【文章內(nèi)容簡介】 十八大 建設(shè)生態(tài)美麗中國的目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的能源基礎(chǔ)。與此同時，我國從風(fēng)電大國轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)電強(qiáng)國，風(fēng)電成為社會主要電源，使用清潔能源的觀念將深入人心。 風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢 變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式。變速恒頻方式可通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速追 蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距調(diào) 節(jié)方式。采用變槳距功率調(diào)節(jié)方式避免了定槳距功率調(diào)節(jié)方式中超過額定風(fēng)速時 發(fā)電功率下降的缺點(diǎn)。今后采用變槳變速功率調(diào)節(jié)方式的風(fēng)電機(jī)組還會大幅上升，取代落后的定槳恒速功率調(diào)節(jié)方式。機(jī)組單機(jī)容量不斷上升。風(fēng)電機(jī) 組單機(jī)容量越大則發(fā)電效益也就越高，單位千瓦的造價就越低，正是基于經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢，單機(jī)容量逐步提高成為國際風(fēng)電設(shè)備技術(shù)的主要趨勢之一，但是研制和生產(chǎn)的技術(shù)難度也加大。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近幾年來變速恒頻風(fēng)機(jī)得到了快速發(fā)展，并成為 市場的主流技術(shù)。同時，隨著全功率變流技術(shù)正在興起，無齒輪箱系統(tǒng)的市場份 額也在迅速擴(kuò)大，其取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)機(jī)軸上， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率 電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng) 同頻率交 流電輸出。為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性，目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正在向 取消增速機(jī)構(gòu)的由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)的趨向發(fā)展，并已在不同功率等級 的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。根據(jù)風(fēng)能條件，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在一個相對較寬的范圍內(nèi)變化，從而使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速都能輸出最大的功率。這樣的變速運(yùn)行有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：縮短驅(qū)動鏈、減小機(jī)械應(yīng)力、提高輸出電能質(zhì)量、增加能量捕捉等。風(fēng)力機(jī)的制造正朝著半徑更大、性能更優(yōu)的方向發(fā)展。使用直驅(qū)發(fā)電機(jī)能大大減少發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分組件數(shù)量。對風(fēng)力發(fā)電來說，直驅(qū)方案是更有 前景的選擇。 現(xiàn)將直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以表格的形式進(jìn)行對比，如下所示： 對比內(nèi)容 異步雙饋 永磁直驅(qū) 驅(qū)動鏈結(jié)構(gòu) 有齒輪箱，維護(hù)成本高 無齒輪箱或低傳動比 （半直驅(qū)） 電機(jī)種類 電勵磁 永磁 電機(jī)尺寸、重量、造價 小，輕，低 高，大，重 電機(jī)電纜的電磁釋放 有釋放，需要屏蔽線 無釋放 電機(jī)滑環(huán) 半年 換碳刷， 2年 換滑環(huán) 無碳刷，無滑環(huán) 變流單元 IGBT，單管額定電流小，技術(shù)難度大 IGBT，單管額定電流大， 技術(shù)難度小 變流容量 全功率的 1/4 全功率逆變 變流系統(tǒng)穩(wěn)定性 中 高 電網(wǎng)電壓突降的影響 電機(jī)端電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩急增 電流、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定 塔內(nèi)電纜工作電流類型 高頻非正弦波，諧波分量較大，必須使用屏蔽電纜 正弦波 可承受瞬間電壓波動 [10%, +10%] [85%, +10%] 諧波畸變 難以控制，因?yàn)橐S電機(jī)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行變頻 易控制，因?yàn)橹C波頻率穩(wěn)定 50Hz/60Hz 之間的配置變化 變流濾波參數(shù)需調(diào)整，齒輪箱需改變 變流濾波參數(shù)需調(diào)整 電控系統(tǒng)平均效率 中 高 本論文主要研究 工作 風(fēng)力發(fā)電是一門新式學(xué)科，但是它所涵蓋的方面非常之廣，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本論文為了突出論述重點(diǎn)，從永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理開始入手，隊(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行模型的建立，之后運(yùn)用相關(guān)軟件對其進(jìn)行仿真分析，本論文所展現(xiàn)的內(nèi)容主要有以下點(diǎn)： 介紹了近年來中國和世界其他各國隊(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展和發(fā)展情況，對比了目前主流應(yīng)用中的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 從原理入手，介紹了 不控整流后接升壓斬波電路后接 PWM 型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、。研究了永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制的方法，闡述 了虛擬磁鏈觀測法的原理。 對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，有風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型 軸系模型、永磁式同步發(fā)電機(jī)模型、不控整流模型、 Boost 模型、 PWM 模型，提出了網(wǎng)側(cè)相關(guān)控制策略。 運(yùn)用 Simulink 的建模功能，建立各部分的仿真模型，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證研究，仿真結(jié)果表明了模型的正確性和控制策略的有效性以及撰寫本論文的必要性。 第 2 章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理和數(shù)學(xué)模型 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，常采用增速齒輪箱來提高風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，然而齒輪箱不僅會產(chǎn) 生噪聲、增加系統(tǒng)故障率，而且會降低風(fēng)能的利用率。新型的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，通過功率變換電路直接并入電網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)效率。因此，永磁直驅(qū) 式 風(fēng) 力發(fā) 電系統(tǒng)正在成為目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 從前一章節(jié)的分析可以得出，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜合優(yōu)勢優(yōu)于雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)成有： 風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電力電子變流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其基本結(jié)構(gòu)如圖 2． 1 所示： 圖 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，所以發(fā) 電機(jī)的輸出端電壓、頻率隨風(fēng)速的變化而變化。要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)，需要保證機(jī)組電壓的幅 值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。其基本原理是首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為幅值和 頻率變化的交流電，再經(jīng)整流之后變?yōu)榻涣鳎缓蠼?jīng)逆變器變換為三相頻率恒定 的交流電送入電網(wǎng)。通過中間的電力電子變換環(huán)節(jié)來對系統(tǒng)的有功和無功功率進(jìn) 行控制，以達(dá)到最大風(fēng)能追蹤的目的。 直驅(qū)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，永磁同步發(fā)電機(jī) 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、可靠性高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)中 的永磁同步發(fā)電機(jī)是低速電機(jī)，它能與風(fēng)力機(jī)很好的匹配，風(fēng)力機(jī)可以 和永磁發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其 它風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機(jī)組結(jié)構(gòu)大大簡化，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且降低噪聲：其次，該方案在一定程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)逆變器部分。無齒輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)速低， 力矩大，轉(zhuǎn)子直徑大，轉(zhuǎn)子極間的間隙很小，對定子開槽的要求很高，造價昂貴，因此采用的是多極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括固定軸、轉(zhuǎn)動軸、線圈繞組、永磁磁鋼、鐵心、定子和外轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)無自帶冷卻風(fēng)扇或外裝冷卻風(fēng)扇，因而結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，提高了整機(jī)組的可靠性和壽命，減少了運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。電力電子變流裝置可以根 據(jù)要求進(jìn)行有功功率、無功功率及頻率輸出的任意調(diào)節(jié)，諧波分量低，具有很強(qiáng)的低電壓穿越能力，以適應(yīng)電網(wǎng)擾動，并網(wǎng)特性完全滿足目前國際上最新風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型 風(fēng)電機(jī)組以風(fēng)作為原動力，風(fēng)速 則 直接決定了風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)特性。要掌握風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)特性，就必須獲得風(fēng)電場短期的風(fēng)速波動數(shù)據(jù)，如秒級的風(fēng)速。本論文采用將四個風(fēng)速分量合成代表現(xiàn)實(shí)風(fēng)速的方法， 這種方法考慮了風(fēng)速 的 隨機(jī)分量分布譜密度、風(fēng)速 的 頻率、地表 的 粗糙度和擾動范圍，能夠比較全面地模擬 現(xiàn)實(shí) 風(fēng)速變化，本文在 進(jìn)行變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)仿真時，將風(fēng)速 的 模型簡化為 4種典型的風(fēng)速變化情況，即基本風(fēng) AV 、陣風(fēng) BV 、漸變風(fēng) CV 和隨機(jī)風(fēng) DV 。 的運(yùn)行狀態(tài)下，一般 處于同一功率水平，我們可以將基本風(fēng) AV 定義為常數(shù)值 。 ，風(fēng)速有可能發(fā)生突然地變化，我們定義陣風(fēng) BV 如下所示： ? ? ? ?? ?? ?GGGGGGGGGBTTtTTtTTtTTTtGv??????????? ???111121m a x0//2c o s12/0? 其中： BV ：陣風(fēng)風(fēng)速分量，單位為 m/s； GT ：周期，單位為 S； )( GT1 ：陣風(fēng)啟動時間，單位為 S； maxG ：陣風(fēng)峰值； ，風(fēng)速會有一個緩慢的漸變特性，因此我們把這一特性定義為漸變風(fēng)如下所示： ? ? ? ?? ????????????????????RRRRRRRRRRRCTTtTTtTRTtTTTTtRTtV222m a x21212m a x10/10 其中： CV ：漸變風(fēng)分量，單位為 m/s； maxR ：漸變風(fēng)峰值，單位為 m/s； RT1 ：漸變風(fēng)起始時間，單位為 s； RT2 ：漸變風(fēng)終止時間，單位為 s； RT ：漸變風(fēng)持續(xù)時間，單位為 s； ，風(fēng)濕有波動性質(zhì)的，為了體現(xiàn)風(fēng)速的隨機(jī)擾動特性，我們定義隨機(jī)風(fēng) DV 如下所示： ? ?? ? ? ?? ?? ?? ???????????????????4/322212/1/122/1c o s2??????????? IFFKiSViNiNiiiiVD 其中： DV ：隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速分量，單位 m/s； i? ：均勻分布的隨機(jī)變量，范圍介于 0 到 2π； NK ：地表粗糙系數(shù)，不同地域數(shù)值不同； F ：擾動范圍，單位為 m178。； )()( ? ：相對高 度的平均風(fēng)速，單位為 m/s； 綜上所述：我們將上述四種風(fēng)速分量疊加用以模擬實(shí)際作用在風(fēng)機(jī)上的風(fēng)速： DCBA VVVVV ???? 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 ,風(fēng)力機(jī)作為原動機(jī) ,負(fù)責(zé)將空氣的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 ,之后通過軸系將其傳輸至發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,它是整個風(fēng)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件。風(fēng)力機(jī)截獲流動空氣所具有的動能 ,并將風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部份空氣的動能轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能 ,風(fēng)力機(jī)決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出 ,也直接影響機(jī)組能否的安全、可靠并 且穩(wěn)定運(yùn)行。 由風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)特性可知 ,風(fēng)力機(jī)的輸入功率為： ? ???? ,21 3 pm CVSP ? VRW??? 其中： S：槳葉掃風(fēng)面積，單位為 m178。； ? ：空氣密度，單位為 kg/m179。； V：風(fēng)速，單位為 m/s； ? ：槳葉的漿距角； ? ：葉尖速比； w? ：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為 rad/s； R：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑，單位為 m； PC ：與葉尖速比和漿距角相關(guān)的功率系數(shù)； 當(dāng)漿距角為定值的時候，風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速總是在變化的，我們發(fā)現(xiàn)總是存在一個最佳的葉尖速比，使得功率因數(shù)最大。 )()()( 風(fēng)力機(jī)從空 氣中捕獲 的功率如下所示： WWW TP ?? 所以，我們可以將風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩表示如下： ? ???? 2 ),(23 Pww CVRT ? 我們通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為適當(dāng)值，即可使 Cp 值保持最大，從而捕獲最大風(fēng)能，相關(guān)控制策略我將在 下一章體現(xiàn)。 軸系是連接風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的中間部件，現(xiàn)將數(shù)學(xué)模型表示如下： ?????????????????)(220 gwsgge nEssgge nwtursswwturdtdDTKdtdHDKTdtdH?????????? 其中： 0? ：同步轉(zhuǎn)速； eT ：發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； s? ：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； s? ：為兩質(zhì)塊之間相對角位移，單位為 rad； genHHtur和 ：分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的慣性時 間常數(shù)，單位為 s； gentur DD 和 ：分別為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的自阻尼系數(shù)，單位為 Nm/rad； 由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪機(jī)與低速永磁發(fā)電機(jī)軸直接耦合，因此風(fēng)能的隨 機(jī)和風(fēng)速的變化，導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨之變化，從而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速而 變化。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是用永久磁鋼制成的，通過對磁極極面形狀的設(shè) 計(jì)使其在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布的轉(zhuǎn)子磁場。該磁場的軸線與轉(zhuǎn) 子磁極的軸線重合，并隨轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此矢量控制中的同 步旋轉(zhuǎn)軸系 )()()( 與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合。永磁同步電動機(jī)的定子磁場是由定子繞組中通以對稱的交 流電建立的，定子磁場在定、轉(zhuǎn)子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此， 當(dāng)負(fù)載一定時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場之間的差角一功率角是恒定的，通過折算并保持功率角為 90 度。這樣，永磁同步發(fā)動機(jī)就和直流電動機(jī)基本相同了，可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，即轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。 我們 做以下假設(shè) ，以便對發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模 ： 忽略鐵心磁飽和；忽略發(fā)電機(jī)的齒槽效應(yīng)；轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，不計(jì)渦流及磁滯損耗；定子各相繞組參數(shù)一樣，即各 相繞組的電樞電阻值、電感值等。 永磁同步發(fā)電機(jī)的三相定、轉(zhuǎn)子空間分布如圖 2． 9 所示，三相繞組在空間對稱分布，沿逆時針方向各繞組軸線互差 120 度電角度，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在上述規(guī)定下，定子繞組將產(chǎn)生三相正序電壓。 圖 永磁同步發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空間分布圖 永磁同步發(fā)電機(jī)定子電壓方程如下： ??????????