畢業(yè)設(shè)計(jì)--直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器的控制與應(yīng)用

1、<p>　　直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器的控制與應(yīng)用</p><p><b>　　學(xué) 生： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　專(zhuān) 業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 </

2、p><p>　　**大學(xué)電氣工程學(xué)院</p><p><b>　　二O一四年六月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在常規(guī)能源日益緊張，.環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，開(kāi)發(fā)和利用無(wú)污染且資源豐富的風(fēng)能具有十分重要的意義，為此，世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電技術(shù)得到了一前

3、所未有的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出多種風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型。其中，永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)以其無(wú)齒輪箱、維護(hù)成本低、噪音低等獨(dú)有優(yōu)勢(shì)正受到越來(lái)越多的關(guān)注，己經(jīng)成為變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能饋送至電網(wǎng)的唯一通路，它是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻的電能的裝置，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電流、功率因數(shù)等的快速調(diào)節(jié)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效

4、運(yùn)行很重要，掌握這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，具有十分重要的意義。</p><p>　　本文以永磁直驅(qū)風(fēng)電變流系統(tǒng)的運(yùn)行與控制為主題，對(duì)其控制策略進(jìn)行了綜述，以及研究電壓跌落條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率支持，并對(duì)其在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析和電路設(shè)計(jì)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p><b>　　目 錄</

5、b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1課題研究的目的及意義1</p><p>　　2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　3.風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)3</p><p>　　4.本文研究的主要內(nèi)容6</p&g

6、t;<p>　　第二章 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略7</p><p><b>　　1系統(tǒng)描述7</b></p><p>　　2.最大風(fēng)能捕捉8</p><p><b>　　3.控制原理9</b></p><p><b>　　4.控制策略11</b>&l

7、t;/p><p>　　第三章 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15</p><p>　　1.全功率變流器15</p><p>　　2.電壓跌落時(shí)特性研究18</p><p>　　3 控制電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　第四章 模擬試驗(yàn)與結(jié)論21</p><p>　　1恒壓恒頻輸出模擬試

8、驗(yàn)21</p><p><b>　　2結(jié)論22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1．課題研究的目的及意義</p><p>　　在環(huán)境污染與能源危機(jī)的大

9、背景下，風(fēng)能作為無(wú)污染的新能源，已經(jīng)成為世界研究的熱門(mén)話(huà)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(diǎn)。目前主流的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組多采用有刷雙饋交流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功解耦控制、最佳風(fēng)能捕獲控制以及變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。但由于系統(tǒng)中需采用齒輪箱連接風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，且有刷雙饋電機(jī)存在電刷和滑環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪箱隨著發(fā)電機(jī)組功率等級(jí)的升高，

10、成本變的很高，且易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護(hù)，可靠行差；當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率低；同時(shí)齒輪箱也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染的一個(gè)主要因素，所以降低了系統(tǒng)發(fā)電效率和運(yùn)行可靠性。</p><p>　　永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)(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(jī)采取特殊的設(shè)計(jì)方案，其較多的極對(duì)數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，發(fā)電

11、機(jī)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(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作，并且降低了噪音。另外直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要電勵(lì)磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展，在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，占成本比例相對(duì)較高的開(kāi)關(guān)器件（IGBT等）和永磁體，在其性能不斷提高的同時(shí)，成本也正在不斷下降，使得直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從眾多變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中脫穎而出

12、，具有很好的發(fā)展前景。</p><p>　　永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)更能適應(yīng)低風(fēng)速，對(duì)于我國(guó)具有更加重要的意義，我國(guó)低風(fēng)速的三類(lèi)風(fēng)區(qū)占到全部風(fēng)能資源的50%左右，更適合使用永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。目前，通用變頻器技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，為中小型直驅(qū)發(fā)電機(jī)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(jī)的研究和應(yīng)用，同時(shí)，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)，

13、使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到0～150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢(shì)，因此它具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，國(guó)外形容其為風(fēng)力發(fā)電的一場(chǎng)革命。</p><p>　　直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能饋送至電網(wǎng)的唯一通路，它是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻的電能的裝置，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電流、功率因數(shù)等的快速調(diào)節(jié)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污

14、染，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行很重要，掌握這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，具有十分重要的意義。</p><p>　　2.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　直驅(qū)永磁式電機(jī)起源于1995年，當(dāng)時(shí)美國(guó)紐約州的一家研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一種新型可變磁阻發(fā)電機(jī)，它用風(fēng)力發(fā)動(dòng)

15、機(jī)中的磁性裝置取代了機(jī)械齒輪箱。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，可變磁阻電機(jī)的極結(jié)構(gòu)能夠承受各個(gè)方向操作而不需要支付箱齒輪箱那樣的費(fèi)用。在2000年，加拿大M.eng. M.Dubois博士提出將風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱置于電機(jī)和轉(zhuǎn)子之間會(huì)對(duì)部分工作負(fù)載的效率產(chǎn)生負(fù)面影響，而且較易受損耗，若使用一個(gè)和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)就可以免去齒輪箱，并對(duì)直驅(qū)式低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一些問(wèn)題進(jìn)行了研究。但直到1997 年，市場(chǎng)上才開(kāi)始出現(xiàn)兼具無(wú)齒輪、變速變槳距

16、等特征的風(fēng)力機(jī)，容量約在330kW~2MW，并且多由德國(guó)于1992年開(kāi)始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它包括了永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)Wind former，容量為3MW、高約70m、風(fēng)扇直徑約90m。在2003年，Okinawa電力公司開(kāi)始運(yùn)行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW級(jí)風(fēng)機(jī)MWT-S2000型風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)機(jī)采用了小尺寸的變速無(wú)齒輪永磁同步電機(jī)和新型輕質(zhì)的葉片。由此可見(jiàn)，

17、直驅(qū)式無(wú)齒輪風(fēng)力</p><p>　　作為一個(gè)新興能源行業(yè)，風(fēng)電業(yè)在我國(guó)起步并不算晚，但由于諸多原因，國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展并不快。在1996年我國(guó)制訂“乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在鼓勵(lì)提高中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化率，2001年國(guó)家863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域后續(xù)能源技術(shù)主題“兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其關(guān)鍵部件研制”課題開(kāi)始實(shí)施。2007年11月，中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)可再生能源專(zhuān)委會(huì)、國(guó)際環(huán)保組織綠色和平和全球風(fēng)能理事會(huì)于上

18、海國(guó)際風(fēng)能大會(huì)上共同發(fā)布了《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2007》，報(bào)告指出，自1995年至2006年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的年平均增長(zhǎng)率為46.8%；截至2006年底，我國(guó)共建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)100多個(gè)，風(fēng)電裝機(jī)容量己達(dá)2.6GW，躍居世界第六位。</p><p>　　2005年4月24日，我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在烏魯木齊市達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)完成吊裝，投入運(yùn)行。這臺(tái)1.2MW直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是我國(guó)第一臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì)、制造并擁有自

19、主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)，它的運(yùn)行意味著我國(guó)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造能力已達(dá)到世界先進(jìn)水平。雖然成績(jī)顯著，但我們國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)市場(chǎng)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(guó)家都建有國(guó)家投資的研發(fā)服務(wù)機(jī)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)為市場(chǎng)中的企業(yè)發(fā)展提供技術(shù)和政策支持，如丹麥的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Risoe)、德國(guó)的風(fēng)能研究所(DWEI)等[2]。</p><p>　　新疆金風(fēng)公司與國(guó)外合作已成功研制1.2 MW～1.5 MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)

20、行；丹麥BOUNS公司(現(xiàn)已被西門(mén)子收購(gòu))選擇了無(wú)刷感應(yīng)發(fā)電機(jī)配備全功率變流器；GE風(fēng)能公司也在其最新的2.X系列(2.3 MW，2.5 MW，2.7 MW)中把雙饋發(fā)電機(jī)換成了帶全功率變流的同步發(fā)電機(jī)，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。</p><p>　　我國(guó)企業(yè)擁有直驅(qū)風(fēng)機(jī)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，結(jié)合《關(guān)于風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》中風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化率要求及國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至低風(fēng)速區(qū)域的

21、要求，我國(guó)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)占全國(guó)新增風(fēng)機(jī)的比例不斷提高。預(yù)計(jì)至2014年，我國(guó)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)產(chǎn)量將達(dá)到4000臺(tái)，占2014年新增風(fēng)機(jī)總量53%，其中1.5兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)和2.5兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)各占50%。</p><p>　　3.風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)</p><p>　　當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，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。恒速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，保持風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)

22、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(guò)程中，讓風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速按照一定的關(guān)系隨風(fēng)速而變化，并通過(guò)其他控制方式得到恒頻的電能。</p><p>　?。?）恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　此系統(tǒng)中，多采用龍型異步電動(dòng)機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速的增加而增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)距也增大，運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生了變化。若轉(zhuǎn)

23、子速度超過(guò)同步轉(zhuǎn)速3%-5%時(shí)，發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)距減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車(chē)，后果嚴(yán)重。</p><p>　　另外，對(duì)恒速風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過(guò)風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸，齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這件部件上產(chǎn)生很大機(jī)械應(yīng)力，如果上述過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)會(huì)引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機(jī)組重量加大，制造成本增加，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速運(yùn)行時(shí)，由風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的巨大

24、風(fēng)能，一部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪所吸收以功能的形式儲(chǔ)存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大扭矩和應(yīng)力，當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)、風(fēng)輪的加速、減速對(duì)風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。</p><p>　　異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又

25、必須從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù)，取決于轉(zhuǎn)差率及電機(jī)的參數(shù)，而轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機(jī)的負(fù)荷大小有關(guān)，電機(jī)的參數(shù)無(wú)法改變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用機(jī)端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù)。運(yùn)行中當(dāng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開(kāi)時(shí)，電容器的過(guò)勵(lì)和異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵(lì)現(xiàn)象。自勵(lì)產(chǎn)生的過(guò)電壓可能危及發(fā)電機(jī)和電容器的絕緣，必須予以重視。一方面應(yīng)從最不利的過(guò)速情況來(lái)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。這種

26、運(yùn)行方式除了有風(fēng)能利用系數(shù)低的弊端，主要弊端還是當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過(guò)風(fēng)輪葉片傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，上述過(guò)程的重復(fù)出現(xiàn)將引起這些部件的疲勞損壞。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機(jī)組重量增大，制造成本增加。</p><p>　?。?）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：<

27、;/p><p><b>　　A風(fēng)能利用系數(shù)高</b></p><p>　　利用變速恒頻發(fā)電方式，風(fēng)力機(jī)就可以改變恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行。這樣就可能使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，使其保持在一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運(yùn)行獲得更多的能量。</p><p>　　B避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)

28、大的扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力，減少部件磨損</p><p>　　這種變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速區(qū)，大大拓寬了風(fēng)力發(fā)電的地域范圍。即使風(fēng)速躍升時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)能也被風(fēng)力機(jī)吸收，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免了主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭轉(zhuǎn)及應(yīng)力。在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，送入電網(wǎng)，從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。</p><p>　　

29、C低風(fēng)速下以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，降低噪音</p><p>　　恒速運(yùn)行時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能太高，因?yàn)樵诘惋L(fēng)速時(shí)，環(huán)境噪音不大，掩蓋不了葉片的氣動(dòng)噪聲，所以恒速風(fēng)力機(jī)的葉尖速度一般局限在60m/s左右，相應(yīng)的葉尖速比在7.5左右。由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速越低，葉片尺寸就必須越大；而變速機(jī)組由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成比例變化，所以較少受低風(fēng)速時(shí)噪音的限制，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用更大的葉尖速比。同樣由于空氣動(dòng)力學(xué)原理，較大的葉尖速比，

30、可將葉片做的更薄，從而降低制造成本。變速機(jī)組即使設(shè)計(jì)葉尖速比大于恒速機(jī)組，低風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速仍會(huì)大大低于恒速機(jī)組，因而噪聲低，更具有競(jìng)爭(zhēng)性。</p><p>　　D改善系統(tǒng)的功率因數(shù)</p><p>　　目前的恒速機(jī)組，大部分使用異步發(fā)電機(jī)，它在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還需要消耗無(wú)功功率（通常是安裝電容器，以補(bǔ)償大部分消耗的無(wú)功）。而現(xiàn)代變速風(fēng)電機(jī)組卻能夠十分準(zhǔn)確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無(wú)功

31、，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。</p><p>　　由于以上原因，變速風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越受到風(fēng)電界的重視，特別是在進(jìn)一步發(fā)展的大型機(jī)組中將更為引人注目。當(dāng)然，決定變速機(jī)組工作性能的一個(gè)關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置和控制策略的設(shè)計(jì)。</p><p>　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱（可選）、發(fā)電機(jī)、變頻器和控制器組成，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的基本方式有兩種，一種是采用交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

32、，另一種是采用電勵(lì)磁或永磁式同步電機(jī)。</p><p>　　4. 常用風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)從風(fēng)機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并概述了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　A 普通三相同步發(fā)電系統(tǒng)&l

33、t;/p><p>　　早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是采用普通三相同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過(guò)齒輪箱連接，風(fēng)力機(jī)采用定槳距控制技術(shù)，發(fā)電機(jī)通過(guò)斷路器直接與電網(wǎng)連接，這就是所謂的剛性連接。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無(wú)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。然而，由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度，因此把它用于到

34、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用效果并不太理想。該系統(tǒng)需要調(diào)速機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的頻率、電壓和功率進(jìn)行有效的控制，否則可能會(huì)造成無(wú)功振蕩與失步，重載下尤為嚴(yán)重。普通三相同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示: </p><p>　　圖1-1 三相同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　B 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是變速運(yùn)行風(fēng)電系

35、統(tǒng)的一種，由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等構(gòu)成。雙饋電機(jī)的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過(guò)兩個(gè)變頻器連接到電網(wǎng)，使得機(jī)組可在較大速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超同步速度時(shí)，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)輸送能量;而當(dāng)運(yùn)行在亞同步速度時(shí)，電網(wǎng)通過(guò)變頻器向轉(zhuǎn)子輸送功率。直流側(cè)電容器的作用是維持直流母線電壓恒定。與恒速風(fēng)力機(jī)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

36、使風(fēng)力機(jī)在較大范圍內(nèi)按最佳參數(shù)運(yùn)行，以提高風(fēng)能利用率。</p><p>　　相比于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)，雙饋電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于:降低輸出功率的波動(dòng)和機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力;不需要無(wú)功補(bǔ)償裝置;可以追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率;控制轉(zhuǎn)子電流;就可以在大范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)差率、有功功率和無(wú)功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可提高電能質(zhì)量;變頻器容量?jī)H占發(fā)電機(jī)額定容量的25%左右，與其它</p><p

37、>　　全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。而其缺點(diǎn)在于控制方式相對(duì)復(fù)雜，并且價(jià)格較昂貴，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-2：</p><p>　　圖1-2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　C 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：</p><p>　　在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，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

38、保證機(jī)組電壓的值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。</p><p>　　直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速永磁同步交流電機(jī)產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)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的噪聲污染，在低風(fēng)速時(shí)具有更高的效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠(yuǎn)多于普通交流同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，因此這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長(zhǎng)度則相對(duì)

39、很短，呈圓盤(pán)形狀，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量，采用永磁電機(jī)是具有較大的優(yōu)勢(shì)仁’3一‘4」。風(fēng)電系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部交流電經(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。工GBT(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(chǎng)效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。系統(tǒng)

40、結(jié)構(gòu)如圖1-3：</p><p>　　圖1-3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.風(fēng)力發(fā)電變流器技術(shù)現(xiàn)狀</p><p>　　就目前情況來(lái)看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍是主流，然而直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其固有的優(yōu)勢(shì)也開(kāi)始逐漸受到關(guān)注。變流器是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器在風(fēng)電整機(jī)成本

41、中占15%、200k的比例，是運(yùn)用現(xiàn)代高科技技術(shù)，集成現(xiàn)代控制理論，微電子技術(shù)及現(xiàn)代電力電子變換技術(shù)等交叉學(xué)科的高新技術(shù)產(chǎn)品，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并入電網(wǎng)的通道，既能對(duì)電網(wǎng)輸送風(fēng)力發(fā)電的有功分量，又能連結(jié)、調(diào)節(jié)電網(wǎng)端無(wú)功分量，起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?lt;/p><p>　　由于風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)起步比較晚，現(xiàn)今我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的風(fēng)電變流器市場(chǎng)主要被維斯塔斯、西門(mén)子、ABB等知名國(guó)外品牌占領(lǐng)，但是國(guó)家近幾年出臺(tái)了很多政策和舉措

42、支持民族品牌的發(fā)展，為國(guó)內(nèi)變流器企業(yè)提供了大力的政治和經(jīng)濟(jì)支持。發(fā)改委在文件中明確提出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率必須達(dá)到700/0以上?！笆晃濉逼陂g，國(guó)家又發(fā)布了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電方面的一大批科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，在風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面投入了大量資金。目前，風(fēng)力發(fā)電變流器在中國(guó)市場(chǎng)呈現(xiàn)出國(guó)外廠家與國(guó)內(nèi)廠家并存、國(guó)內(nèi)廠家?jiàn)^力追趕的局面。</p><p>　　近幾年，中國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)家對(duì)于國(guó)外的變流

43、器技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和</p><p>　　研究，而且變流器的核心—電力電子器件技術(shù)發(fā)展很迅速，加之目前國(guó)家大力提倡清</p><p>　　潔能源開(kāi)發(fā)和需求掛鉤，使得風(fēng)電前景一片看好。這樣變流器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般成</p><p>　　立起來(lái)，使得變流器的徹底國(guó)產(chǎn)化呼之欲出。這些政策和舉措帶動(dòng)了近兩三年國(guó)內(nèi)的變</p><p>　　流

44、器企業(yè)發(fā)展，哈爾濱九洲電氣股份有限公司、合肥陽(yáng)光電源有限公司、北京清能華福</p><p>　　風(fēng)電技術(shù)有限公司、南車(chē)株洲等企業(yè)目前都在積極地進(jìn)行變流器產(chǎn)品的研發(fā)工作。2007</p><p>　　年10月20日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)1.SMW風(fēng)力發(fā)電全功率變流器在九洲電氣試制完成，拉開(kāi)了我</p><p>　　國(guó)在兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的序幕，打破了一向由國(guó)外企

45、業(yè)在該領(lǐng)域</p><p>　　內(nèi)壟斷格局。相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，會(huì)有大批的自主品牌的風(fēng)電變流器和更多的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化</p><p>　　產(chǎn)品成功應(yīng)用在風(fēng)電領(lǐng)域。</p><p>　　6. 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　通過(guò)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(duì)應(yīng)的控制方式、實(shí)現(xiàn)的功能、適用的場(chǎng)合以及對(duì)電網(wǎng)故障的應(yīng)對(duì)

46、措施等</p><p>　　第二章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究</p><p>　　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(shí)滿(mǎn)足電力系統(tǒng)有功和無(wú)功功率的需求，通過(guò)電流解禍控制，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的單獨(dú)控制。</p><p>　　1.變流器控制方法概述</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電

47、系統(tǒng)中大功率變流器系統(tǒng)一般采用三相逆變器，而在中小功率系統(tǒng)中，可以應(yīng)用單相逆變器。變流器中大都使用IGBT開(kāi)關(guān)器件，為電壓、電流控制帶來(lái)了方便。通過(guò)變流器自身多次有規(guī)律的開(kāi)關(guān)可以控制電壓和電流波形，這就是控制技術(shù)。變流器的本質(zhì)就是利用開(kāi)關(guān)把電壓或電流在時(shí)間上離散化并按一定規(guī)律組合成一個(gè)新的電壓或電流。</p><p>　　變流器接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間，變流器在穩(wěn)定中間直流電壓的同時(shí)，將單位功率因數(shù)的正弦電流送入電網(wǎng)

48、。變流器的電流控制技術(shù)是一種新穎的控制技術(shù)，由美國(guó)B.K.BOSS教授提出。近十年來(lái)這一技術(shù)在再生能源系統(tǒng)中得到重視，獲得了很大的發(fā)展和應(yīng)用。PWM變流器電流控制策略分為兩類(lèi)：一類(lèi)是間接電流控制，另一類(lèi)是直接電流控制。間接電流控制的是通過(guò)控制變流橋臂中點(diǎn)基波電壓的幅值和相位，進(jìn)而間接控制網(wǎng)側(cè)電流。間接電流控制沒(méi)有電流傳感器，網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，因此這種控制策略已經(jīng)逐步被直接電流控制取代。直接電流控制引入電流閉環(huán)控制，以其快速的電流響應(yīng)

49、和魯棒性受到重視，控制方法主要包括電流跟蹤控制、同步PI電流控制。</p><p><b>　　2.間接電流控制</b></p><p>　　間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1，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)?？刂圃頌橹绷麟妷航o定信號(hào)和實(shí)際檢測(cè)得到的直流電壓比較后送入直流電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)功率平衡原則，調(diào)節(jié)器輸出與三相電網(wǎng)側(cè)流入或流出的電流大小有關(guān)。

50、風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流增大時(shí)，給直流側(cè)電容C充電而使上升，PI的輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差，使其輸出增大，進(jìn)而使交流輸出電流給定值增大，從而加快直流側(cè)電容C的放電速度，這樣逐漸使恢復(fù)到設(shè)定值。當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而電流信號(hào)的幅值的給定值則穩(wěn)定在新的值上。與之相反，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反。</p><p>　　圖2-1 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p>&l

51、t;p>　　電流信號(hào)的幅值與檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓相角的正弦值相乘，得到與電源同相位的三相電流信號(hào)。圖中上面的乘法器是分別乘以和電網(wǎng)三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，再乘以電阻R，得到各相電流在R上的壓降；圖中下面的乘法器是分別乘以比三相電網(wǎng)相電壓的相位超前π/2的余弦信號(hào)，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感L上的壓降；各相電源相電壓分別減去前面求得的輸入電流在電阻R和電感L上的壓降，就可得到交流輸入端各相所需要的相電壓的控制調(diào)制信號(hào)，用

52、該信號(hào)對(duì)三角波載波進(jìn)行調(diào)制，得到PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制各開(kāi)關(guān)功率器件，得到橋臂中點(diǎn)電壓，從而控制流過(guò)電感L的電流大小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的控制效果。</p><p>　　間接電流控制不需要電流傳感器，存在缺陷。其一是變流器橋臂中點(diǎn)電壓依據(jù)變流器低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算得到，運(yùn)算過(guò)程中用到電路參數(shù)L和R，當(dāng)L和R的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，會(huì)影響到控制效果，難以保證系統(tǒng)動(dòng)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

53、條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，而實(shí)際上電網(wǎng)電壓由于負(fù)載擾動(dòng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生畸變，這必定影響控制效果；其三是沒(méi)有電流反饋，系統(tǒng)沒(méi)有自身限流功能。因此，間接電流控制的系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)性能要求比較高的系統(tǒng)中應(yīng)用較少。</p><p><b>　　3.直接電流控制</b></p><p>　　網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)是：(1)保持直流側(cè)電壓恒定且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；(2)控制橋路使交流側(cè)電流為

54、正弦，功率因數(shù)為1。交流側(cè)電流的控制是網(wǎng)側(cè)變換器控制的關(guān)鍵。從本質(zhì)上講，網(wǎng)側(cè)變流器是一個(gè)交、直流電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的能量變換裝置。由于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓基本恒定，對(duì)變流器橋臂中點(diǎn)電壓進(jìn)行控制就能有效地控制網(wǎng)側(cè)電流的方向和大小。直接電流控制分為瞬時(shí)電流控制和同步電流控制，也稱(chēng)為直接電流控制。</p><p>　　3.1.瞬時(shí)滯環(huán)電流跟蹤控制技術(shù)</p><p>　　瞬時(shí)電流控制是將交流側(cè)電流檢測(cè)回來(lái)，

55、組成電流閉環(huán)電路。瞬時(shí)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(guò)電流保護(hù)。瞬時(shí)電流控制常用滯環(huán)電流跟蹤控制技術(shù)，一般應(yīng)用對(duì)小功率變流器的控制。滯環(huán)電流跟蹤控制是一種以給定電流作為指令信號(hào)，把實(shí)際電流作為反饋信號(hào)，通過(guò)滯環(huán)比較器將兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出電流跟蹤指令信號(hào)變化，也被稱(chēng)為電流跟蹤SPWM控制法。</p><p>　　這種控制方法

56、簡(jiǎn)單，但存在一些問(wèn)題，由于控制系統(tǒng)頻帶寬度有限，實(shí)際控制電流會(huì)存在相位滯后和幅值誤差，要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變就會(huì)得有一定困難。另外對(duì)電流控制環(huán)所需產(chǎn)生的正弦指令電壓給定信號(hào)的要求也很高。</p><p>　　滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)指令電流和實(shí)際并網(wǎng)電流ik(k=a,b,c)的差值超過(guò)環(huán)寬時(shí)，就產(chǎn)生PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的通斷，從而使并網(wǎng)電流i跟隨給定電流的變化而變化。越小，則輸出電流誤差越小

57、，但是開(kāi)關(guān)頻率也越高。這樣，實(shí)際電流圍繞給定電流波形做鋸齒狀變化，并將偏差控制在一定范圍。</p><p>　　這種控制方案的特點(diǎn)：</p><p>　　a.實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，控制準(zhǔn)確，控制方法簡(jiǎn)單。不存在載波，輸出電壓中不含定頻率的諧波分量；</p><p>　　b.滯環(huán)電路控制方式的開(kāi)關(guān)頻率不固定，其平均開(kāi)關(guān)頻率隨直流負(fù)載電流的變化而變化，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不穩(wěn)

58、定性和任意性，同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)器件造成的沖擊較大；</p><p>　　c.開(kāi)關(guān)頻率變化范圍較大，增加了濾波器設(shè)計(jì)的難度，給驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和主電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，它以犧牲系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率特性來(lái)達(dá)到好的電流控制。</p><p>　　d.滯環(huán)電路控制的滯環(huán)寬度選擇比較困難，需要同時(shí)兼顧電流跟蹤的速度和給定電流大小，否則滯環(huán)將失去調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　3.2. 同步旋轉(zhuǎn)坐

59、標(biāo)系下PI調(diào)節(jié)電流控制</p><p>　　近年來(lái)以空間電壓矢量SVPWM調(diào)制為基礎(chǔ)的同步PI電流控制理論被用于并網(wǎng)變流器研究。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(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制特性。</p><p>　　這種控制方法在遵循變換前后功率不變?cè)瓌t條件下，將abc坐標(biāo)系下的三相系統(tǒng)通過(guò)3s/2s變換轉(zhuǎn)化到兩相α，β靜止

60、坐標(biāo)系中，可得α，β坐標(biāo)系下變流器的數(shù)學(xué)模型。然后以電網(wǎng)頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到與電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq數(shù)學(xué)模型。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，原來(lái)三相坐標(biāo)系中的交流量都變成了直流量。</p><p>　　下面將討論在dq模型下有兩個(gè)直流量是如何控制交流量的幅值和相角的。首先，d軸定義為有功功率分量，q軸定義為無(wú)功功率分量?？刂芼軸分量即可控制有功功率，控制q軸分量即可控制無(wú)功功率。其次，電壓或電流合成矢量是d和q

61、軸矢量決定的，變化dq矢量中的一個(gè)不僅改變矢量幅度，而且還改變d和q軸之間的夾角。因?yàn)榻嵌仁穷l率的導(dǎo)數(shù)，所以角度的變化將導(dǎo)致頻率變化。為使變流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，應(yīng)設(shè)定=0，以使網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率為零。</p><p>　　在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，三相靜止坐標(biāo)系下的交流量都變成了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量，這樣就可利用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)建電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)電流反饋和電網(wǎng)電壓前饋，使輸入電流解耦，提高了動(dòng)態(tài)性能，同

62、時(shí)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的敏感性降低，穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。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(duì)這兩種情況進(jìn)行討論。</p><p>　　3.2.1基于單電感L的同步PI電流控制</p><p>　　變流器橋路相當(dāng)于一組開(kāi)關(guān)，無(wú)法將直流電源和交流電網(wǎng)兩種性質(zhì)不同電源隔離，需要加入電感濾波器進(jìn)行隔離；在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下濾波器通過(guò)充放電，濾除功率器件開(kāi)關(guān)帶來(lái)的諧

63、波，從而將離散的脈沖能量變?yōu)檫B續(xù)的正弦電能送人電網(wǎng)。另外，濾波器的特性決定整個(gè)控制系統(tǒng)的控制性能，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3-1。事實(shí)上，電壓型PWM變流器整體設(shè)計(jì)包括濾波性能和控制的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題，這依賴(lài)于變流器橋路兩側(cè)直流側(cè)和交流側(cè)兩個(gè)濾波器相配合，才能達(dá)到滿(mǎn)意效果。</p><p>　　圖3-1 單電感L電壓型PWM變流器拓?fù)鋱D</p><p>　　一般三相靜止對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)系(a，b，c)中的PW

64、M變流器數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰、直觀等特點(diǎn)，但在這種數(shù)學(xué)模型中變量均為時(shí)變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為此，通過(guò)坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱(chēng)靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系。這樣，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相對(duì)稱(chēng)靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　基于單電感L的同步PI控制算法推導(dǎo)如下：</p><p&g

65、t;　　根據(jù)第二章的變流器兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下低頻數(shù)學(xué)模型知，dq軸電流除受到控制量的影響外，還受到交叉耦合項(xiàng)和電網(wǎng)電壓影響。為消除dq軸之間的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸的獨(dú)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(dòng)的解耦控制方法。</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p><b>　　令：</b></p>&

66、lt;p><b>　?。?.2） </b></p><p>　　其中為調(diào)節(jié)項(xiàng)，，為解耦項(xiàng)，為電壓前饋，將調(diào)節(jié)項(xiàng)用dq軸電流PI調(diào)節(jié)器輸出代替，則：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　將式（3.3）（3.2）代入（3.1）可得完全解耦方程</p><p><

67、;b>　　（3.4）</b></p><p>　　由（式3.4）可以看出dq軸的完全解耦，并可根據(jù)此式（3.2）、式（3.3）得到同步PI電流控制框圖，如圖3-2。由圖可知，控制d軸電流就可控制有功功率，控制q軸電流就可控制無(wú)功功率。為使變流器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，即網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率為零，將q軸指令電流=0。由于在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，原來(lái)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

68、，可消除電流環(huán)靜態(tài)誤差。另外，電壓前饋可以在一定范圍內(nèi)消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變流器工作特性的影響。 </p><p>　　圖3-2 同步PI電流控制結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2基于LCL濾波網(wǎng)絡(luò)的同步PI電流控制</p><p>　　變流裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能以及送入電網(wǎng)的電力質(zhì)量有很大影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)需要滿(mǎn)足產(chǎn)生的電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和

69、相位分別相等，且輸入電網(wǎng)電流諧波應(yīng)滿(mǎn)足一定要求。滿(mǎn)足以上條件還可以減小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)自身的沖擊，同時(shí)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3-3：</p><p>　　圖3-3 基于LCL濾波器的電壓型PWM變流器主電路</p><p>　　現(xiàn)在大容量風(fēng)力發(fā)電變流器開(kāi)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

70、衰減特性，能更好抑止電流諧波，同時(shí)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。但LCL濾波器是一個(gè)三階系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)復(fù)雜于一階單電感L濾波器構(gòu)建的變流器。因此，有必要對(duì)LCL濾波器組成的并網(wǎng)變流器數(shù)學(xué)模型及控制策略進(jìn)行研究。</p><p>　　基于LCL濾波的電壓型變流器需要設(shè)計(jì)成穩(wěn)定的和高效的系統(tǒng)。此文，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LCL濾波器簡(jiǎn)化模型，并采用同步PI電流控制環(huán)構(gòu)成

71、的變流器。在不降低系統(tǒng)性能同時(shí)，不增加阻尼電阻、傳感器和控制方法復(fù)雜程度的情況下，通過(guò)選擇傳感器在LCL濾波電路中安裝位置并合理配置電容和電感值使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定，通常電流傳感器設(shè)置在電網(wǎng)側(cè)比放置在變流器側(cè)更容易實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變并使系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交流側(cè)濾波器主要作用，確定LCL濾波器元件設(shè)計(jì)規(guī)則，用于選擇合適的濾波電路器件，三相并網(wǎng)逆變器由三相IGBT組成的橋路經(jīng)過(guò)并網(wǎng)LCL濾波

72、電路后并到電網(wǎng)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)LCL濾波網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)先確定變流器的PWM調(diào)制方法，然后考慮電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的檢測(cè)位置對(duì)器件參數(shù)選取的影響。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(shí)，要滿(mǎn)足濾波要求，還需考慮電感和電容吸收的無(wú)功功率大小，并使變流器輸出電壓對(duì)網(wǎng)側(cè)基波電流的控制能力盡可能的大。</p><p>　　3.2.3基于LCL濾波的同步PI電流環(huán)控制系統(tǒng)<

73、/p><p>　　LCL濾波網(wǎng)絡(luò)由于增加了濾波器件，系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A；而濾波電容的分流作用，使網(wǎng)側(cè)電壓電流傳感器的放置共有四種方式，這使變流器電流控制形成多種方式。但就并網(wǎng)逆變而言，在電網(wǎng)電壓平衡情況下，有兩種可用電流控制方式。一種方式是控制LCL的網(wǎng)側(cè)電感電流，另一種是控制LCL輸出側(cè)電感電流，而選用第二種方式構(gòu)建控制系統(tǒng)會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，并可提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。此控制系統(tǒng)包括直流電壓控制和dq軸電流控制，

74、這種結(jié)構(gòu)與單電感系統(tǒng)相似，易于實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。</p><p>　　(1)LCL的濾波網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　a.三相靜止坐標(biāo)系下，基于LCL濾波網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型描述如下：</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b><

75、/p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其u為變流器橋臂中點(diǎn)輸出電壓，v為電容端電壓；e為電網(wǎng)相電壓；i為電流；L為電感量；R為電感的電阻值；c為濾波電容量。</p><p>　　b.兩相靜止坐標(biāo)系下，LCL濾波網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在三相三線PWM變流器中，三相交流輸出電流之和為零，且

76、三相電路有兩相相互獨(dú)立。這樣將式（3.5），（3.6），（3.7）經(jīng)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下方程為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　c.

77、兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下LCL濾波網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　三相平衡的三相電系統(tǒng)，以角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，其中f是電網(wǎng)的基波頻率，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換可使交流量轉(zhuǎn)換為直流量。與靜止3/2變換的時(shí)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(shí)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(shí)間有關(guān)的新增項(xiàng)。這些新增項(xiàng)引起了變量間的耦合。三相三線單電感濾波的PWM變流器的電流環(huán)只有一對(duì)耦合項(xiàng)。如果使用LCL濾波器，

78、耦合的變量則大大增加，為更好實(shí)現(xiàn)電流控制，可以通過(guò)增加解耦項(xiàng)進(jìn)行解耦。解耦后相互影響的變量相互獨(dú)立的，可以進(jìn)行獨(dú)立控制。對(duì)式（3.8)、(3.9)、(3.10)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b&

79、gt;　?。?.13）</b></p><p>　　由經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到式（3.11)、(3.12)、(3.13)可以看出有三組耦合項(xiàng)。將以上六個(gè)方程組中的四個(gè)變量消去，得到如下LCL完整數(shù)學(xué)模型：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　其中，，此模型前兩項(xiàng)為旋轉(zhuǎn)變換之前所固有，后五項(xiàng)為基于電網(wǎng)角頻率旋轉(zhuǎn)

80、變換產(chǎn)生的耦合項(xiàng)。</p><p>　　(2)電流環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下濾波電路模型構(gòu)建電流控制系統(tǒng)。首先忽略電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，原來(lái)與時(shí)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(shí)也變?yōu)槌?shù)。根據(jù)模型式（3.14）并采用PI調(diào)節(jié)與前饋解耦方法構(gòu)建同步PI電流閉環(huán)控制的LCL變流器同步PI電流控制系統(tǒng)，如圖3-4。</p>

81、<p>　　圖3-4 基于LCL濾波器完整模型的解耦電流環(huán)模型</p><p>　　基于LCL濾波的單位功率因數(shù)變流器電流環(huán)的兩種構(gòu)成方式中，如果將變流器輸出電流作為反饋所構(gòu)成的電流控制系統(tǒng)，那么為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變，在設(shè)計(jì)電流控制環(huán)時(shí)，需要增加算法以補(bǔ)償因?yàn)V波電容C和電感引起的并網(wǎng)電流幅值和相位變化。而以另一種方式，即檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電感的電流構(gòu)成電流環(huán)時(shí)，則無(wú)須增加控制算法的復(fù)雜程度。</p&g

82、t;<p>　　將電流控制環(huán)的dq兩個(gè)通道解耦后，兩解耦通道變成兩個(gè)相互獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)直流電流環(huán)節(jié)。這樣就可利用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　(3)LCL濾波器模型簡(jiǎn)化</p><p>　　由圖3-4可以看到基于完整LCL濾波器數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的變流器電流環(huán)十分復(fù)雜，從工程角度可以對(duì)濾波器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。依據(jù)LCL濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則選取的電感和電容量

83、可知?jiǎng)t所有與電容C有關(guān)的項(xiàng)均可忽略，可將式（3.14)簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　這樣與電容有關(guān)的耦合項(xiàng)可以全部忽略，此時(shí)簡(jiǎn)化模型與單電感模型一致，只是電感量等于。</p><p>　　(4)基于LCL濾波器簡(jiǎn)化模型的電流控制</p><p>　　系統(tǒng)簡(jiǎn)化的LCL濾波并

84、網(wǎng)PWM變流器電流控制系統(tǒng)可以利用圖3-2結(jié)構(gòu)，只是前饋解耦電感量設(shè)定為得到圖3-5。</p><p>　　電流反饋控制是基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI同步解耦控制。由于通過(guò)坐標(biāo)變換已將交流正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，這樣一個(gè)交流系統(tǒng)就變成了直流系統(tǒng)?？梢杂玫淇刂评碚撝蠵I調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特性由閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)決定，而只要使設(shè)計(jì)的電流環(huán)開(kāi)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。</p&

85、gt;<p>　　圖3-5 基于LCL濾波器簡(jiǎn)化模型的變流器拓?fù)鋱D</p><p>　　第三章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器控制策略研究</p><p>　　變流器的控制主要機(jī)側(cè)變流器的控制和網(wǎng)側(cè)變流器的控制兩部分。機(jī)側(cè)變流器的控制目的主要是使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行跟蹤最佳功率曲線，保持最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉。</p><p><b>　　1

86、.風(fēng)機(jī)特性研究</b></p><p>　　風(fēng)力機(jī)的種類(lèi)很多，目前大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的風(fēng)力機(jī)絕大多數(shù)都是水平軸、下風(fēng)向式、三葉片。</p><p>　　風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電過(guò)程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的過(guò)程起了相當(dāng)重要的作用，它直接決定了最終風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。但不管采用什么形式的風(fēng)力機(jī)，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。德

87、國(guó)科學(xué)家貝茨（Betz）于1926年建立了著名的風(fēng)能轉(zhuǎn)化理論，即貝茨理論。貝茨假設(shè)風(fēng)輪是理想的，既沒(méi)有輪轂，且有無(wú)限多葉片組成，氣流通過(guò)風(fēng)輪時(shí)也沒(méi)有阻力；此外假定氣流經(jīng)過(guò)整個(gè)掃風(fēng)面是均勻的，氣流流過(guò)風(fēng)輪的速度方向?yàn)檩S向。理想風(fēng)輪的氣流模型如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1理想風(fēng)輪的氣流模型</p><p>　　其中，v是風(fēng)輪上游的風(fēng)速，是通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速，是風(fēng)輪下游的風(fēng)速。通過(guò)風(fēng)

88、輪的氣流上游截面積為，下游截面積為。根據(jù)理論和能量的轉(zhuǎn)化，一定有，根據(jù)貝茨理論，則有</p><p>　　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</p><p><b>　　（1.1）</b></p><p>　　由此計(jì)算槳葉接收的功率為：</p><p><b>　　(1.2)</b&

89、gt;</p><p>　　由上游至下游的動(dòng)能變化：</p><p><b>　　（1.3）</b></p><p>　　因能量守恒，則（1.2）(1.3)式相等，則</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　可以求得：</b

90、></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　由于槳葉前風(fēng)速是認(rèn)為給定的，故對(duì)P微分求其最大值，P是的函數(shù)，則有</p><p>　　若令其為0，解得 代入P的表達(dá)式，可求出P的最大值：</p><p

91、><b>　　（1.7）</b></p><p>　　由此，除以氣流通過(guò)掃風(fēng)面S所具有的動(dòng)能，得到風(fēng)輪的理論最大效率：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　這就是著名的貝茨定理，它說(shuō)明理想的最佳條件下，對(duì)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(dòng)能而損耗在槳葉背面也就是說(shuō)，

92、實(shí)際風(fēng)力機(jī)的效率必定小于0.59，所以在實(shí)際的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中，就是要最大限度地接近該風(fēng)能的最大利用數(shù)值。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T與風(fēng)速v的關(guān)系可以表示為:</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　其中是反應(yīng)轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)化機(jī)械功率為：

93、 (1.10)</p><p>　　風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為：</p><p><b>　　（1.11）</b></p><p>　　其中R為風(fēng)輪半徑，為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行機(jī)械角速度，為風(fēng)能機(jī)械轉(zhuǎn)化效率，且葉尖速比（表示風(fēng)輪運(yùn)行速度快慢）為</p><p>　　要使得系統(tǒng)獲得最佳的功率輸

94、出系數(shù)，即得到最大,根據(jù)不同的（葉片回轉(zhuǎn)平面與槳葉界面弦長(zhǎng)之間的夾角）和值可得出功率系數(shù)近似特性曲線（關(guān)系見(jiàn)圖1-3），求得，所以的取值是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制的關(guān)鍵。</p><p>　　圖1-3 與葉尖速比以及槳距角的關(guān)系</p><p><b>　　2.最大風(fēng)能追蹤</b></p><p>　　根據(jù)貝茲(Betz)定理，風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械功為

95、:</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中，為風(fēng)能利用系數(shù)，為空氣密度，S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積，V為上游風(fēng)速</p><p>　　葉尖速比可以用下式表示：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其中，為風(fēng)輪的角速度，

96、為電網(wǎng)頻率，為風(fēng)輪半徑。</p><p>　　對(duì)某一確定的風(fēng)力機(jī)，當(dāng)和V一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)所獲得的機(jī)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(shí)，則僅由葉尖速比決定。在某一風(fēng)速下，總會(huì)有一個(gè)最佳葉尖速比，對(duì)應(yīng)了最大風(fēng)能利用系數(shù)，因此，只要控制保持最佳葉尖速比，就能獲得最大風(fēng)能。由式（2.1）和（2.2）可得風(fēng)力機(jī)最大輸出功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下：</p>&l

97、t;p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　圖2-1槳距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線</p><p><b>　　圖2-2系數(shù)曲線</b></p><p>　　圖2-3風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線</p><p>　　如圖2-3所示，是一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性，最佳功率曲線是各風(fēng)

98、速下最大輸出功率點(diǎn)的連線。從中可以看出在同一個(gè)風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，要想追蹤最佳功率曲線，保持最佳葉尖比，即最大限度地獲得風(fēng)能，就必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，在直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，這是最大風(fēng)能捕獲的主要思想。應(yīng)用以上思想，在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，在最大功率輸出方式下。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)的最低風(fēng)力后，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)為優(yōu)化槳距角定漿距運(yùn)行，由變頻

99、器控制系統(tǒng)來(lái)控制系統(tǒng)輸出，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。</p><p>　　當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，變頻器控制通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基本失效，系統(tǒng)變槳距裝置開(kāi)始動(dòng)作，調(diào)節(jié)風(fēng)輪受力，減少風(fēng)輪機(jī)械能的獲取，保護(hù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組，避免因超速和超功率運(yùn)行引起的事故。此時(shí)風(fēng)力機(jī)工作在額定功率輸出模式，輸出穩(wěn)定。通過(guò)以上的分析，就可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和最大功率的輸出控制，獲得較為

100、平穩(wěn)的能量，保證了公用直流母線的能量平穩(wěn)獲取和后續(xù)逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量。</p><p>　　3.機(jī)側(cè)變流器的控制策略研究</p><p>　　與被動(dòng)整流拓?fù)漕?lèi)似，基于主動(dòng)整流拓?fù)涞碾姍C(jī)側(cè)變流器控制策略也與機(jī)組運(yùn)行階段相關(guān)。在變速運(yùn)行階段，為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，控制上采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)結(jié)構(gòu)。結(jié)合式(2.3)可得此時(shí)轉(zhuǎn)矩指令表達(dá)式如下，與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈平方關(guān)系。</p><p>　　

101、在恒速運(yùn)行階段，電機(jī)要維持額定轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)控制上采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)，轉(zhuǎn)矩指令由轉(zhuǎn)速環(huán)輸出決定。</p><p>　　不難看出，在主動(dòng)整流拓?fù)渲校来磐诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩控制策略為關(guān)鍵。與網(wǎng)側(cè)變流器的電壓定向控制和直接功率控制相對(duì)應(yīng)，永磁同步電機(jī)控制策略原理上主要分為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩類(lèi)，前者基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，后者基于定子磁場(chǎng)定向，針對(duì)不同的控制目標(biāo)，兩類(lèi)控制策略的實(shí)現(xiàn)方法也各不相同。限于

102、篇幅，本節(jié)主要圍繞永磁同步電機(jī)矢量控制展開(kāi)研究。以零d軸電流控制為例闡述了矢量控制的基本思路，在此基礎(chǔ)上，研究了恒定氣隙磁鏈控制和計(jì)入鐵耗影響的最大效率控制的工作原理，并對(duì)這三種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析。</p><p>　　3.1．零d軸電流控制</p><p>　　3.1.1.機(jī)側(cè)變流器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　整流側(cè)由永磁發(fā)電機(jī)和三相PWM整流器組

103、成。將永磁同步發(fā)電機(jī)用等效電路代替，網(wǎng)側(cè)變流器從直流側(cè)看，可以等效為一個(gè)電壓源，于是，可得到整流側(cè)主回路如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 機(jī)側(cè)變流系統(tǒng)主回路</p><p>　　3.1.2.永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　目前，在永磁交流伺服系統(tǒng)中，零d軸電流矢量控制技術(shù)是最主要的控制方式。零d軸電流矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，其實(shí)現(xiàn)的前提是必

104、須已經(jīng)準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁極空間位置d軸，采用PWM技術(shù)，通過(guò)對(duì)逆變器功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，使定子合成電流位于q軸上，此時(shí)定子電流d軸分量為零，而永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流成正比，即正比于定子電流幅值，因此，我們只需要控制定子電流大小，就可以達(dá)到控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p>　　機(jī)側(cè)變流器控制策略采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的方法:兩相靜止坐標(biāo)系中的軸與定子a相繞組的法線方向?qū)R;同步

105、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向?qū)R，則空載電勢(shì)E與q軸對(duì)齊。和dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)相量圖如圖3-2所示，其中轉(zhuǎn)子位置角</p><p>　　圖3-2 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)向量圖 </p><p>　　由此可以得到永磁同步電機(jī)在心坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別如(3.1)，(3.2)所示</p><p><b>　?。?.1）

106、</b></p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　其中，，為電機(jī)端電壓軸分量，為定子電流軸分量，為轉(zhuǎn)子電角速度，為定子電感軸分量，為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電子極對(duì)數(shù)。</p><p>　　同時(shí)可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下dq軸等效電路圖：</p><p>　　3.1.3.永磁同步電機(jī)的零d軸矢量控

107、制</p><p>　　永磁同步電機(jī)的控制策略原理，主要分為兩類(lèi):矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，前者是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的，而后者是基于定子磁場(chǎng)定向的，由于兩種控制策略的控制目標(biāo)不同，所以在實(shí)現(xiàn)方法上也各不相同。以下圍繞永磁同步電機(jī)的矢量控制中的零d軸電流控制方法展開(kāi)討論。</p><p>　　同時(shí)，機(jī)側(cè)變流器的控制策略與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式有著密切的關(guān)系。在最大功率運(yùn)行力一式下，為了追蹤最大功

108、率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉，控制上一般采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)結(jié)構(gòu);而在額定功率輸出運(yùn)行方式下，電機(jī)要維持額定功率不變，就是要維持額定轉(zhuǎn)速不變，因此此時(shí)控制上常采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，轉(zhuǎn)矩環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)矩指令由轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出來(lái)給定。</p><p>　　零d軸電流矢量控制的目的就是將d軸電流控制為零。將代入式(3.2)，則永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:</p><p><b>　?。?.3

109、）</b></p><p>　　由上式可看出，電磁轉(zhuǎn)矩僅與q軸電流成線性關(guān)系，所以我們只要控制了q軸電流，使q軸電流跟隨指令（d軸電流始終跟隨指令），就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨最優(yōu)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩指令已知時(shí)，電機(jī)dq軸電流指令如下：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　由式（3.1）可