要求求出1VV功率P的最大值，就对上式求导（218）212234SDV令，则可得出（舍）；（其对应着最大功率）。把代02DVP12V312V312V入上式，可以得出风力机获得的最大功率是（219）31MAX278SVP将上式除以气流通过风轮扫掠面时具有的动能，可以得到风力机的理论最大效率（220）593027163MAXAXSV0593即为贝茨理论的极限值，它说明风力机从自然界中所获得的能量是有限的，理论上的最大值为0593，其损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。实际运行中风力机的风能利用系数是小于0593的，用表示，可以写为,值越大，PC5930PCP表示风力机对风能的利用率也越高，风力机的效率也就越高。对实际应用的风力机来说，风能利用系数主要受风轮叶片的气动和结构设计以及制造工艺水平的限制，而且还随所采用的风力机和发电机的形式而异。所以，风力机实际能得到的功率为（221）3150SVCPPM224定变桨距发电机组和桨距角控制模型风力发电机组经历了由定桨距到变桨距最后到变速的不断升级换代的发展过程。定桨距风力发电机组及其特点20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基木的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时己经固定，而发电机的转速由电网频率限制。所以，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对风速变化引起输出能量的变化不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。图23所示为定桨距风力发电机组。图23定桨距风力发电机组变桨距风力发电机组及其特点20世纪90年代后，风力发电机组的可靠性已经不是问题，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变桨距的风力发电机组，起动时可以对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。风力发电机组的液压系统不再是简单的执行机构，作为变桨距系统，它自身已组成闭环控制系统，采用了液压比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。变速风力发电机组及其特点由于变桨距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组（如图24所示）的主要特点是低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转化效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电能的目的。可以说，风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变桨距技术的变速恒频运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电能到理想地向电网提供电能的最终目标。图24变速恒频风力发电机组桨距角控制模型变速恒频风电机组可以按需求灵活调节桨距角。一般地，当风速小于额定风速时，调整桨距角保持在零度不变，等同于定桨距风力机。当风速大于额定风速时，保持电磁转矩恒定不变，通过调节桨距角使风电机组的输出功率维持在额定功率。图25桨距角控制环节由式可知，桨距角的大小直接影响着值，在变桨距风/,5023CPWRTPC力发电系统中，桨距角控制系统十分重要。控制桨距角的方法有很多，可以通过测量实时风速和功率作为输入信号设计桨距角控制器，也可以将风力机实际转速与参考转速的偏差量作为输入信号调节桨距角。公式如下（222）KDT1其中，为调节装置的惯性时间常数（包括测量环节的延迟效应），K为增益系数，为转速偏差。控制框图如图25所示。0变桨距调节方式在目前的风力发电机组中得到广泛应用，在额定风速以上时通过调节风轮叶片的桨距角来降低风能利用率，使转速保持在额定值不变，以保证风机输出额定功率。23最大风能捕获原理变速恒频风力发电机的主要特点就是在风速在一定范围内变化时，系统可以按最佳效率运行，捕获最大风能，同时发电机发出的电能通过变流器可以输出恒定频率的交流电。因此，如何实现对风力发电机的最大功率输出进行控制，成为提高系统效率的关键。风能利用系数由叶尖速比和桨距角决定。为了提高风力机的效率，需要调PC节或以尽可能提高的值。由图26可以看出，改变桨距角或叶尖速比都可以改变的值。当桨距角PC为0时，随着的增加，值在不断变化，当标OPT81时达到最大值048。OPT为PC对应桨距角下的最佳叶尖速比。当大于或小于OPT时，都会偏离，引起机组PMAXP效率的下降。对于一台确定的风力机，在桨距角不变时总有一个对应着最佳功率系数的最佳叶尖速比OPT，此时风力机的转换效率最高（如图26所示）。换而言之，对MAXPC于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的转速下才会有最高的风能转换效率。风速不同时（），风机转速功率输出曲线，如图27所示，风12345VV机输出最大功率点构成了最大功率曲线。在最佳功率曲线上运行的风机将会输出不同风速下的最大输出功率，其值OPTPMAXP是（223）3MAXKP其中，。2MAX3POTCRSK图26风能利用系数与叶尖速比的关系PC图27风机功率特性曲线从图27中可以看出，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运行，因此实现了最大风能捕获。OPTP风力机在不同风速下输出的最大功率减去发电机的空载损耗，就得到了发电MAXP机的最大电磁功率，如下式所示（224）0MAXPE其中，为空载损耗，为电磁功率。0PEP发电机组输出有功功率（225）11FECUE其中为发电机定子端输出的有功功率，为定子铜耗；为定子铁耗。1P1FEP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，由上述两式可得到发电机的有功功率指令。（226）10310MAXFECUFECUMKP控制发电机有功功率的输出，就可以在不同风速下捕获对应的最大的风能。第三章直驱式并网系统中的变流部分研究31永磁直驱式同步发电机并网方式风力发电机组可以用多极永磁发电机直接连接风力发电机，从而避免了增速齿轮箱带来的诸多不利因素，这就是直接驱动型风力发电机组。直驱型风力发电系统与非直驱型风力发电系统相比最大的进步就是省去了增速齿轮箱，这不仅节约了成本、降低了噪声，而且还提高了系统的运行可靠性，这是风力发电事业的一大进步。直驱风力发电系统结构如图31所示。永磁直驱式风力发电机组的发电机轴直接连接在风轮上，转子的转速随着风速的变化而变化，因而其交流电的频率和幅值也随之变化，经过大功率的电力电子变流器，将频率、幅值不定的交流电整流成直流电，再由逆变器变成与电网同频同相的交流电输出后并入电网。直驱式风电机组相对于传统的异步发电机组由于传统系统部件的减少，提高了机组的可靠性，降低了噪声和维护成本。因此，直驱式风电系统逐渐代替了非直驱式风电系统。图31直驱式风力发电系统虽然直接驱动与采用ACDCAC变流器相结合的变速恒频方式有一定的优势，但是也存在以下缺点采用的多级低速永磁同步发电机，电机的直径太大，制造成本高；随着机组的容量的增大，给电机设计、加工制造带来很大的困难。永磁同步发电机的并网方式主要有自动准同步并网和自同步并网两种。自动准同步并网满足风力发电机输出的各相端电压的瞬时值与电网对应相电压的瞬时值完全一致时称为准同步并网，在这种条件下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击；同步发电机的起动与并网过程如下当发电机在风力发电机的带动下转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过励磁电流的调节使发电机输出的端电压与电网电压接近。在风力发电机的转速几乎达到同步转速，发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同，并且断路器两端的电位差为零或者很小时，控制断路器合闸并网；同步发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。自同步并网自动准同步并网的优点是合闸时没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作相对复杂。当电网出现故障时要求迅速将备用发电机投入使用，由于此时电网电压和频率出现不稳定，故自动准同步法很难实现操作，这时往往采用自同步法实现并联运行。自同步并网的方法是，同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，使发电机中无励磁磁场，当原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定子、转子之间的电励磁作用下，发电机自动牵入同步；由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中不存在感应电动势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制比较简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降的现象。32直驱式风电系统中的各种变流电路在直驱式风力发电系统中，其变流技术种类繁多、方案灵活、代表了风力发电技术崭新的发展方向。由于直驱式风电系统不需要升速齿轮箱，节约了成本、降低了噪声、提高了系统的效率，是未来发展的主要方向。并网的基本思路是通过整流环节将发电机输出的交流电变成直流电，最后经过逆变环节转换成符合电网要求的交流电并入电网。可以在中间环节通过控制系统的无功和有功，以实现最大风能的利用和最大功率的跟踪。直驱式风电系统的电力电子变流电路有多种拓扑结构。每种不同的拓扑结构都有不同的特点，它们的系统控制方法也不尽相同。不控整流晶闸管逆变器型拓扑结构如图32所示，由于晶闸管逆变器的优点是功率等级比较高、成本也比较低且可靠性也不错，关键是其技术比较成熟，所以在早期的系统中大多采用晶闸管变流技术。其缺点主要是工作时吸收了大量的无功功率，因此会产生很大的谐波电流，所以必须对其进行无功补偿。图32不控整流晶闸管逆变器型不控整流直流侧电压变化的PWM电压源型如图33所示，该结构的基本变流思路为首先经过整流环节将发电机输出的交流电转化成直流电，再由逆变器转化成符合电网要求的交流电；该变流方案由于提高了开关频率，从而减少了对电网的谐波污染。通过控制系统输出的有功和无功，使其在最佳的叶尖速比状态下工作，从而达到捕获最大的风能的目的。图33不控整流直流侧电压变化的PWM电压源型由于发电机输出的交流电幅值和频率都不稳定，经过不控整流后输入给逆变器的直流电也是幅值也是变化的。为了使电网电压的频率和幅值恒定，可以通过调节PWM逆变器实现。当风速比较低的时候，由于给逆变器输入的电压过低不能达到并网的要求，因此必须提高逆变器的调制深度，当调制深度加深以后就会使逆变器的峰值过高、运行的效率降低以及传导损耗增大等。解决的方法是注入谐波或采用SVPWM（空间矢量脉宽调制）进行控制。但是这两种方法都不能彻底解决问题。不控整流直流侧电压稳定的PWM的电压源型该拓扑结构如图34所示，即在图33的基础上加一个DCDC（直流升压）环节所得到的。通过这个升压环节可以解决由于PWM逆变器输入电压过低所引起的PWM逆变器运行特性差的缺点；BOOST的主要作用是升压和稳压，同时在发电机的输出侧BOOST环节也能够实现对其进行功率因数的校正。由于不控整流器是非线性的，其输入侧电流有严重的畸变，谐波含量也比较大等原因，从而使发电机的转矩发生振荡、因数降低。这种情况可以通过功率因数校正技术，来改变开关管的占空比，使发电机的电流保持正弦，并使与输出的电压同步。图34不控整流直流侧电压稳定的PWM的电压源型从图34可以看出，整个系统增加了一级BOOST电路将直流输入电压的等级提高。他的优点是控制比较简单，开关利用效率也高。并且经过逆变器输出的电压比较稳定、谐波含量低、逆变效率好等优点；在实际应用中，大功率直驱式风电系统多采用这种结构。不控整流器电流源型该系统采用电流源逆变器，与电压源逆变器相比，电流源逆变器具有四象限的运行能力、系统运行更加可靠、不存在击穿故障等优点。缺点是逆变器和负载之间相互影响比较多，并联或者带多个负载不容易实现以及动态响应慢。综合效率、成本和暂态响应，电压源PWM逆变器更具有优势。电流源逆变器还处在实验室阶段，其拓扑结构如图38所示。图35不控整流器电流源型33直驱式并网型风电系统的变流方式目前适用于直驱式风力发电系统中的变流方案很多，一般将主电路分为电压源型和电流源型。由于电压源型逆变器在技术、成本以及控制等方面都比电流源型逆变器具有很大的优势，并且实际应用的变流器以电压源型居多，所以本文主要对电压源逆变器进行研究。目前比较主流的变流方案主要有以下三种类型双PWM变流电路该电路采用PWM整流和PWM逆变的形式，即双PWM变流电路。其电路拓扑结构如图36所示。图36双PWM变流主电路拓扑结构从图36中可以看出，在该电路的拓扑结构中，整流和逆变都采用PWM调制方式。该电路可以实现能量向电网回馈，以及功率的双向流动；在整流环节，可以通过控制整流桥中各个功率器件，实现输入电流正弦波；在逆变环节，可以通过对功率器件的控制实现输出的电流相位与电网电压相位保持一致，以实现功率因数接近于1的目标。其缺点是这种电路拓扑结构要求永磁同步发电机发出的交流电要高于并网电压，所以在风速比较低的情况下不能正常工作。不控整流升压斩波PWM逆变型变流电路该电路在整流环节采用二极管不控整流，在中间直流环节采用升压斩波以提高整流环节输入的直流电，最后在逆变环节采用PWM逆变三相桥逆变，最后并入电网。该电路的拓扑结构如图37所示。图37不控整流升压斩波PWM逆变型变流电路在这种变流电路的拓扑结构中，由于中间有升压斩波的存在，所以对发电机输出的电压没