【正文】 技術引進的首選機型。變速恒頻技術是近幾年發(fā)展成熟的技術，而且已經(jīng)在兆瓦級風電機組市場上占有較大的份額，目前以德國DEWIND 公司和 ENERCON 公司生產(chǎn)的變速機組為代表。該種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點是無需靈敏的調(diào)節(jié)速度，風能利用效率高，輸出功率易于控制 [15]。同時，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角以適應空氣密度的變化及減少因葉片表面污染造成的影響。主動失速型風力機葉片通過軸承固定在輪毅上，但葉片可圍繞其縱向軸線 旋轉以此調(diào)整節(jié)距角。從今后發(fā)展趨勢看，大型風電機組將會逐漸采用變槳距技術。變槳距機組的最大特點是通過葉片和輪毅之間的齒輪傳動機構或曲柄連桿機構來使葉片的攻角隨風速改變而改變，即使機組在不同風況下保持最佳攻角，從而 使機組在低風速下跟蹤最佳葉尖速比，在高風速下通過發(fā)電機功率反饋調(diào)節(jié)葉片迎風角，使輸出功率保持在額定功率附近 [15]。即使在近幾年商品化的兆瓦級風電機組中，失速型機組仍占有相當?shù)氖袌龇蓊~ [14]。失速型風電機組的最大優(yōu)點是控制系統(tǒng)結構簡單，制造成本低，可靠性高。定槳距機組提出了兩個必須解決的問題：一是當風速超過機組的額定風速時，葉片必須能夠自動將機輸出功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的機械強度和物理性能是有限度的；二是運行中的風電機組在突然切出電網(wǎng)的情況下，葉片本身必須具備制動能力，使風電機組在各種緊急情況下能夠安全停機，因為對于慣性很大的大型風電機組，如果僅僅依靠安裝在低速軸或高速軸上的機械剎車裝置來進行制動，就會對整機結構強度產(chǎn)生嚴重影響。 （ 1） 定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距機組的主要結構特點是葉片與輪毅的連接是剛性的，即當風速變化時，葉片的迎風角度不能隨之變化。 在過去的 20 多年當中風力發(fā)電機組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型從轉速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術最為先進的變速變槳距型發(fā)電效率在顯著提高特別是變速變槳距機組其發(fā)電機中采用的變速恒頻技術提高了風力發(fā)電機組在低風速情況下的出力水平我國關于風電機組的研究主要是針對中小型固定轉速的變槳距型 [1]而兆瓦級的大型變速變槳距型的風電機組的研究還僅處于起步階段 [13]。它也能阻止風力機轉軸轉速快速變化，這一點就像一個低通濾波器。 功率調(diào)節(jié) 在風力機中轉動的漿葉很大且很重對系統(tǒng)產(chǎn)生重要影 響的轉動慣量，尤其相對與發(fā)電機而言。該系統(tǒng)的優(yōu)點是控制線路簡單，發(fā)電輸出電壓波形好。所以現(xiàn)在的風力發(fā)電系統(tǒng)采用的較少 [ 10]。電機的兩種轉速決定于兩個繞組的極對數(shù)，比起單速機來，優(yōu)點是比單一轉速有較高的年發(fā)電量，缺點是它 屬于不連續(xù)變速恒頻系統(tǒng)，不能獲得變速運行所有的好處。在發(fā)電機轉速變化的情況下，可通過改變勵磁電流的頻率關，使發(fā)電機的輸出電 頻率保持不變 [89]。風 輪機 的轉速可隨風速而變化。其轉子為籠型或磁阻式結構，無需電刷和滑環(huán)，轉子的極對數(shù)應為定子兩個 繞組極對數(shù)之和 [10]。 （ 3） 無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 采用的發(fā)電機為無刷雙饋發(fā)電機。 采用永磁發(fā)電機可做到風力機與發(fā)電機的直接藕合，省去齒輪箱，即為直接驅動式結構，這樣可大大減小系統(tǒng)運行 噪聲，提高可靠性。 （ 2） 永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉子為永磁式結構，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。這種方案盡管實現(xiàn)了變速恒頻，具有了變速運行的優(yōu)點，但是由于變頻器在定子側，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)。 由于風速的不斷變化，帶動風輪機以及發(fā)機的轉速也隨之變化，所以發(fā)電機發(fā)出電的頻率也是變化的。為 充分利用風能，應深入研究各種變速恒頻技術?？捎糜陲L力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有多種，有的是發(fā)電機與電力電子裝置相結合實現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻的。所以 變速恒頻風力發(fā)電技術與恒速恒頻發(fā)電技術相比具有顯著的 優(yōu)越性，首先大大提高了風能轉換效率，顯著降低了由風施加到風力機上的機械應力；其次通過對發(fā)電機轉子交流勵磁電流幅值﹑頻率和相位可調(diào)的控制，實現(xiàn)了變速下的恒頻運行通過矢量變換控制還能實現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦控制 ， 提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性和動﹑靜態(tài)穩(wěn)定性 [6]。因此需要改變風力機對風能的利用率 （ 即風能利用系數(shù)偏離最佳值 ） 來使發(fā)電機轉速保持不變。 風力機發(fā)電一般可以分為兩種控制方式，一種是恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，另一種是變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速 (也即發(fā)電機的轉速 )不變 ，從而得到恒頻的電能。 風力發(fā)電的 研究現(xiàn)狀 風力發(fā)電的 不斷 發(fā)展過程中， 在 控制方式中出現(xiàn)了恒速恒頻與變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，在功率調(diào)節(jié)發(fā)展過程中，出現(xiàn)了定槳距和變槳距 等調(diào)節(jié)方式。國家提出建設和諧的社會，以及人們對環(huán)境的重視，使我國不斷尋求新能源，而風能作為潛力巨大的清潔能源也得到了國家的重視，近年來 ，我國出臺了相應的利用風能等的政策，并加大了開發(fā)風能的力度。東南沿海、內(nèi)蒙古北部、新疆 、 甘肅等地區(qū)均屬于風能資源地區(qū)，平均 速 風速為 6m/s，有效風能密度多 200W/m2，有很好的開發(fā)利用條件 [2]。由于風力發(fā)電與其他燃料能沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 2 源發(fā)電有著不可比擬的優(yōu)點在一些發(fā)達國家中的規(guī)劃到 20xx 年利用風力發(fā)電量將要占發(fā)電總量的 5～ 10%[3]。經(jīng)過十 多年的發(fā)展，風力發(fā)電技術逐漸趨于成熟，逐漸建立了評估風力資源的計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了失速控制風輪及葉片設計理論，提出和采用了新型葉片材料及翼形，研制成功變槳距控制風機，開發(fā)了微機控制的風力發(fā)電機單機和機群自動控制的技術等等，這大大提高了風力發(fā)電機的效率及可靠性。美國、丹麥、荷蘭和德國等國家對風力發(fā)電的研究和應用投入了相當大的人力和資金，是目前世界上風力發(fā)電方面處于領先地位的幾個國家。 （ 3） 風力是一種潔凈的自然能源，沒有煤電、油電與核電所伴生的環(huán)境污染問題。 風力發(fā)電 作為可再生能源相對傳統(tǒng)能源 的優(yōu)越性可歸納為三點 [3]： （ 1） 建造風力發(fā)電場的費用低廉，比水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠或核電站的建造費用低得多 。因此，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視 。 （保密論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月 二十 日 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 5 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................ 1 Abstract........................................................................................................................... 1 1 緒論 ............................................................................................................................. 1 課題背景 ............................................................................................................ 1 風力發(fā)電的研究現(xiàn)狀 ........................................................................................ 2 恒速恒頻恒與變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) .................................................... 2 功率調(diào)節(jié) .................................................................................................. 5 永磁直驅風力發(fā)電趨勢 ..................................................................................... 7 課題的來源和研究內(nèi)容 ..................................................................................... 8 2 中小功率永磁直驅風力發(fā)電控制系統(tǒng)的設計和仿 真 ................................................ 9 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的結構原理 ......................................................................... 9 風力機的功率特性 .......................................................................................... 10 永磁同步發(fā)電機的模型 ................................................................................... 11 控制策略 .......................................................................................................... 11 風力發(fā)電系統(tǒng)模型的建立 ............................................................................... 12 仿真結果 .......................................................................................................... 15 本章小結 .......................................................................................................... 18 3 逆變控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計 ................................................................................. 19 逆變控制系統(tǒng)的結構 ...................................................................................... 19 SA4828 簡介 .................................................................................................... 20 SA4828 的功能特點 .............................................................................. 20 SA4828 芯片的工作原理 ....................................................................... 21 SA4828 初始化寄存器的參數(shù)設定 ....................................................... 22 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 6 控制寄存器的參數(shù)設定 ......................................................................... 23 參數(shù)計算 ................................................................................................ 24 IPM 驅動電路的設計 ...................................................................................... 25 電壓采樣電路的設計 ...................................................................................... 26 A/D轉換 .......................................................................................................... 29 濾波器設計 ..................................................................................................... 30 本章小結 ........................................