风力发电专题-毕业答辩ppt课件

1、2010-6-212010-6-211 1/ /4040本设计的主要内容主要包括两部分：本设计的主要内容主要包括两部分：1、首先，在对永磁风力发电机的基本理论进行论述的基础上，建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型，分析了变转速变桨距控制策略，并基于 Matlab/Simulink建立了D-PMSG仿真模型，对风速快速跃变时机组运行情况进行了仿真，结果验证了该模型的合理性。2、其次，研究了双PWM变流系统电机侧整流器和网侧逆变器的控制方法，基于Matlab/Simulink搭建了基于转速外环、电流内环双PI调节器的电机侧整流器仿真模型及基于电网电压定向的电压外环、

2、电流内环控制的网侧逆变器仿真模型，并搭建了永磁直驱风力发电仿真模型。 2010-6-212010-6-212 2/ /4040本设计完成的主要内容本设计完成的主要内容: :1、完成外文翻译、完成开题报告 2、学习 Matalb/Simulink仿真软件3、学习永磁同步风力发电机发电基本原理 4、学习最大功率追踪控制原理 5、搭建并调试完成D-PMSG模型实现最大风能捕获6、学习永磁风力发电机变流系统的控制原理 7、分别搭建机端整流器和网端逆变器模型实现了整流和逆变 的仿真。8、完成调试永磁同步发电机的变流器控制模型实现整体仿真。9、完成毕业论文。2010-6-212010-6-213 3/ /

3、4040 2008年全球新增风电总投资达475亿美元，新增装机容量达27.26 GW，比上年增长36 %。目前，全球风电总装机容量累计已达121.19 GW，与2007年相比增长30% ,预计至2010 年，风电总装机容量将达190 GW，将满足全球12%的能源需求，并减排CO2达11010 t 。国内外风电发展现状国内外风电发展现状v国外现状v国内现状 2007年风电装机容量新增 3300MW，超过以往20多年的累计装机容量，是2006年新增装机容量1340MW的两倍多，风电装机总容量达到5900MW；2008年新增风电装机容量6300MW，新增量位列全球第二，风电装机总容量达到1221OM

4、W，已占全球总装机的10%，名列全球第四。2010-6-212010-6-214 4/ /4040风力发电机研究现状风力发电机研究现状风力发电机1、风力发电机单机容量大型化2、风力发电机永磁化3、风力发电机无刷化 风电机组调节技术1、定桨距失速调节 2、变速变桨距调节驱动方式1、双馈式2、直驱式 3、混合式 海上风电的发展2010-6-212010-6-215 5/ /4040永磁同步风力发电机简介永磁同步风力发电机简介叶轮直接驱动多级同步发电机，通过全功率变频器装置并网。优点：1、节约投资2、减少传动链损失和停机时间3、维护费用低4、可靠性好2010-6-212010-6-216 6/ /4

5、040第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获空气动力学部分数学模型空气动力学部分数学模型 风力机扫掠面的风能为: 风力机捕获的风能为：风力机的机械输入转矩： 叶尖速比： 为桨距角 和叶尖速比 有关的风能利用系数，表达式为其中3221VRPM32),(21VCRPPW/),(2123PWWCVRTPC) 5/5)exp(-12.- 0.4- 0.22(116/=pC1035.008.0113ww/VR2010-6-212010-6-217 7/ /4040) 5/5)exp(-12.- 0.4- 0.22(116/=pC1035.008.01131、对于任

6、意固定的桨距角值，随着叶尖速比值的增大，风能利用系数值明显减小。2、对于任意固定的桨距角值，存在唯一一个最佳叶尖速比对应最大风能利用系数值。3、由式 可见：在一定的风速下，存在唯一一个风轮转速对应着最佳叶尖速比，使得风能利用系数最高，捕获的风功率最大。如果在任何风速下都能保证有变化的风轮转速与风之相对应，使得叶尖速比总是为最佳叶尖速比，风力机运行在最大风能利用系数点，便可获得最大输出功率，及最大输出转矩。ww/VR最大风能捕获原理第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-218 8/ /4040v风力发电机组的传动系统数学模型

7、风力发电机组的传动系统数学模型 eqJBTTdtdgmWeg)(qqqdqdeqqaqdddqeddaduLLiLLiLRdtdiuLLLiLRdtdi1)1(10gpenv永磁同步发电机数学模型永磁同步发电机数学模型 定义q轴的反电势 ， d轴的反电势 ，假设发电机d轴和q轴电感相等，即 ，上式可以写为 ： 0eqe 0deLLLqdqdeqaqdqedaduLLiiLRdtdiuLiiLRdtdi1)1(10PMSG的电磁转矩表达式为 ，简化为)(5 . 10qqdqdpeiiiLLnT05 . 1qpeinT 第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获

8、2010-6-212010-6-219 9/ /4040v风力发电机组的传动系统仿真模型风力发电机组的传动系统仿真模型 eqJBTTdtdgmWeg)(05.1qpeinT第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211010/ /4040v发电机仿真模型发电机仿真模型 qdeqaqdqedaduLLiiLRdtdiuLiiLRdtdi1)1(10第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211111/ /4040vDPMSGDPMSG的控制策略的控制策略 1

9、、控制目标 （1）当实际风速低于额定风速时，对D-PMSG进行转速控制的目的是保证机组运行在最大风功率追踪状态下； （2）当实际风速高于额定风速时，受机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，必须降低风轮捕获的能量，使功率保持在额定值附近，此时桨距角控制需要起作用，以保证机组保持在额定功率附近 。2、桨距角控制器第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211212/ /4040/),(2123PWWCVRTWWWTPRnVpWeref第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-2

10、12010-6-211313/ /40403、转速控制（1）由于发电机由永磁体励磁，在发电机和机端整流器之间没有无功功率交换，所以可采用在dq同步旋转坐标系下的矢量控制法产生相应的电压矢量 、 以及电频率 ，从而控制发电机转速 。（2）为确定矢量方向，因d轴电流分量与无功功率相关，设d轴电流参考值 ；因q轴电流分量与转距相关，可通过控制q轴的速度获得q轴电流参考值 。 （3）d轴和q轴之间存在耦合项( 和 )，通过前馈补偿的方法可消除二者之间的耦合，因此定义2个新的输入量分别为：duquef0drefidrefideiqeiduqLieduquqedLiequ第一部分第一部分 D-PMSGD-

11、PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211414/ /4040duqLieduquqedLiequ（2）在q轴的转速控制部分，内环控制电流，外环控制转速。 qede（1）将发电机的反电势 和 当做干扰项，用比例积分控制的积分部分将其补偿掉。第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211515/ /4040本文得到的完整的D-PMSG模型及其控制框图如下。图中：SC表示转速控制策略；PMSG表示发电机模型；DT表示传动系统模型；WT表示风力机模型。第一部分第一部分 D-PMSGD-PMS

12、G模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211616/ /4040具体参数： D-PMSG的额定容量：3.2MW；定子电阻： =0.01； 电感： L=0.003 H； 极对数： ；额定风速： ；风力机转子半径： R=42m ；等效转动惯量： ；转动粘滞系数： 。aR32pnsmVWN1323108kgmJeq0mB对风速在t=1s时由10m/s快速跃升到14m/s的情况进行仿真第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211717/ /4040在风速变化过程中，D-PMSG一些主要物理量的变化情

13、况（a）发电机发出的有功功率（b）发电机的机械角速度 第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211818/ /4040在风速变化过程中，D-PMSG一些主要物理量的变化情况（c）桨距角（d）叶尖速比第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-211919/ /4040在风速变化过程中，D-PMSG一些主要物理量的变化情况（e）功率系数（f）q轴反电势第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-

14、212020/ /4040在风速变化过程中，D-PMSG一些主要物理量的变化情况（g）d轴和q轴电流分量（h）d轴和q轴电压分量第一部分第一部分 D-PMSGD-PMSG模型和最大风能捕获模型和最大风能捕获2010-6-212010-6-212121/ /4040第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 v背靠背(Back to Back)双PWM结构的变流系统1、电机侧的整流器和电网侧的逆变器进行独立的控制。2、系统采用两个PWM变流器，前端整流器实现对发电机功率、转速的控制，后端逆变器稳定直流母线电压以及控制网侧功率因数。3、PWM整流桥使发电机运行在最优的运行点，并且可提供几乎正弦的电流

15、，从而减少发电机侧的谐波电流。网侧逆变器可提供恒定的直流母线电压，并使得网侧电流跟随电网电压，波形近似正弦波。2010-6-212010-6-212222/ /4040vDPMSGDPMSG的控制策略的控制策略 采用转速外环和电流内环的采用转速外环和电流内环的控制策略控制策略电机侧整流器的控制目的是根据实际风速的变化来调节发电机的转速，在机组变速运行阶段，为实现最大功率跟踪，要调节发电机的转速随风速变化而变化；在机组恒速运行阶段，要维持电机额定转速不变。 v电机侧整流器主电路 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212323/ /4040v电机侧整流器主电

16、路 dtiiKiiKiRiLusdsdisdsdpsdssqsqesd)*()*(dtiiKiiKEiRiLusqsqisqsqpssqssdsdesq)*()*(d由永磁同步电机稳态方程知，d轴和q轴之间存在耦和项 和 ，必须对d轴和q轴进行解耦才能实现转矩和无功功率的控制。通过前馈补偿的方法可消除二者之间的耦合，根据解耦控制，电流环采用PI调节，得到所需调制的指令电压：q第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212424/ /4040v电机侧整流器主电路仿真模型 电机侧整流系统模型 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6

17、-212525/ /4040v电机侧整流器主电路仿真模型 控制模块内部结构图 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212626/ /4040v电机侧整流器主电路仿真模型 电机侧整流器控制策略仿真模型图 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212727/ /4040直流侧电压波形 直流侧电流波形 电机侧三相电压波形 电机侧三相电流波形 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212828/ /4040v电网侧逆变器主电路 采用转速外环和电流内环的控制策略网侧逆变器的控制目的是保持直流母线

18、电压恒定，使变流器稳定的向电网输送功率，在网侧获得给定的功率因数。第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-212929/ /4040v电网侧逆变器主电路 dtiiKiiKiRiLusdsdisdsdpsdssqsqesd)*()*(dtiiKiiKEiRiLusqsqisqsqpssqssdsdesq)*()*(所得的经过旋转反变换，即得到所需的PWM调制信号电压。再通过PWM控制器对逆变器开关进行控制。通过逆变器控制，保持了直流电压的恒定，使其能稳定的向电网输送电能，并且通过电流内环解耦控制，逆变器输出电流与电网电压的频率始终为一致，在电网正常运行时，当无功需求等于零时能保持功率因数1为，并且在特殊情况时能向电网提供无功功率。 第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-213030/ /4040v电网侧逆变器主电路仿真模型 电网侧逆变系统模型第二部分 D-PMSG变流系统的控制研究 2010-6-212010-6-213131/ /4040v电网侧