【正文】 .... 29 仿真總體模型 .............................................................................................. 29 仿真分析 ............................................................................................ 30 結(jié)束語 .......................................................................................................................... 33 參考文獻 ...................................................................................................................... 34 致謝 .............................................................................................................................. 36 附錄 .............................................................................................................................. 37 Ⅰ 風力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計 摘要 ： 風能作為一種可再生能源越來越受到人們廣泛的重視，其中變速恒頻風力發(fā)電是現(xiàn)代風力發(fā)電中的一個發(fā)展趨勢。為解決上述問題，本文對直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)從理論到仿真進行了較為全面的學習與分析，在詳細分析直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的特點和已有風力發(fā)電系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，確立波永磁同步發(fā)電機、ACDCAC 的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，提出了系統(tǒng)總體控制策略，該策略能夠很好的實現(xiàn)電壓幅值功率因數(shù)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)主電路主要是雙閉環(huán)（電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)）實現(xiàn)電能功率調(diào)節(jié)，為了提高系統(tǒng)控制性能，設(shè)計了系統(tǒng)過流過壓保護電路，經(jīng)仿真驗證，該系統(tǒng)能夠良好的運行，基本上實現(xiàn)可靠 性高，電壓調(diào)節(jié)范圍大，效率等目標。 ACDCAC converter。 Double closed loop regulation。然而，化石能源大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時也感覺環(huán)境惡化的威脅。風能作為一種取之不盡、用之不竭可再生能源，在地球上蘊藏量十分豐富，具有廣闊應(yīng)用前景。發(fā)展可再生能源是當今世界一個共同趨勢，歐盟各國開始立法提出了 2020 年和 2050 年不同階段可再生能源發(fā)展目標，同時跟進有澳大利亞、日本、加拿大等發(fā)達國家，甚至還有印度、巴西、泰國等發(fā)展中國家。 研發(fā)背景及意義 國際風力發(fā)電 及風力發(fā)電能能變換轉(zhuǎn)置 研究現(xiàn)狀 能源困局不是中國獨 特的問題，美國、日本、歐洲和印度都是如此。美國的氫技術(shù)、日本的陽光計劃、歐盟 2050 年，可再生能源 50%戰(zhàn)略目標，都是破解能源困局思路。歐盟風能協(xié)會和綠色和平組織《風力 12：關(guān)于 2020年風電達到世界電力總量 12%的藍圖》中的觀點，也許過于樂觀，但是它畢竟給人們提出了一種可能。 19 世紀末，丹麥首先開始，探索的風力發(fā)電， 研制出風力發(fā)電機組，直到 20 世紀70 年代的以前，只有的小型充電用風力機，達到的實用階段。 20 世紀 70 年代，到 80 年代中期，美國、英國和德國等國政府投入巨資開發(fā)單機容量 1000kW 以上的風力機組，承擔課題都是著名大企業(yè)，如美國波音公司研制了 2500kW和 3200kW 機組，風輪直徑約為 100m，塔高為 80m，安裝在夏威夷的瓦胡島；英國宇 2 航公司和德國 MAN 公司分別研制 3000kW 機組，所有這些巨型機組都未能正常 運行，因其發(fā)生故障之后維修非常困難，經(jīng)費也難以維持，沒有能夠發(fā)展為商業(yè)機組，未能形成一個適應(yīng)市場需求風電機組制造產(chǎn)業(yè) [3]。到 2021年底，風電發(fā)展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長態(tài)勢。歐洲繼續(xù)保持其領(lǐng)先地位，亞洲正成為全球風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新生力量，預(yù)計在不遠將來還有更大增長。 中國風電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國在 20 世紀 50 年代，就有過研制風力發(fā)電機組活動。 70 年代以后發(fā)展較快，在裝機容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上，都居于世界前列。為了扶持風電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國政府采取了一系列，國家行動，并制定出臺了一系列，經(jīng)濟鼓勵政策。風力發(fā)電技術(shù)，發(fā)展趨勢是： （ 1） 單機容量不斷增大，利用效率提高，世界上主流機型。 2021 年的 2~3MW， 2021 年底 5MW 的風機。 （ 2） 機組槳葉的增大，具有更好地捕捉，風能能 力，在風力機的尤其，是葉片設(shè)計和制造過程中，廣泛采用了，新技術(shù)和新材料。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在，建設(shè)大規(guī)模的海上風電場項目。 3 風力發(fā)電機組類型簡介 風能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、能量密度低、不穩(wěn)定性特征的能源。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術(shù)是， 20 世紀 80 年代興起一項新能源技術(shù)，一開始就受到世界各國的高度重視，因而迅速實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是隨著計算機、電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速 。 風力發(fā)電機組的控制技術(shù)從機組的定槳距恒速運行，發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運行，已經(jīng)基本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力，到理想地向電網(wǎng)提供電力最終目標。 普通三相同步發(fā)電系統(tǒng) 在早期的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，中采用了普通三相同步發(fā)電機，風力機與發(fā)電機之間通過齒輪箱連接，風力機采用定槳距控制技術(shù)，發(fā)電機通過斷路器直接與電網(wǎng) 連接，這就是所謂的“剛性連接”。然而，由于風速時大時小，隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到，同步發(fā)電機所要求的精度，因此把它用于到風力發(fā)電機組上使用效果并不太理想。 近年來隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了“剛性連接”的 問題，采用同步發(fā)電機方案，又引起了人們的重視。為了捕獲最大風能，風力機的功率控制。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) 。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。直流側(cè)電容器作用，是維持直流母線電壓恒定。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。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。 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。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。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]。 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。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。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。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。 （ 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。 （ 4） 第四章 分析了直驅(qū)式風力發(fā)電的控制策略。 （ 7） 結(jié)束語 闡述了本文的工作以及不足。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。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)。 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)。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)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。 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。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。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。 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。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)。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。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。梯形波三相感應(yīng)電動勢的理想波形如圖 21 所示。 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。 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，