60°坐标系下直驱风电机组三电平PWM并网变流器的仿真研究.doc

1、 。 坐 标 系 下 直 驱 风 电 机 组三电 平 瓻 本 人 郑 重 声明： 所呈 交的论 文 是 本 人 在 导 师的指 导 下 独立 进行 研究 所取得 的研 究 成果。 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注引 用 的内容外 ，本 论 文 不包含任 何其他 个 人 或 集 体 已 经 发 表或 撰 写 的成果作 品 。 对 本 文 的研 究 做出 重 要贡 献的个 人 和 集 体 ，均 已 在 文 中 以 明确方 式标 明。 本 人 完全意识到本 声明的法律后 果由 本 人 承担 。年 解 密后 适用 本 授 权书 。 趟 丁 ： 学位 论 文波 器 ，通 过 仿 真 验 证 了 模

2、 型和 控 制 策 略的正确性 。 瑃 ， 琹 琫 ， ， 籘 晗 迪 掠 绲 缁 槿 缙 絇 并 网 变 流器 的仿 真 研 究 橙 缙 絊 算 法 本 章 小 结 研究 风 力发 电 的背景和 意义量 ，只有 风 力在 一年 内所提 供能 量 的三分 之 一。 世 界风 能 协会 的最 新数 经 过 几 十 年 发 展 ，风 力发 电 已 成为国 际 上 公 认 的技 术 最 成熟、 开发 成本 最 低 、最 具 发 展 前景的可 再 生 能 源之 一。 许 多 国 家 把 风 电 作 为改 善 能 源结 构、 应 对 气 候变 化的重 要选择 。 在 欧 美 等风 电 开发 起步 较早

3、的国 家 ，风 电 在 替 代常规 化石能 源、减少 温 室气 体 排 放等方 面已 发 挥了 巨大作 用 。 通 过 提 高 风 电 电 量 在 全社会 用 电 量中 的比 例 ，逐 步 减少 常规 化石能 源消 耗 ，已 成为全球 范 围内减少 温 室气 体 排 放、应 对 气 候 变 暖 的重 要途 径。 为应 对 全球 气 候 变 化，履 行 节 能 减排 义务，我 国 将 大力 发 展 可 再 生 能 源，到 年 非 化石能 源占 一次 能 源消 费的比 重 将 达 到 。为实 现 这 一目标 ，风 电 必 将 发 挥更 重 要的作 用 。 此外 ，风 力 发 电 涉 及材料、 机

4、电一体 化等多 种 产 业 ，现 阶 段大力 发 展 风 电 技 术 既 能 缩 小 与世 界先进风 电 技 术 水 平的差距 ，同时 可 以 带 动相 关 产 业 的更 新换 代，有 利 于国 民 经 济发 展 。 风 力发 电 技 术 发 展 现 状与趋势风 力 发 电 技 术 是 涉 及空气 动力 学、 自 动控 制 、 机 械 工 程 、 电 机 学、 计算 机 技术 、 材料学等多 学科的综 合 性 高 技 术 系 统 工 程 【 。 风 力发 电 的过 程 即 风 能 通 过 机械 能 转换 成电 能 的过 程 ，而 风 力发 电 机 组与其控 制 系 统 负 责 从 机 械 能

5、转换 为电 能 ，是 整 个 风 力发 电 系 统 的核 心 。 所以 ，此系 统 必 须具 有 高 稳 定性 、 高 效率 等特 点。一直 是 风 力 发 电 的关 键技 术 。 建设 海 上 风 电 场 是 风 能 发 展 的重 要方 向，特 别 是 欧 洲 ，陆 上 风 能 资源可 开发的区 域 已 越 来 越 少 ，继续 在 陆 上 建设 风 电 场 ，会 带 来 占 用 土地 ，影响自 然 景观 ，噪 声对 周围居民 生 活 带 来 不便等问题 ； 另 外 ，海 上 风 能 资源比 陆 地 丰 富 ，不但风速 高 ，而 且 很 少 有 静风 期 ，能 更 有 效地 利 用 风 电 机

6、 组的发 电 容量 【 】 。 海 水 表面粗糙 度 低 ，海 平面摩 擦 力小 ，风 速 随 高 度 的变 化小 ，不需 要很 高 的塔 架，可 有 效降低 风 力发 电 机 组的成本 。 海 水 风 的窜流强 度 也 低 ，作 用 在 风 力发 电 机 组上 的疲 劳载 荷 小 ，可 延 长 机 组使 用 寿命 。 因 此，近 年 来 在 欧 洲 已 呈 现 将 风 电 场 建设 从 陆 地 随 着 电 力 电 子 技 术 的进步 和 风 电 技 术 的逐 渐 成熟，大部 分 风 电 机 组制 造 厂 商在 采用 变 速 恒 频的技 术 ，且 结 合 了 现 在 的变 桨 距 技 术 ，研

7、 制 了 变 速 变 桨 风 电 机 组，逐渐 在 市 场 推广 使 用 。 自 年 至 今 ，新安 装 的风 电 机 组中 ，超过 的风 电机 组采用 了 这 一技 术 【 。 电 力网 络。 以 下 是 两 种 不控 变 流系 统 的结 构。 二极 管整 流全控 逆变 系 统图 甀 电 流源型变 流系 统 逆变 电 路是 由 半 控型器 件晶闸 管构成，有 功 率 级别 高 、 造 价低 的优势 ，在 并 网 技 术 发 展 的初期 应 用 广 泛 ，由 于系 统 本 身 会 增加 电 网 侧 的谐 波 ，且 会发 电 机 输 出 的交流电 变 换 成直 流电 ，且 直 流侧 的电 压 和

8、 输 入成正比 。 逆变 部 分 由全控 型器 件构成，并 网 前的电 压 幅 值 和 频率 可 以 通 过 控制 器 件开关 的变 化状态 保持在 一定数 值 。 此系 统 无法调节 发 电 机 的电 磁转矩 ，定子 谐 波 电 流大，响应 速 度迟 钝，在 阵风 时 对 电 压 不能 很 好地 调节 ，同时 还 会 增加 发 电 机 的转矩 脉 动和 相 关损 耗 ； 电 流源型逆变 系 统 能 量 可 双 向流动，耐 冲 击 电 流能 力突 出 ，但同时 动态 响应 速 度 较迟 缓 ，功 率 因 数 不高 【 】 。 结 合 以 上 因 素 ，目前电 压 源型逆变 系 统 被 广 泛采

9、用 。图 电 压 源型变 流系 统 豢 臼， 变 换器风 直 接 串 接 逆变 器 结 构 本 文 主 要研 究 内容本 课题 主 要是 依托 湘电 风 能 有 限公 司 开拓 的永 磁直 驱 风 电 市 场 、 建立 在 湘潭世 通 电 气 有 限公 司 和 湖 南 大学之 间 的“ 产 学研 ”合 作 基 础 之 上 ，共 同提 出 的科研项 目兆 瓦级风 力 发 电 机 组控 制 系 统 的合 作 研 发 与产 业 化来 开展 的。 本 文 对 永磁直 驱 风 力发 电 机 组三电 平 淞 髌 鞯 目刂撇 呗越 辛 擞 呕 坐 标系 下 的矢量 控制 技 术 应 用 于直 驱 风 电 系

10、 统 中 ，主 要工 作 包括 ： 永 磁直 驱 风 力发 电 机 组的基 本 结 构图 永 磁直 驱 式风 力 发 电 机 组结 构图 电 励 磁直 驱 式风 力 发 电 机 组结 构 晗 迪 轮 鼻 绲 缁 槿 缙 絇 并 网 变 流器 的仿 真 研 究 桨叶 ； 机 组可 靠 运 行 ，提 高 风 力发 电 机 组的使 用 寿命 。 防雷 系 统 】 由 外 部 防雷 系 统 和内部 防雷 系 统 组成，通 过 选择 合 适的保 护 等级以 便在 最 大允 许 条 件下 ，采取 保 护措 施 ，减小 直 接 雷 击 对 风 力发 电 机 组造 成破 坏 的风 险。 底 座与机 舱反 映

11、了 风 速 与获 得 的能 量 的关 系 ： 为变 桨 距 调节 机 组与定桨 距 调节 机 组各自 的功 率 特 性 。图 变 桨距 机 组与定桨 距 机 组各自 的功 率 特 性定桨 距 是 指 桨 距 角 不变 ，桨 叶 和 轮 毂刚 性 连 接 。 在 桨 距 角 不变 的情况下 ，攻角 与风 速 成正比 ，升力 先增加 ，达 到一定攻角 后 ，尾翼 气 流分 离区 增大导 致 桨 叶表面产 生 涡流，上 下 翼 面压 力差减小 ，升力 也 减小 ，从 而 使 叶 片失 速 ，限制 了 风机 的功 率 。 定桨 距 失 速 调节 机 组具 有 性 能 可 靠 ，结 构简便，对 叶 片的

12、结 构有 依赖 ，叶 片结 构较复 杂 ，工 艺 难 度 较大的特 点。 随 着 单 机 容量 的增大，叶 片半 径增加 ，承受 的气 动推力 大，导 致 叶 片的刚 度 减弱 ，不易 控制 其失 速 动态 的特 性 ，故 较少在 兆 瓦级风 力发 电 机 组的功 率 控制 上 应 用 。 为攻克低 风 速 或 低 负 荷 时 的效率 难 题 ，定桨 距 风 力 发 电 机 组基 本 采用 设 计两 个 不同极 对 数 的异 步 电 机 ，低 风 速 时 ，让 低转速 功 率 小 的发 电 机 工 作 ，高 风 速 时 ，让 高 转速 功 率 大的发 电 机 工 作 ，由 此来 调为确保 风

13、力 机 输 出 功 率 平 稳 和 提 高 风 力 机 风 能 转换 效率 ，必 须要对 风 力 机 的桨 距 进行 调整 。 变 桨 距 风 力 发 电 机 组可 让 风 轮 叶 片的安 装 角 随 风 速 变 化，改 变 纵向旋 转轴与叶 片迎风 面问的角 度 ，影响叶 片的阻 力 与升力 ，控 制 大风 时 风 机 输 出功 率 ，使 其处 在 恒 定值 。 在 额 定风 速 以 下 时 ，控 制 器 将 叶 片攻角 置 于零度 左 右，等同于定桨 距 风 机 。 在 额 定风 速 以 上 时 ，通 过 变 桨 距 机 构调整 叶 片的攻角 ，使 发电 机 输 出 功 率 在 额 定值

14、上 下 。 湘电 风 能 型机 组在 标 准 空气 密度 下 的功 率 曲线如图 所示 。 风 速 型风 电 机 组标 准 空气 密度 下 的功 率 曲线通 过 以 上 分 析 ，可 得 出 风 力机 在 静态 条 件的特 性 模 型，如图 所示 瞄 副 。 械 能 的效率 是 最 高 的。 式 可 看 出 机 械 功 率 与机 械 转矩 的关 系 ： 由 风 力机 的机 械 转矩 和 电 磁转矩 间 的转矩 差产 生 的，如式 所示 ： 因 此可 以 得 到风 力机 的机 械 模 型，如图 所示 。图 风 力机 机 械 模 型图 永 磁直 驱 同步 发 电 机 组的系 统 模 型为了 建模

15、需 要，假 设 永 磁同步 电 机 为理 想 电 机 ，即 ： 匕 ， ，耐 、 ，。 。 为等效的 轴磁链； 晗 迪 轮 鼻 绲 缁 槿 缙 絇 并 网 变 流器 的仿 真 研 究 世 纪 年 代，日 本 学者 提 出 了 空间 电 压 矢量 脉 宽 调锘 图 三相 静 止坐 标 系 与两 相 静 止坐 标 系 的转换电 动机 的三相 定子 绕 组可 看 成三相 静止的平 面坐 标 系 ，如图 所示 ，三相 静止的坐 标 系 变 换 到两 相 静止的坐 标 系 遵 循 以 下 的原则 ： 三相 静止坐 标 系 中 的三柏瞬 问量 应 与空问电 压 矢量 孑在 坐 标 轴 、 相 位 互差 上

16、 的分 量 恰 好相 等。 设 嵊 階 轴重合 ，三相 交流各相 电 压 如下 ： 式 为反 变 换公式： 扰 。 口 橙 缙 絊 算 法表示 各相 桥臂 输 出 状态 ，则 有 ：吣 等品 关 闭 时 ， 我 馐 笨痰 淖 刺 梢 杂 冒 个 桥臂 对 应 的空间 电 压 矢量 来 合 种 开关 状态 包括 有 效电 压 矢量 种 ，称之 为基 本 矢量 。 按 基 本 矢量 幅 值 不同， 卢一 叭 潮 图 三电 平空间 电 压 矢量 图 由 以 上 可 得 逆变 器 三相 输 出 端 对 负 载 中 点 牡 缪辜 聪 嗟 缪谷 缡 所示 ：瞰瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘢琂 甃 悖 瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛駄

17、瘛瘛瘛瘛瘛瘛駄 。一一三扇 区 号 口 、 奥 。 醦 以 口 、 虬 。 奥 。 一玑 卢籌 在 宦 矫 嫔希 缙 降缪箍瘴适噶 恐 渚 倍数 ，参 考 电 压 矢量 的合 图 。 坐 标 系 下 三电 平 空间 矢量 图历上括三石三石由 图 可 知，此坐 标 系 下 的基 本 矢量 坐 标 都为整 数 ，对 任 意空问参 考 电 压 弧廖 迨 弧料 一五【 五 互 波 形 的生 成 图 基 本 矢量 作 用 时 间 计算 模 型图 、 直 鹗 谴 车 腟 算 法与基 于 晗 档腟 算 法程 判 断 大扇 区上判 断 小 扇区 并 确定基 本 矢量上上有 多 种 因 素 会 导 致 中 点电

18、 位 的波 动，丰 要有 以 下 几 种 【 】 ： 晗 迪 轮 鼻 绲 缁 槿 缂 譖 并 网 变 流器 的仿 真 研究 电 容应 满 足 以 下 关 系 ： 琯 爰 蒜在 实 验 中 调整 得 到最 佳值 如下 ： 本 章 小 结 直 接 电 流控 制 具 有 限流难 度 小 、 动态 响应 速 度 快 、 控制 精度 高 等优 点，但同时 还由 于三相 电 口 、 两 相 间 互 差 ，有 下 式：屯 觥 鼬咖如 将 有 功 与给 定的有 功 控 制 指 令 同时 比 较，并 分 别 产 生 功 率 分 配 信 号 ，起到控 制 整图 机 侧 整 流器 控 制 策 略分 配 单 元 。

19、7直 鸾 啊！ 卢转换 为” 髦 频 2 鶳行。 图 网 侧 逆变 器 控 制 策 略在 中 ，针 对 来 胖 鼻 绲 缛 缙 絇 变 流系 统 建立图 所示 。 。 ， 、 、 、 图 功 率 运 算 模 块仿 真 模 型图 机 侧 整 流控 制 模 块仿 真 模 型 信 号 产 生 模 块 图 来 胖 鼻 缌缦 低 橙 缙 絇 整 流器 仿 真 模 型 结果对 比 。 图 永 磁同步 发 电 机 轴电 流波 形 。 卜：图 砈 算 法下 整 流器 输 出 直 流母 线电 压 波 形 图 砈 算 法下 三相 电 流输 入波 形 来 胖 鼻 缌缦 低 橙 缙 絇 逆变 器 仿 真 模 型：厂、。日：；潦 尉 ； 图 晗 档腟 算 法下 逆变 器 三相 输 出 电 压 波 形图 车 腟 算 法下 逆变 器 三相 电 流输 出 波 形 图 坐 标 系 的 惴耡 相 电 流电 压 输 出 波 形由 图 可 以 得 出 网 侧 逆变 器 输 出 的三相 电 流及三相 电 压 正弦 度 非常好，且 基 于 晗 档腟 算 法下 逆变