【文章內(nèi)容簡介】 率控制。采用變槳距調(diào)節(jié)方式。發(fā)電機定子側(cè)通過功率變換器 與電網(wǎng)實現(xiàn)“柔性連接”，轉(zhuǎn)子側(cè)通過勵磁控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機，勵磁電流以控制 發(fā)電機定子側(cè)的輸出電壓幅值，構(gòu)成全功率變換器，變速恒頻同步風力發(fā)電系統(tǒng) 。 4 圖 11 三相同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋式發(fā)電機，是變速運行風電系統(tǒng)一種，其模型如圖 12 所示，包括風力機、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機、 PWM 變頻器和直流側(cè)電容器等。雙饋機的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個變頻器，連接到電網(wǎng)，機組可在較大速度范圍內(nèi)運行，與電網(wǎng)之間，實現(xiàn)能量雙向傳輸。當發(fā)電機運行在，超同步速度時，發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子同時，向電網(wǎng)輸送能量；而當運行在亞同步速度時，電網(wǎng)通過變頻器向轉(zhuǎn)子輸送功率。直流側(cè)電容器作用，是維持直流母線電壓恒定。與恒速風力機不同，其功率控制方式為變槳距控制，即槳葉節(jié)距角隨著， 風速改變而改變，從而使風力機在較大范圍內(nèi)，按最佳參數(shù)運行，以提高風能利用率。當風速增大到額定值以上時，葉片與輪轂間的軸承機構(gòu)轉(zhuǎn)動，使葉片槳距角增大，攻角減小，從而減小翼型的升力，達到控制風力機葉片扭矩和限制風機捕獲的功率。 圖 12 雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)，是目前世界各國風力發(fā)電研究熱點之一，我國已有部分地區(qū)風力發(fā)電場，開始使用這種發(fā)電系統(tǒng) [1]。相對于傳統(tǒng)恒速發(fā)電系統(tǒng) [7]，其性能優(yōu)勢體現(xiàn)在： 1 降低輸出功率的波動和機組的機械應(yīng)力； 2 不需要無功補償裝置； 3 可以追蹤最大風能，提高風能利用率； 4 控制轉(zhuǎn)子電流就可以在大范圍內(nèi)控制電機轉(zhuǎn)差率、有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 5 在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可提高電能質(zhì)量； 6 變 5 頻器容量僅占發(fā)電機額定容量的 25%左右，與其它全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。 因此，目前的大型風力發(fā)電機組一般是這種變槳距控制雙饋式風力機，但其主要缺點在于控制方式相對復雜，機組價格昂貴。 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng) 直驅(qū)式風力發(fā) 電系統(tǒng)的風力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，所以發(fā)電機的輸出端 電壓、頻率隨風速的變化而變化。要實現(xiàn)風力機組并網(wǎng)，需要保證機組電壓的幅 值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。在該風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風力機直接驅(qū)動低速，永磁同步交流電機產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動技術(shù)，在風力機與交流發(fā)電機之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成，噪聲污染，在低風速時具有更高效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠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)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 [6]。直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 13 所示。 圖 13 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng) 風電系統(tǒng)將發(fā)電機發(fā)出，全部交流電經(jīng)整流 /逆變裝置轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，因此需要采用大功率的電力電子器件。 IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管，及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點，復合型電力電子器件，既具有工作 速度快，驅(qū)動功率小，優(yōu)點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導通壓降低的優(yōu)點。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。該風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1 永磁同步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、可靠性高的特點。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機是低速電機，它能與風力機很好的匹配，風力機可以與永磁發(fā)電機直接耦合，省去了其它風力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機組結(jié)構(gòu)大大簡化，減少發(fā)電機的維護工作并且降低噪聲；2 該方案在一定程度上實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制，提高系統(tǒng)運行可靠性；可以獨立設(shè)計逆變器部分。其缺點就是需要兩個全功 率電力變換器，但比起升速系統(tǒng)所采用升速齒輪箱 6 結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)該還是以后風電領(lǐng)域的一個趨勢。如 Enercon 公司生產(chǎn)的 2MW系列型號 E82 采用變速變槳距無齒輪直接驅(qū)動技術(shù)。 本文主要內(nèi)容及其設(shè)計思路 在風力發(fā)電系統(tǒng)中，將風能轉(zhuǎn)換為電能，最重要部分便是風力發(fā)電機，它已經(jīng)成為風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。本課題便是在這樣一個背景下，為了更好地、更有效率地、更安全地利用風能，使之轉(zhuǎn)化為人類可以利用的電能，設(shè)計了一種基于矩陣變換器的電能變換器裝置。本文主要內(nèi)容有 （ 1） 第一章 緒論 概述了風力發(fā)電電能變換 裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、及其研究意義，系統(tǒng)主要分類，以及優(yōu)缺點。 （ 2） 第二章 闡述了永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)總體設(shè)計方案。 （ 3） 第三章 做出了直驅(qū)式系統(tǒng)變換裝置的主電路拓撲，分析起原理，器件選型和選型依據(jù)。 （ 4） 第四章 分析了直驅(qū)式風力發(fā)電的控制策略。 （ 5） 第五章 分析了直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案 （ 6） 第六章 作出了仿真驗證本文理論部分。 （ 7） 結(jié)束語 闡述了本文的工作以及不足。 7 第 2 章 永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)總體方案 引言 在風力發(fā)電系統(tǒng)中，將風能轉(zhuǎn)換為電能的最重要部分便是風力發(fā)電機，它已經(jīng)成 為風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。本課題便是在這樣一個背景下，為了更好地、更有效率地、更安全地利用風能，使之轉(zhuǎn)化為人類可以利用的電能，設(shè)計了一種區(qū)別于，傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)，新型直驅(qū)式風力發(fā)電控制系統(tǒng)。 風力發(fā)電技術(shù)涉及到空氣動力學、機械傳動、自動控制、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程 [2]。風力發(fā)電不同于一般的發(fā)電系統(tǒng)，風速變化的隨機性，和不確定性對風力機及發(fā)電機控制提出了更高的要求。本文是針對直驅(qū)式梯形波永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，最大能量捕獲裝置的研究。直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)由風力機，低速 永磁同步發(fā)電機直接耦合，其輸出電壓、頻率都隨風速的變化而變化，最大能量捕獲系統(tǒng)，是利用電能變化電路及相關(guān)控制技術(shù)，將風力發(fā)電機發(fā)出電能經(jīng)整流、直流升壓電路、逆變之后，然后并網(wǎng)。 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 如圖 21 所示 圖 21 總體結(jié)構(gòu)圖 采用永磁同步風力發(fā)電機，將發(fā)出的電壓與頻率隨風速變化，交流電通過三相二極管整流橋整流為直流，大電 感濾波后，獲得的直流電壓比較平穩(wěn)，經(jīng)過 DCDC 變換升壓電路，為逆變電路提供所需要幅值恒定，直流電壓，逆變電路逆變成與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能后并網(wǎng)。 該系統(tǒng)中采用全功率變頻器，變頻器的容量顯著增加，尤其是對大容量，風力發(fā)電系統(tǒng)。 8 因此，此種結(jié)構(gòu)，風力發(fā)電機組之所以引起廣泛的注意，主要是因為在整個系統(tǒng)中，可以省去風力機與發(fā)電機之間的傳動機構(gòu)。這樣就大大降低了系統(tǒng)的成本，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬性，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型 永磁同步電機概述 在傳統(tǒng)的風力 發(fā)電系統(tǒng)中，有過許多控制方案，其中包括異步電機發(fā)電（定槳距型感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型可變電阻感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)、變槳距型雙饋發(fā)電系統(tǒng)、 變槳距型無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)），同步電機發(fā)電（變槳距電勵磁同步發(fā)電系統(tǒng)、變 電系統(tǒng)中的應(yīng)用。直驅(qū)永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風速而改變，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)同頻率的交流電輸出。國際先進的無齒輪箱直驅(qū)風力發(fā)電機，用低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變 頻器將頻率變化的風電送入電網(wǎng)。 本文主要研究對象為永磁同步發(fā)電機，將發(fā)出的三相梯形波通過不可控整流 橋整流為一系列脈動較小的平頂波，通過大電感濾波之后，獲得比較平滑的直流 電壓，控制簡單，可靠性高，這也是本文所以采用此類電機的主要原因。在大力開展風能利用的今天，風力發(fā)電機組的發(fā)電量正在不斷增加，對風力發(fā)電機組可靠性和效率的要求也在不斷提高，齒輪箱的存在在一定程度上限制了風力發(fā)電機組的發(fā)展。用永磁同步電機發(fā)電是當今最普遍的一種發(fā)電方式之一，其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低的情況下，發(fā)電機仍然可以正常工 作。因此，風力機直接驅(qū)動永磁同步電機發(fā)電就是針對于風力機轉(zhuǎn)速較低的狀況而設(shè)計的方案，省去齒輪箱，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的可靠性。中間環(huán)節(jié)采用電力電子變頻裝置，解決了同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的剛性耦合的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性連接。同時，變頻器的使用，使得風力發(fā)電機組可以在較寬的風速范圍內(nèi)運行，提高系統(tǒng)的效率。 永磁同步電機原理 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機一般和風力機直接耦合，所以其輸出特性和風力機之間的配合問題極其重要。其基本要求是在風力機起動后，發(fā)電機應(yīng)當能夠快速跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)，即在低 風速范圍內(nèi)仍然能夠捕獲風能。這就要求發(fā)電機的在起動時，其起動阻轉(zhuǎn)矩要盡量小些，使得風力機盡早切入運轉(zhuǎn)。直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機三相輸出整流后要經(jīng)過大電感濾波，則電機三相電流被強制為梯形波電流。為了降低發(fā)電機的 9 電磁轉(zhuǎn)矩脈動，則要求發(fā)電機的感應(yīng)電動勢最好是梯形波。電力電子技術(shù)為新型控制方案平臺的建立奠定了基礎(chǔ)，在梯形波永磁同步電機中，電子功率管的任務(wù)是通過處理并控制電能的形態(tài)和電能的流動，向用戶提供適合其負載的最佳電壓和電流，滿足負載的需要，以達到節(jié)約能源或滿足工藝要求的目的。如果功率處理器的輸出可看作是電壓源 ，則輸出電流以及電流與電壓間的相角取決于負載的特性。由公式（ 21）可知，為了發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)，減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，則發(fā)電機的電動勢最好是梯形波。梯形波三相感應(yīng)電動勢的理想波形如圖 21 所示。每相之間互差 120 電角度 [16][18]。 電磁功率如式（ 21）所示 ccbbae ieieieP a ??? 21 電磁轉(zhuǎn)矩如式（ 22）所示 ree PT ?/? 22 圖 21 三相定子繞組感應(yīng)電動勢波形 永磁同步電機數(shù)學模型 永磁同步電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計，可獲得梯形波氣隙磁場，定子三相繞組采用整距集中繞組，由于其氣隙磁密按梯形波分布，因而感應(yīng)的電動勢也是梯形波。由參考文獻 [16][18]，其等效電路如圖 22 所示。 10 a b ci +i +i =0? ?? ?? ?2 3a n a a a a a a b b a c c a nb n b b b a a b b b b c b b nc n c c a c c c b b c c c c nde R i L i L i L i Udtde R i L i L i L i Udtde R i L i L i L i Udt? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?b c ac a b 2 4a b ci i ii i ii i im m mm m mm m mL L LL L LL L L?? ? ?? ? ?? ? ?25a b caa bb c c sab ac bc ba c a c bsmR R R RL L L LL L L L L L LL L L? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ??? 圖 22 永磁同步電機等效電路 圖 由于繞組電感的原因，所以在換流時電流不可能突變，故其實際的波形為近似的梯形波。永磁同步電機的電壓方程可用下式 23 表示 由于定子三項繞組對稱，有 ，則 則式（ 23）可以得出 假定 11 27r e L rdJ T T Bdt? ?? ? ? ?aabbcc0 0 i 0 0 i0 0 i 0 0 i 2 60 0 i