【正文】 逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量。應(yīng)用以上思想，在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組中，在最大功率輸出方式下。對某一確定的風(fēng)力機，當(dāng)和V一定時，風(fēng)力機所獲得的機械功率僅與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)，是槳距角和葉尖速比的函數(shù)，即，某一風(fēng)速下，當(dāng)槳距角一定時，則僅由葉尖速比決定。根據(jù)理論和能量的轉(zhuǎn)化，一定有，根據(jù)貝茨理論，則有設(shè)S為風(fēng)輪平面面積，為空氣密度，則風(fēng)能作用于槳葉上的力為 （）由此計算槳葉接收的功率為： ()由上游至下游的動能變化： （）因能量守恒，則（）()式相等，則 （）可以求得： （） （）由于槳葉前風(fēng)速是認(rèn)為給定的，故對P微分求其最大值，P是的函數(shù)，則有 若令其為0，解得 代入P的表達(dá)式，可求出P的最大值： （）由此，除以氣流通過掃風(fēng)面S所具有的動能，得到風(fēng)輪的理論最大效率： （）這就是著名的貝茨定理，它說明理想的最佳條件下，對風(fēng)能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化為了旋轉(zhuǎn)動能而損耗在槳葉背面也就是說，所以在實際的風(fēng)力機運行中，就是要最大限度地接近該風(fēng)能的最大利用數(shù)值。貝茨假設(shè)風(fēng)輪是理想的，既沒有輪轂，且有無限多葉片組成，氣流通過風(fēng)輪時也沒有阻力；此外假定氣流經(jīng)過整個掃風(fēng)面是均勻的，氣流流過風(fēng)輪的速度方向為軸向。風(fēng)電機組的發(fā)電過程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特性由閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)決定，而只要使設(shè)計的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)小于一定值就可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。(4)基于LCL濾波器簡化模型的電流控制系統(tǒng)簡化的LCL濾波并網(wǎng)PWM變流器電流控制系統(tǒng)可以利用圖32結(jié)構(gòu)，只是前饋解耦電感量設(shè)定為得到圖35。將電流控制環(huán)的dq兩個通道解耦后，兩解耦通道變成兩個相互獨立的對稱直流電流環(huán)節(jié)。首先忽略電網(wǎng)電壓的擾動，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換，原來與時間有關(guān)的正弦變化的電網(wǎng)電壓變成了常數(shù)，電網(wǎng)電流在平衡且不含諧波時也變?yōu)槌?shù)。解耦后相互影響的變量相互獨立的，可以進(jìn)行獨立控制。與靜止3/2變換的時不變性和線性轉(zhuǎn)換性不同的是旋轉(zhuǎn)變換改變了系統(tǒng)固有時間特性，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型方程在旋轉(zhuǎn)變換后，使模型方程增加了與時間有關(guān)的新增項。此控制系統(tǒng)包括直流電壓控制和dq軸電流控制，這種結(jié)構(gòu)與單電感系統(tǒng)相似，易于實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。在確定變流器側(cè)電感電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電感及中間濾波電容C大小時，要滿足濾波要求，還需考慮電感和電容吸收的無功功率大小，并使變流器輸出電壓對網(wǎng)側(cè)基波電流的控制能力盡可能的大。此文，設(shè)計了一個基于LCL濾波器簡化模型，并采用同步PI電流控制環(huán)構(gòu)成的變流器。滿足以上條件還可以減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身的沖擊，同時將單位功率因數(shù)的低諧波優(yōu)質(zhì)電能送入電網(wǎng)，其主電路結(jié)構(gòu)如圖33： 圖33 基于LCL濾波器的電壓型PWM變流器主電路現(xiàn)在大容量風(fēng)力發(fā)電變流器開關(guān)頻率較低，交流側(cè)電流中含有較低頻率的諧波，采用LCL結(jié)構(gòu)比單電感L結(jié)構(gòu)濾波有更好的電流諧波衰減特性，能更好抑止電流諧波，同時LCL濾波電路的等效阻抗小于去掉電容的純電感電路阻抗，從而可減小濾波回路的電壓降。由于在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，原來三相坐標(biāo)系中的交流量都變成了直流量，于是可以采用PI調(diào)節(jié)進(jìn)行電流控制，可消除電流環(huán)靜態(tài)誤差。為消除dq軸之間的影響，實現(xiàn)對兩軸的獨立控制，需要構(gòu)建能解除d、q軸間電流耦合和消除電網(wǎng)電壓擾動的解耦控制方法。 圖31 單電感L電壓型PWM變流器拓?fù)鋱D一般三相靜止對稱坐標(biāo)系(a，b，c)中的PWM變流器數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰、直觀等特點，但在這種數(shù)學(xué)模型中變量均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計。由于變流器橋路與電網(wǎng)間可選用單電感L濾波或LCL濾波，其電流內(nèi)環(huán)控制模型所不同，以下對這兩種情況進(jìn)行討論。因為角度是頻率的導(dǎo)數(shù)，所以角度的變化將導(dǎo)致頻率變化。下面將討論在dq模型下有兩個直流量是如何控制交流量的幅值和相角的。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI調(diào)節(jié)電流控制的核心思想就是將交流量轉(zhuǎn)化為直流量然后借用經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，以得到良好的動態(tài)和靜態(tài)控制特性。這種控制方案的特點：，電流響應(yīng)快，控制準(zhǔn)確，控制方法簡單。另外對電流控制環(huán)所需產(chǎn)生的正弦指令電壓給定信號的要求也很高。瞬時電流控制是基于靜止坐標(biāo)系下的控制策略，由于采用電流控制這使電流響應(yīng)速度快，有利于過電流保護(hù)。從本質(zhì)上講，網(wǎng)側(cè)變流器是一個交、直流電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的能量變換裝置。其一是變流器橋臂中點電壓依據(jù)變流器低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型運算得到，運算過程中用到電路參數(shù)L和R，當(dāng)L和R的運算值和實際值有誤差時，會影響到控制效果，難以保證系統(tǒng)動態(tài)性能；其二是在穩(wěn)態(tài)向量關(guān)系基礎(chǔ)上控制電流，其前提條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，而實際上電網(wǎng)電壓由于負(fù)載擾動經(jīng)常會發(fā)生畸變，這必定影響控制效果；其三是沒有電流反饋，系統(tǒng)沒有自身限流功能。與之相反，風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電流減小時，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。n 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21，控制系統(tǒng)是只有直流側(cè)電壓控制環(huán)的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。PWM變流器電流控制策略分為兩類：一類是間接電流控制，另一類是直接電流控制。變流器的本質(zhì)就是利用開關(guān)把電壓或電流在時間上離散化并按一定規(guī)律組合成一個新的電壓或電流。6. 本文研究的主要內(nèi)容通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，全面論述直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、對應(yīng)的控制方式、實現(xiàn)的功能、適用的場合以及對電網(wǎng)故障的應(yīng)對措施等第二章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究網(wǎng)側(cè)變流器的控制目的主要是將母線電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻的交流電，維持直流母線電壓穩(wěn)定，同時滿足電力系統(tǒng)有功和無功功率的需求，通過電流解禍控制，實現(xiàn)有功和無功的單獨控制。這樣變流器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般成立起來，使得變流器的徹底國產(chǎn)化呼之欲出。發(fā)改委在文件中明確提出，風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備國產(chǎn)化率必須達(dá)到700/0以上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13： 圖13 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖就目前情況來看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機仍是主流，然而直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢也開始逐漸受到關(guān)注。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠(yuǎn)多于普通交流同步發(fā)電機的極數(shù)，因此這種電機的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓盤形狀，為了簡化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機的體積和質(zhì)量，采用永磁電機是具有較大的優(yōu)勢仁’3一‘4」。而其缺點在于控制方式相對復(fù)雜，并且價格較昂貴，其結(jié)構(gòu)圖如圖12： 圖12 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖C 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，所以發(fā)電機的輸出端電壓、頻率隨風(fēng)速的變化而變化?？刂妻D(zhuǎn)子電流。與恒速風(fēng)力機不同，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)力機在較大范圍內(nèi)按最佳參數(shù)運行，以提高風(fēng)能利用率。雙饋電機的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個變頻器連接到電網(wǎng)，使得機組可在較大速度范圍內(nèi)運行，并與電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量雙向傳輸。同步發(fā)電機在運行中，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。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機、齒輪箱（可選）、發(fā)電機、變頻器和控制器組成，實現(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。D改善系統(tǒng)的功率因數(shù)目前的恒速機組，大部分使用異步發(fā)電機，它在發(fā)出有功功率的同時，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補償大部分消耗的無功）。C低風(fēng)速下以低轉(zhuǎn)速運行，降低噪音恒速運行時風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不能太高，因為在低風(fēng)速時，環(huán)境噪音不大，掩蓋不了葉片的氣動噪聲，所以恒速風(fēng)力機的葉尖速度一般局限在60m/s左右。這樣就可能使風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比，使風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個運行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運行獲得更多的能量。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。異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時，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。恒速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)力機的轉(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。 MW～ MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組并成功實現(xiàn)并網(wǎng)運行；丹麥BOUNS公司(現(xiàn)已被西門子收購)選擇了無刷感應(yīng)發(fā)電機配備全功率變流器；( MW， MW， MW)中把雙饋發(fā)電機換成了帶全功率變流的同步發(fā)電機，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。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)展報告2007》，報告指出，自1995年至2006年，%；截至2006年底，我國共建設(shè)風(fēng)電場100多個，躍居世界第六位。由此可見，直驅(qū)式無齒輪風(fēng)力發(fā)電機始于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。在2000年，. ，而且較易受損耗，若使用一個和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速相同的電機就可以免去齒輪箱，并對直驅(qū)式低速旋轉(zhuǎn)電機應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機的一些問題進(jìn)行了研究。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機是風(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。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。直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器的控制與應(yīng)用項目設(shè)計方案1．課題研究的目的及意義在環(huán)境污染與能源危機的大背景下，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。永磁直驅(qū)風(fēng)機(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)電機采取特殊的設(shè)計方案，其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時，發(fā)電機仍然可以工作，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中使風(fēng)輪機與永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機的維護(hù)工作，并且降低了噪音。目前，通用變頻器技術(shù)成熟，價格便宜，為中小型直驅(qū)發(fā)電機的普及提供方便；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)電機的研究和應(yīng)用，同時，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)電機的調(diào)速范圍擴展到0～150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍。該設(shè)計的特點在于，可變磁阻電機的極結(jié)構(gòu)能夠承受各個方向操作而不需要支付箱齒輪箱那樣的費用。在2003年，Okinawa電力公司開始運行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW級風(fēng)機MWTS2000型風(fēng)力機，該風(fēng)機采用了小尺寸的變速無齒輪永磁同步電機和新型輕質(zhì)的葉片。在1996年我國制訂“乘風(fēng)計劃”，旨在鼓勵提高中大型風(fēng)力發(fā)電機制造技術(shù)和國產(chǎn)化率，2001年國家863計劃能源技術(shù)領(lǐng)域后續(xù)能源技術(shù)主題“兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組及其關(guān)鍵部件研制”課題開始實施。雖然成績顯著，但我們國內(nèi)的風(fēng)機市場占有率并不高，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，如丹麥的國家實驗室(Risoe)、德國的風(fēng)能研究所(DWEI)等[2]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，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。另外，對恒速風(fēng)機來說，當(dāng)風(fēng)速躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機傳遞給主軸，齒輪箱和發(fā)電機等部件，在這件部件上產(chǎn)生很大機械應(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)計時不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機組重量加大，制造成本增加，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機采取變速運行時，由