【正文】 直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器的控制與應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案1．課題研究的目的及意義在環(huán)境污染與能源危機(jī)的大背景下，風(fēng)能作為無污染的新能源，已經(jīng)成為世界研究的熱門話題，其中又以變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前主流的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組多采用有刷雙饋交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有功和無功解耦控制、最佳風(fēng)能捕獲控制以及變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。但由于系統(tǒng)中需采用齒輪箱連接風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，且有刷雙饋電機(jī)存在電刷和滑環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪箱隨著發(fā)電機(jī)組功率等級的升高，成本變的很高，且易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護(hù)，可靠行差；當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率低；同時(shí)齒輪箱也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染的一個(gè)主要因素，所以降低了系統(tǒng)發(fā)電效率和運(yùn)行可靠性。永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)(permanent magnet synchronous generator，PMSG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就是在這種情況下出現(xiàn)的，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機(jī)采取特殊的設(shè)計(jì)方案，其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)仍然可以工作，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中使風(fēng)輪機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作，并且降低了噪音。另外直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要電勵磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展，在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，占成本比例相對較高的開關(guān)器件（IGBT等）和永磁體，在其性能不斷提高的同時(shí)，成本也正在不斷下降，使得直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從眾多變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中脫穎而出，具有很好的發(fā)展前景。永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)更能適應(yīng)低風(fēng)速，對于我國具有更加重要的意義，我國低風(fēng)速的三類風(fēng)區(qū)占到全部風(fēng)能資源的50%左右，更適合使用永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。目前，通用變頻器技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，為中小型直驅(qū)發(fā)電機(jī)的普及提供方便；性能優(yōu)良的大功率電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了大型直驅(qū)發(fā)電機(jī)的研究和應(yīng)用，同時(shí)，伴隨著直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功率變流技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用；應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到0～150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢，因此它具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，國外形容其為風(fēng)力發(fā)電的一場革命。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能饋送至電網(wǎng)的唯一通路，它是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻的電能的裝置，它能實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出的電流、功率因數(shù)等的快速調(diào)節(jié)，減少對電網(wǎng)的諧波污染，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行很重要，掌握這項(xiàng)技術(shù)，對于推動我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，具有十分重要的意義。，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢直驅(qū)永磁式電機(jī)起源于1995年，當(dāng)時(shí)美國紐約州的一家研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一種新型可變磁阻發(fā)電機(jī)，它用風(fēng)力發(fā)動機(jī)中的磁性裝置取代了機(jī)械齒輪箱。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，可變磁阻電機(jī)的極結(jié)構(gòu)能夠承受各個(gè)方向操作而不需要支付箱齒輪箱那樣的費(fèi)用。在2000年，. ，而且較易受損耗，若使用一個(gè)和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)就可以免去齒輪箱，并對直驅(qū)式低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一些問題進(jìn)行了研究。但直到1997 年，市場上才開始出現(xiàn)兼具無齒輪、變速變槳距等特征的風(fēng)力機(jī)，容量約在330kW~2MW，并且多由德國于1992年開始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它包括了永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)Wind former，容量為3MW、高約70m、風(fēng)扇直徑約90m。在2003年，Okinawa電力公司開始運(yùn)行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW級風(fēng)機(jī)MWTS2000型風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)機(jī)采用了小尺寸的變速無齒輪永磁同步電機(jī)和新型輕質(zhì)的葉片。由此可見，直驅(qū)式無齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)始于20多年前，卻在近幾年又重新引起研究人員的極大興趣，并將該技術(shù)積極應(yīng)用于產(chǎn)品推向風(fēng)力發(fā)電市場，德國、美國、丹麥都是在該技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展較為領(lǐng)先的國家。其中德國西門子公司開發(fā)的直驅(qū)式無齒輪同步發(fā)電機(jī)被用在世界最大的挪威風(fēng)力發(fā)電場，據(jù)稱效率達(dá)98%[1]。作為一個(gè)新興能源行業(yè)，風(fēng)電業(yè)在我國起步并不算晚，但由于諸多原因，國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展并不快。在1996年我國制訂“乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在鼓勵提高中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)和國產(chǎn)化率，2001年國家863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域后續(xù)能源技術(shù)主題“兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其關(guān)鍵部件研制”課題開始實(shí)施。2007年11月，中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專委會、國際環(huán)保組織綠色和平和全球風(fēng)能理事會于上海國際風(fēng)能大會上共同發(fā)布了《中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2007》，報(bào)告指出，自1995年至2006年，%；截至2006年底，我國共建設(shè)風(fēng)電場100多個(gè)，躍居世界第六位。2005年4月24日，我國第一臺國產(chǎn)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)在烏魯木齊市達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電場完成吊裝，投入運(yùn)行。、制造并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級風(fēng)機(jī)，它的運(yùn)行意味著我國風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造能力已達(dá)到世界先進(jìn)水平。雖然成績顯著，但我們國內(nèi)的風(fēng)機(jī)市場占有率并不高，而且現(xiàn)在世界上多數(shù)風(fēng)電發(fā)達(dá)的國家都建有國家投資的研發(fā)服務(wù)機(jī)構(gòu)，專門為市場中的企業(yè)發(fā)展提供技術(shù)和政策支持，如丹麥的國家實(shí)驗(yàn)室(Risoe)、德國的風(fēng)能研究所(DWEI)等[2]。 MW～ MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；丹麥BOUNS公司(現(xiàn)已被西門子收購)選擇了無刷感應(yīng)發(fā)電機(jī)配備全功率變流器；( MW， MW， MW)中把雙饋發(fā)電機(jī)換成了帶全功率變流的同步發(fā)電機(jī)，GE風(fēng)電系統(tǒng)的逐步轉(zhuǎn)型是為了適應(yīng)新的“電網(wǎng)故障穿越”規(guī)則。我國企業(yè)擁有直驅(qū)風(fēng)機(jī)的自主知識產(chǎn)權(quán)，結(jié)合《關(guān)于風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》中風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化率要求及國內(nèi)風(fēng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至低風(fēng)速區(qū)域的要求，我國永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)占全國新增風(fēng)機(jī)的比例不斷提高。預(yù)計(jì)至2014年，我國永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)產(chǎn)量將達(dá)到4000臺，占2014年新增風(fēng)機(jī)總量53%，%。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，從而得到恒頻的電能；變速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電過程中，讓風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速按照一定的關(guān)系隨風(fēng)速而變化，并通過其他控制方式得到恒頻的電能。（1）恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)此系統(tǒng)中，多采用龍型異步電動機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速的增加而增加時(shí)，發(fā)動機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)距也增大，運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生了變化。若轉(zhuǎn)子速度超過同步轉(zhuǎn)速3%5%時(shí)，發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)距減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，后果嚴(yán)重。另外，對恒速風(fēng)機(jī)來說，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸，齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這件部件上產(chǎn)生很大機(jī)械應(yīng)力，如果上述過程重復(fù)出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機(jī)組重量加大，制造成本增加，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速運(yùn)行時(shí)，由風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，一部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪所吸收以功能的形式儲存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大扭矩和應(yīng)力，當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)、風(fēng)輪的加速、減速對風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收無功功率。異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù)，取決于轉(zhuǎn)差率及電機(jī)的參數(shù)，而轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機(jī)的負(fù)荷大小有關(guān)，電機(jī)的參數(shù)無法改變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用機(jī)端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù)。運(yùn)行中當(dāng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時(shí)，電容器的過勵和異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵現(xiàn)象。自勵產(chǎn)生的過電壓可能危及發(fā)電機(jī)和電容器的絕緣，必須予以重視。一方面應(yīng)從最不利的過速情況來選擇電容器的電容量，另一方面在保護(hù)線路上要采取措施。這種運(yùn)行方式除了有風(fēng)能利用系數(shù)低的弊端，主要弊端還是當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪葉片傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，上述過程的重復(fù)出現(xiàn)將引起這些部件的疲勞損壞。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機(jī)組重量增大，制造成本增加。（2）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相對于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：A風(fēng)能利用系數(shù)高利用變速恒頻發(fā)電方式，風(fēng)力機(jī)就可以改變恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行。這樣就可能使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，使其保持在一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運(yùn)行獲得更多的能量。B避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力，減少部件磨損這種變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速區(qū)，大大拓寬了風(fēng)力發(fā)電的地域范圍。即使風(fēng)速躍升時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)能也被風(fēng)力機(jī)吸收，以動能的形式儲存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免了主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭轉(zhuǎn)及應(yīng)力。在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，送入電網(wǎng)，從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。C低風(fēng)速下以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，降低噪音恒速運(yùn)行時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能太高，因?yàn)樵诘惋L(fēng)速時(shí)，環(huán)境噪音不大，掩蓋不了葉片的氣動噪聲，所以恒速風(fēng)力機(jī)的葉尖速度一般局限在60m/s左右。由于空氣動力學(xué)的原因，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速越低，葉片尺寸就必須越大；而變速機(jī)組由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成比例變化，所以較少受低風(fēng)速時(shí)噪音的限制，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用更大的葉尖速比。同樣由于空氣動力學(xué)原理，較大的葉尖速比，可將葉片做的更薄，從而降低制造成本。變速機(jī)組即使設(shè)計(jì)葉尖速比大于恒速機(jī)組，低風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速仍會大大低于恒速機(jī)組，因而噪聲低，更具有競爭性。D改善系統(tǒng)的功率因數(shù)目前的恒速機(jī)組，大部分使用異步發(fā)電機(jī)，它在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補(bǔ)償大部分消耗的無功）。而現(xiàn)代變速風(fēng)電機(jī)組卻能夠十分準(zhǔn)確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無功，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于以上原因，變速風(fēng)電機(jī)組越來越受到風(fēng)電界的重視，特別是在進(jìn)一步發(fā)展的大型機(jī)組中將更為引人注目。當(dāng)然，決定變速機(jī)組工作性能的一個(gè)關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置和控制策略的設(shè)計(jì)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱（可選）、發(fā)電機(jī)、變頻器和控制器組成，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的基本方式有兩種，一種是采用交流勵磁雙饋電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，另一種是采用電勵磁或永磁式同步電機(jī)。4. 常用風(fēng)電機(jī)組類型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)從風(fēng)機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并概述了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。A 普通三相同步發(fā)電系統(tǒng)早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是采用普通三相同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過齒輪箱連接，風(fēng)力機(jī)采用定槳距控制技術(shù)，發(fā)電機(jī)通過斷路器直接與電網(wǎng)連接，這就是所謂的剛性連接。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，己被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度，因此把它用于到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用效果并不太理想。該系統(tǒng)需要調(diào)速機(jī)構(gòu)和勵磁機(jī)構(gòu)對同步發(fā)電機(jī)的頻率、電壓和功率進(jìn)行有效的控制，否則可能會造成無功振蕩與失步，重載下尤為嚴(yán)重。普通三相同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示: 圖11 三相同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖B 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是變速運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的一種，由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等構(gòu)成。雙饋電機(jī)的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個(gè)變頻器連接到電網(wǎng)，使得機(jī)組可在較大速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超同步速度時(shí)，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)輸送能量。而當(dāng)運(yùn)行在亞同步速度時(shí)，電網(wǎng)通過變頻器向轉(zhuǎn)子輸送功率。直流側(cè)電容器的作用是維持直流母線電壓恒定。與恒速風(fēng)力機(jī)不同，其功率控制方式為變槳距控制，即槳葉節(jié)距角隨著風(fēng)速的改變而改變，從而使風(fēng)力機(jī)在較大范圍內(nèi)按最佳參數(shù)運(yùn)行，以提高風(fēng)能利用率。相比于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)，雙饋電機(jī)的優(yōu)勢在于:降低輸出功率的波動和機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力。不需要無功補(bǔ)償裝置?？梢宰粉欁畲箫L(fēng)能，提高風(fēng)能利用率。控制轉(zhuǎn)子電流。就可以在大范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)差率、有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可提高電能質(zhì)量。變頻器容量僅占發(fā)