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文檔簡介
1、<p> 直驅(qū)式風電并網(wǎng)變流器的控制與應用</p><p><b> 學 生: </b></p><p><b> 學 號:</b></p><p><b> 指導教師:</b></p><p> 專 業(yè):電力系統(tǒng)及其自動化 </
2、p><p> **大學電氣工程學院</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)境污染問題日益嚴重的今天,開發(fā)和利用無污染且資源豐富的風能具有十分重要的意義,為此,世界各國競相發(fā)展風電產(chǎn)業(yè),風電技術(shù)得到了一前
3、所未有的快速發(fā)展,涌現(xiàn)出多種風電機組類型。其中,永磁直驅(qū)式風電系統(tǒng)以其無齒輪箱、維護成本低、噪音低等獨有優(yōu)勢正受到越來越多的關(guān)注,己經(jīng)成為變速恒頻風電系統(tǒng)未來發(fā)展的一個重要方向。直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中,變流器是發(fā)電機所發(fā)的電能饋送至電網(wǎng)的唯一通路,它是將發(fā)電機發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻的電能的裝置,它能實現(xiàn)對發(fā)電機輸出的電流、功率因數(shù)等的快速調(diào)節(jié),減少對電網(wǎng)的諧波污染,是直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重點和難點,它對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效
4、運行很重要,掌握這項技術(shù),對于推動我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展,增強風力發(fā)電領域的自主創(chuàng)新能力,具有十分重要的意義。</p><p> 本文以永磁直驅(qū)風電變流系統(tǒng)的運行與控制為主題,對其控制策略進行了綜述,以及研究電壓跌落條件下風力發(fā)電機組對電網(wǎng)的無功功率支持,并對其在電網(wǎng)電壓跌落時的運行特性進行分析和電路設計。最后通過實驗進行驗證。</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.風力發(fā)電機控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2</p><p> 3.風電機組的控制技術(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)永磁風力發(fā)電機控制策略7</p><p><b> 1系統(tǒng)描述7</b></p><p> 2.最大風能捕捉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)永磁風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的設計15</p><p> 1.全功率變流器15</p><p> 2.電壓跌落時特性研究18</p><p> 3 控制電路設計18</p><p> 第四章 模擬試驗與結(jié)論21</p><p> 1恒壓恒頻輸出模擬試
8、驗21</p><p><b> 2結(jié)論22</b></p><p><b> 參考文獻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)境污染與能源危機的大
9、背景下,風能作為無污染的新能源,已經(jīng)成為世界研究的熱門話題,其中又以變速恒頻(variable speed constant frequency,VSCF)風力發(fā)電技術(shù)為當前的研究熱點。目前主流的變速恒頻風電機組多采用有刷雙饋交流勵磁發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)有功和無功解耦控制、最佳風能捕獲控制以及變速恒頻發(fā)電運行。但由于系統(tǒng)中需采用齒輪箱連接風力機和發(fā)電機,且有刷雙饋電機存在電刷和滑環(huán),導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,齒輪箱隨著發(fā)電機組功率等級的升高,
10、成本變的很高,且易出現(xiàn)故障,需要經(jīng)常維護,可靠行差;當?shù)拓摵蛇\行時,效率低;同時齒輪箱也是風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染的一個主要因素,所以降低了系統(tǒng)發(fā)電效率和運行可靠性。</p><p> 永磁直驅(qū)風機(permanent magnet synchronous generator,PMSG)風力發(fā)電系統(tǒng)就是在這種情況下出現(xiàn)的,應用于風力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機采取特殊的設計方案,其較多的極對數(shù)使得在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時,發(fā)電
11、機仍然可以工作,直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)當中使風輪機與永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合,省去齒輪箱,提高了效率,減少了發(fā)電機的維護工作,并且降低了噪音。另外直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)不需要電勵磁裝置,具有重量輕、效率高、可靠性好的優(yōu)點。隨著電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展,在直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中,占成本比例相對較高的開關(guān)器件(IGBT等)和永磁體,在其性能不斷提高的同時,成本也正在不斷下降,使得直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)從眾多變速恒頻風力發(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)風機更能適應低風速,對于我國具有更加重要的意義,我國低風速的三類風區(qū)占到全部風能資源的50%左右,更適合使用永磁直驅(qū)式風電機組。目前,通用變頻器技術(shù)成熟,價格便宜,為中小型直驅(qū)發(fā)電機的普及提供方便;性能優(yōu)良的大功率電力電子器件的不斷涌現(xiàn),促進了大型直驅(qū)發(fā)電機的研究和應用,同時,伴隨著直驅(qū)式風電系統(tǒng)的出現(xiàn),全功率變流技術(shù)得到了發(fā)展和應用;應用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù),
13、使風輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍擴展到0~150%的額定轉(zhuǎn)速,提高了風能的利用范圍。直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)風力發(fā)電機是風力發(fā)電發(fā)展的趨勢,因此它具有廣闊的發(fā)展和應用前景,國外形容其為風力發(fā)電的一場革命。</p><p> 直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中,變流器是發(fā)電機所發(fā)的電能饋送至電網(wǎng)的唯一通路,它是將發(fā)電機發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻的電能的裝置,它能實現(xiàn)對發(fā)電機輸出的電流、功率因數(shù)等的快速調(diào)節(jié),減少對電網(wǎng)的諧波污
14、染,是直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重點和難點,它對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行很重要,掌握這項技術(shù),對于推動我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展,增強風力發(fā)電領域的自主創(chuàng)新能力,具有十分重要的意義。</p><p> 2.直驅(qū)永磁風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p> 直驅(qū)永磁式電機起源于1995年,當時美國紐約州的一家研究機構(gòu)設計出了一種新型可變磁阻發(fā)電機,它用風力發(fā)動
15、機中的磁性裝置取代了機械齒輪箱。該設計的特點在于,可變磁阻電機的極結(jié)構(gòu)能夠承受各個方向操作而不需要支付箱齒輪箱那樣的費用。在2000年,加拿大M.eng. M.Dubois博士提出將風力發(fā)電機中的齒輪箱置于電機和轉(zhuǎn)子之間會對部分工作負載的效率產(chǎn)生負面影響,而且較易受損耗,若使用一個和風力機轉(zhuǎn)速相同的電機就可以免去齒輪箱,并對直驅(qū)式低速旋轉(zhuǎn)電機應用于風力發(fā)電機的一些問題進行了研究。但直到1997 年,市場上才開始出現(xiàn)兼具無齒輪、變速變槳距
16、等特征的風力機,容量約在330kW~2MW,并且多由德國于1992年開始制造。在2000年,瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可變速風力發(fā)電機組,它包括了永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風力發(fā)電機Wind former,容量為3MW、高約70m、風扇直徑約90m。在2003年,Okinawa電力公司開始運行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW級風機MWT-S2000型風力機,該風機采用了小尺寸的變速無齒輪永磁同步電機和新型輕質(zhì)的葉片。由此可見,
17、直驅(qū)式無齒輪風力</p><p> 作為一個新興能源行業(yè),風電業(yè)在我國起步并不算晚,但由于諸多原因,國內(nèi)的風力發(fā)電機研究進展并不快。在1996年我國制訂“乘風計劃”,旨在鼓勵提高中大型風力發(fā)電機制造技術(shù)和國產(chǎn)化率,2001年國家863計劃能源技術(shù)領域后續(xù)能源技術(shù)主題“兆瓦級風力發(fā)電機組及其關(guān)鍵部件研制”課題開始實施。2007年11月,中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專委會、國際環(huán)保組織綠色和平和全球風能理事會于上
18、海國際風能大會上共同發(fā)布了《中國風電發(fā)展報告2007》,報告指出,自1995年至2006年,我國風電裝機容量的年平均增長率為46.8%;截至2006年底,我國共建設風電場100多個,風電裝機容量己達2.6GW,躍居世界第六位。</p><p> 2005年4月24日,我國第一臺國產(chǎn)兆瓦級風力發(fā)電機在烏魯木齊市達坂城風力發(fā)電場完成吊裝,投入運行。這臺1.2MW直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機是我國第一臺整機設計、制造并擁有自
19、主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級風機,它的運行意味著我國風機設計制造能力已達到世界先進水平。雖然成績顯著,但我們國內(nèi)的風機市場占有率并不高,而且現(xiàn)在世界上多數(shù)風電發(fā)達的國家都建有國家投資的研發(fā)服務機構(gòu),專門為市場中的企業(yè)發(fā)展提供技術(shù)和政策支持,如丹麥的國家實驗室(Risoe)、德國的風能研究所(DWEI)等[2]。</p><p> 新疆金風公司與國外合作已成功研制1.2 MW~1.5 MW直驅(qū)型風力發(fā)電機組并成功實現(xiàn)并網(wǎng)運
20、行;丹麥BOUNS公司(現(xiàn)已被西門子收購)選擇了無刷感應發(fā)電機配備全功率變流器;GE風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)電機換成了帶全功率變流的同步發(fā)電機,GE風電系統(tǒng)的逐步轉(zhuǎn)型是為了適應新的“電網(wǎng)故障穿越”規(guī)則。</p><p> 我國企業(yè)擁有直驅(qū)風機的自主知識產(chǎn)權(quán),結(jié)合《關(guān)于風電建設管理有關(guān)要求的通知》中風機國產(chǎn)化率要求及國內(nèi)風機應用領域逐步擴展至低風速區(qū)域的
21、要求,我國永磁直驅(qū)風機占全國新增風機的比例不斷提高。預計至2014年,我國永磁直驅(qū)風機產(chǎn)量將達到4000臺,占2014年新增風機總量53%,其中1.5兆瓦永磁直驅(qū)風機和2.5兆瓦永磁直驅(qū)風機各占50%。</p><p> 3.風電機組的控制技術(shù)</p><p> 當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時,要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致,即保持頻率恒定。恒速恒頻是指在風力發(fā)電過程中,保持風力機的轉(zhuǎn)
22、速不變,從而得到恒頻的電能;變速恒頻是指在風力發(fā)電過程中,讓風力機的轉(zhuǎn)速按照一定的關(guān)系隨風速而變化,并通過其他控制方式得到恒頻的電能。</p><p> (1)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機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機,異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速,當風力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風速的增加而增加時,發(fā)動機的輸出功率及其反轉(zhuǎn)距也增大,運行點發(fā)生了變化。若轉(zhuǎn)
23、子速度超過同步轉(zhuǎn)速3%-5%時,發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū),產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)距減小,導致轉(zhuǎn)速迅速升高,引起飛車,后果嚴重。</p><p> 另外,對恒速風機來說,當風速躍升時,巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸,齒輪箱和發(fā)電機等部件,在這件部件上產(chǎn)生很大機械應力,如果上述過程重復出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞,因此設計時不得不加大安全系數(shù),從而導致機組重量加大,制造成本增加,而當風力發(fā)電機采取變速運行時,由風速躍升所產(chǎn)生的巨大
24、風能,一部分被加速旋轉(zhuǎn)的風輪所吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風輪中,從而避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大扭矩和應力,當風速下降時,在電力電子裝置調(diào)控下,將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)、風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖作用使風力機內(nèi)部能量傳輸部件應力變化比較平穩(wěn),防止破壞性機械應力產(chǎn)生,從而使風電機組運行更加平穩(wěn)和安全。</p><p> 異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,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)吸收無功功率。異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù),取決于轉(zhuǎn)差率及電機的參數(shù),而轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機的負荷大小有關(guān),電機的參數(shù)無法改變,風力發(fā)電機多采用機端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù)。運行中當發(fā)電機和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時,電容器的過勵和異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵現(xiàn)象。自勵產(chǎn)生的過電壓可能危及發(fā)電機和電容器的絕緣,必須予以重視。一方面應從最不利的過速情況來選擇電容器的電容量,另一方面在保護線路上要采取措施。這種
26、運行方式除了有風能利用系數(shù)低的弊端,主要弊端還是當風速躍升時,巨大的風能將通過風輪葉片傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機部件,在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應力,上述過程的重復出現(xiàn)將引起這些部件的疲勞損壞。因此,在設計時不得不加大安全系數(shù),從而導致機組重量增大,制造成本增加。</p><p> (2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)</p><p> 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相對于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng),主要有以下優(yōu)點:<
27、;/p><p><b> A風能利用系數(shù)高</b></p><p> 利用變速恒頻發(fā)電方式,風力機就可以改變恒速運行為變速運行。這樣就可能使風力機的轉(zhuǎn)速隨風速而變化,使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比,使風力機的風能利用系數(shù)在額定風速以下的整個運行范圍內(nèi)都處于最大值,從而可比恒速運行獲得更多的能量。</p><p> B避免主軸及傳動機構(gòu)承受過
28、大的扭轉(zhuǎn)和應力,減少部件磨損</p><p> 這種變速機組可適應不同的風速區(qū),大大拓寬了風力發(fā)電的地域范圍。即使風速躍升時,所產(chǎn)生的風能也被風力機吸收,以動能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風輪中,從而避免了主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭轉(zhuǎn)及應力。在電力電子裝置的調(diào)控下,將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,送入電網(wǎng),從而使能量傳輸機構(gòu)所受應力比較平穩(wěn),風電機組運行更加平穩(wěn)和安全。</p><p>
29、C低風速下以低轉(zhuǎn)速運行,降低噪音</p><p> 恒速運行時風力機轉(zhuǎn)速不能太高,因為在低風速時,環(huán)境噪音不大,掩蓋不了葉片的氣動噪聲,所以恒速風力機的葉尖速度一般局限在60m/s左右,相應的葉尖速比在7.5左右。由于空氣動力學的原因,風力機轉(zhuǎn)速越低,葉片尺寸就必須越大;而變速機組由于風力機轉(zhuǎn)速與風速成比例變化,所以較少受低風速時噪音的限制,設計時可以采用更大的葉尖速比。同樣由于空氣動力學原理,較大的葉尖速比,
30、可將葉片做的更薄,從而降低制造成本。變速機組即使設計葉尖速比大于恒速機組,低風速時的轉(zhuǎn)速仍會大大低于恒速機組,因而噪聲低,更具有競爭性。</p><p> D改善系統(tǒng)的功率因數(shù)</p><p> 目前的恒速機組,大部分使用異步發(fā)電機,它在發(fā)出有功功率的同時,還需要消耗無功功率(通常是安裝電容器,以補償大部分消耗的無功)。而現(xiàn)代變速風電機組卻能夠十分準確地控制功率因數(shù),甚至向電網(wǎng)輸送無功
31、,改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。</p><p> 由于以上原因,變速風電機組越來越受到風電界的重視,特別是在進一步發(fā)展的大型機組中將更為引人注目。當然,決定變速機組工作性能的一個關(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計。</p><p> 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力機、齒輪箱(可選)、發(fā)電機、變頻器和控制器組成,實現(xiàn)變速恒頻的基本方式有兩種,一種是采用交流勵磁雙饋電機的風力發(fā)電系統(tǒng)
32、,另一種是采用電勵磁或永磁式同步電機。</p><p> 4. 常用風電機組類型</p><p> 風力發(fā)電技術(shù)從風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)提供電力的最終目標。以下給出了當今幾種并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,并概述了它們的優(yōu)缺點。</p><p> A 普通三相同步發(fā)電系統(tǒng)&l
33、t;/p><p> 早期的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中是采用普通三相同步發(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。同步發(fā)電機在運行中,由于它既能輸出有功功率,又能提供無功功率,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
34、風力發(fā)電機組上使用效果并不太理想。該系統(tǒng)需要調(diào)速機構(gòu)和勵磁機構(gòu)對同步發(fā)電機的頻率、電壓和功率進行有效的控制,否則可能會造成無功振蕩與失步,重載下尤為嚴重。普通三相同步發(fā)電機型風力發(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)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p> B 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p> 雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)是變速運行風電系
35、統(tǒng)的一種,由風力機、齒輪箱、感應發(fā)電機、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等構(gòu)成。雙饋電機的定子與電網(wǎng)直接連接,轉(zhuǎn)子通過兩個變頻器連接到電網(wǎng),使得機組可在較大速度范圍內(nèi)運行,并與電網(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)電容器的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)距角隨著風速的改變而改變,從而
36、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。</p><p> 相比于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng),雙饋電機的優(yōu)勢在于:降低輸出功率的波動和機組的機械應力;不需要無功補償裝置;可以追蹤最大風能,提高風能利用率;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;在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù),可提高電能質(zhì)量;變頻器容量僅占發(fā)電機額定容量的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。而其缺點在于控制方式相對復雜,并且價格較昂貴,其結(jié)構(gòu)圖如圖1-2:</p><p> 圖1-2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p> C 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng):</p><p> 在直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)中,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
38、保證機組電壓的值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。</p><p> 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)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的噪聲污染,在低風速時具有更高的效率。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
39、很短,呈圓盤形狀,為了簡化系統(tǒng)的控制結(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)勢仁’3一‘4」。風電系統(tǒng)將發(fā)電機發(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效應晶體管兩者特點的復合型電力電子器件,既具有工作速度快,驅(qū)動功率小的優(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。系統(tǒng)
40、結(jié)構(gòu)如圖1-3:</p><p> 圖1-3 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p> 5.風力發(fā)電變流器技術(shù)現(xiàn)狀</p><p> 就目前情況來看,雙饋型風力發(fā)電機仍是主流,然而直驅(qū)型風力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢也開始逐漸受到關(guān)注。變流器是將風力發(fā)電機輸出的電壓幅值、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)風力發(fā)電系統(tǒng)中,并網(wǎng)變流器在風電整機成本
41、中占15%、200k的比例,是運用現(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)等交叉學科的高新技術(shù)產(chǎn)品,是把風能轉(zhuǎn)化為電能并入電網(wǎng)的通道,既能對電網(wǎng)輸送風力發(fā)電的有功分量,又能連結(jié)、調(diào)節(jié)電網(wǎng)端無功分量,起到無功補償?shù)淖饔谩?lt;/p><p> 由于風力發(fā)電整體技術(shù)起步比較晚,現(xiàn)今我國風電場應用的風電變流器市場主要被維斯塔斯、西門子、ABB等知名國外品牌占領,但是國家近幾年出臺了很多政策和舉措
42、支持民族品牌的發(fā)展,為國內(nèi)變流器企業(yè)提供了大力的政治和經(jīng)濟支持。發(fā)改委在文件中明確提出,風力發(fā)電機組設備國產(chǎn)化率必須達到700/0以上?!笆晃濉逼陂g,國家又發(fā)布了關(guān)于風力發(fā)電方面的一大批科技支撐計劃項目,在風電機組控制系統(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,風力發(fā)電變流器在中國市場呈現(xiàn)出國外廠家與國內(nèi)廠家并存、國內(nèi)廠家奮力追趕的局面。</p><p> 近幾年,中國風電領域的相關(guān)專家對于國外的變流
43、器技術(shù)的相關(guān)文獻進行了學習和</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,加之目前國家大力提倡清</p><p> 潔能源開發(fā)和需求掛鉤,使得風電前景一片看好。這樣變流器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般成</p><p> 立起來,使得變流器的徹底國產(chǎn)化呼之欲出。這些政策和舉措帶動了近兩三年國內(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、合肥陽光電源有限公司、北京清能華福</p><p> 風電技術(shù)有限公司、南車株洲等企業(yè)目前都在積極地進行變流器產(chǎn)品的研發(fā)工作。2007</p><p> 年10月20日,國內(nèi)首臺1.SMW風力發(fā)電全功率變流器在九洲電氣試制完成,拉開了我</p><p> 國在兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)國產(chǎn)化的序幕,打破了一向由國外企
45、業(yè)在該領域</p><p> 內(nèi)壟斷格局。相信不遠的將來,會有大批的自主品牌的風電變流器和更多的國產(chǎn)自動化</p><p> 產(chǎn)品成功應用在風電領域。</p><p> 6. 本文研究的主要內(nèi)容</p><p> 通過大量的文獻調(diào)研,全面論述直驅(qū)式風電并網(wǎng)變流器的主要拓撲結(jié)構(gòu)、對應的控制方式、實現(xiàn)的功能、適用的場合以及對電網(wǎng)故障的應對
46、措施等</p><p> 第二章 直驅(qū)式風力發(fā)電機組網(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,同時滿足電力系統(tǒng)有功和無功功率的需求,通過電流解禍控制,實現(xiàn)有功和無功的單獨控制。</p><p> 1.變流器控制方法概述</p><p> 風力發(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,可以應用單相逆變器。變流器中大都使用IGBT開關(guān)器件,為電壓、電流控制帶來了方便。通過變流器自身多次有規(guī)律的開關(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)就是利用開關(guān)把電壓或電流在時間上離散化并按一定規(guī)律組合成一個新的電壓或電流。</p><p> 變流器接在發(fā)電機和電網(wǎng)之間,變流器在穩(wěn)定中間直流電壓的同時,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B.K.BOSS教授提出。近十年來這一技術(shù)在再生能源系統(tǒng)中得到重視,獲得了很大的發(fā)展和應用。PWM變流器電流控制策略分為兩類:一類是間接電流控制,另一類是直接電流控制。間接電流控制的是通過控制變流橋臂中點基波電壓的幅值和相位,進而間接控制網(wǎng)側(cè)電流。間接電流控制沒有電流傳感器,網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應慢,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
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)。控制原理為直流電壓給定信號和實際檢測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、風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流增大時,給直流側(cè)電容C充電而使上升,PI的輸入端出現(xiàn)負偏差,使其輸出增大,進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,這樣逐漸使恢復到設定值。當達到新的穩(wěn)態(tài)時,和相等,PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復到零,而電流信號的幅值的給定值則穩(wěn)定在新的值上。與之相反,風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流減小時,調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。</p><p> 圖2-1 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p>&l
51、t;p> 電流信號的幅值與檢測到的電網(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。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,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,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,用
52、該信號對三角波載波進行調(diào)制,得到PWM開關(guān)信號去控制各開關(guān)功率器件,得到橋臂中點電壓,從而控制流過電感L的電流大小,同時實現(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電壓依據(jù)變流器低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型運算得到,運算過程中用到電路參數(shù)L和R,當L和R的運算值和實際值有誤差時,會影響到控制效果,難以保證系統(tǒng)動態(tài)性能;其二是在穩(wěn)態(tài)向量關(guān)系基礎上控制電流,其前提
53、條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變,而實際上電網(wǎng)電壓由于負載擾動經(jīng)常會發(fā)生畸變,這必定影響控制效果;其三是沒有電流反饋,系統(tǒng)沒有自身限流功能。因此,間接電流控制的系統(tǒng)在動態(tài)性能要求比較高的系統(tǒng)中應用較少。</p><p><b> 3.直接電流控制</b></p><p> 網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標是:(1)保持直流側(cè)電壓恒定且有良好的動態(tài)響應能力;(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)變流器是一個交、直流電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的能量變換裝置。由于無窮大電網(wǎng)電壓基本恒定,對變流器橋臂中點電壓進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電流控制和同步電流控制,也稱為直接電流控制。</p><p> 3.1.瞬時滯環(huán)電流跟蹤控制技術(shù)</p><p> 瞬時電流控制是將交流側(cè)電流檢測回來,
55、組成電流閉環(huán)電路。瞬時電流控制是基于靜止坐標系下的控制策略,由于采用電流控制這使電流響應速度快,有利于過電流保護。瞬時電流控制常用滯環(huán)電流跟蹤控制技術(shù),一般應用對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,把實際電流作為反饋信號,通過滯環(huán)比較器將兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷,使實際的輸出電流跟蹤指令信號變化,也被稱為電流跟蹤SPWM控制法。</p><p> 這種控制方法
56、簡單,但存在一些問題,由于控制系統(tǒng)頻帶寬度有限,實際控制電流會存在相位滯后和幅值誤差,要實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變就會得有一定困難。另外對電流控制環(huán)所需產(chǎn)生的正弦指令電壓給定信號的要求也很高。</p><p> 滯環(huán)比較器的環(huán)寬,當指令電流和實際并網(wǎng)電流ik(k=a,b,c)的差值超過環(huán)寬時,就產(chǎn)生PWM信號,該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路控制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、,但是開關(guān)頻率也越高。這樣,實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:</p><p> a.實時控制,電流響應快,控制準確,控制方法簡單。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)電路控制方式的開關(guān)頻率不固定,其平均開關(guān)頻率隨直流負載電流的變化而變化,導致開關(guān)狀態(tài)的不穩(wěn)
58、定性和任意性,同時對開關(guān)器件造成的沖擊較大;</p><p> c.開關(guān)頻率變化范圍較大,增加了濾波器設計的難度,給驅(qū)動保護電路和主電路的設計帶來困難,它以犧牲系統(tǒng)開關(guān)頻率特性來達到好的電流控制。</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、標系下PI調(diào)節(jié)電流控制</p><p> 近年來以空間電壓矢量SVPWM調(diào)制為基礎的同步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)器進行控制,以得到良好的動態(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原則條件下,將abc坐標系下的三相系統(tǒng)通過3s/2s變換轉(zhuǎn)化到兩相α,β靜止
60、坐標系中,可得α,β坐標系下變流器的數(shù)學模型。然后以電網(wǎng)頻率為基準進行旋轉(zhuǎn)變換,得到與電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq數(shù)學模型。在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中,原來三相坐標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軸定義為無功功率分量。控制d軸分量即可控制有功功率,控制q軸分量即可控制無功功率。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矢量中的一個不僅改變矢量幅度,而且還改變d和q軸之間的夾角。因為角度是頻率的導數(shù),所以角度的變化將導致頻率變化。為使變流器運行在單位功率因數(shù)狀態(tài),應設定=0,以使網(wǎng)側(cè)無功功率為零。</p><p> 在旋轉(zhuǎn)坐標系下,三相靜止坐標系下的交流量都變成了兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流量,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)通過電流反饋和電網(wǎng)電壓前饋,使輸入電流解耦,提高了動態(tài)性能,同
62、時系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性降低,穩(wěn)定性也相應提高。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,以下對這兩種情況進行討論。</p><p> 3.2.1基于單電感L的同步PI電流控制</p><p> 變流器橋路相當于一組開關(guān),無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行隔離;在開關(guān)狀態(tài)下濾波器通過充放電,濾除功率器件開關(guān)帶來的諧
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控制系統(tǒng)的控制性能,其主電路結(jié)構(gòu)如圖3-1。事實上,電壓型PWM變流器整體設計包括濾波性能和控制的動態(tài)性能問題,這依賴于變流器橋路兩側(cè)直流側(cè)和交流側(cè)兩個濾波器相配合,才能達到滿意效果。</p><p> 圖3-1 單電感L電壓型PWM變流器拓撲圖</p><p> 一般三相靜止對稱坐標系(a,b,c)中的PW
64、M變流器數(shù)學模型具有物理意義清晰、直觀等特點,但在這種數(shù)學模型中變量均為時變交流量,因而不利于控制系統(tǒng)設計。為此,通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系(a,b,c)轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系。這樣,經(jīng)坐標旋轉(zhuǎn)變換后,三相對稱靜止坐標系中的基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流變量,簡化了控制系統(tǒng)設計。</p><p> 基于單電感L的同步PI控制算法推導如下:</p><p&g
65、t; 根據(jù)第二章的變流器兩相旋轉(zhuǎn)坐標下低頻數(shù)學模型知,dq軸電流除受到控制量的影響外,還受到交叉耦合項和電網(wǎng)電壓影響。為消除dq軸之間的影響,實現(xiàn)對兩軸的獨立控制,需要構(gòu)建能解除d、q軸間電流耦合和消除電網(wǎng)電壓擾動的解耦控制方法。</p><p><b> ?。?.1)</b></p><p><b> 令:</b></p>&
66、lt;p><b> ?。?.2) </b></p><p> 其中為調(diào)節(jié)項,,為解耦項,為電壓前饋,將調(diào)節(jié)項用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> ?。?.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軸電流就可控制無功功率。為使變流器實現(xiàn)功率因數(shù)為1,即網(wǎng)側(cè)無功功率為零,將q軸指令電流=0。由于在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中,原來三相坐標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)電壓波動對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)絡的同步PI電流控制</p><p> 變流裝置對風力發(fā)電機組性能以及送入電網(wǎng)的電力質(zhì)量有很大影響。風力發(fā)電機組并網(wǎng)時需要滿足產(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)電流諧波應滿足一定要求。滿足以上條件還可以減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身的沖擊,同時將單位功率因數(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)在大容量風力發(fā)電變流器開關(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濾波器是一個三階系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遠復雜于一階單電感L濾波器構(gòu)建的變流器。因此,有必要對LCL濾波器組成的并網(wǎng)變流器數(shù)學模型及控制策略進行研究。</p><p> 基于LCL濾波的電壓型變流器需要設計成穩(wěn)定的和高效的系統(tǒng)。此文,設計了一個基于LCL濾波器簡化模型,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,不增加阻尼電阻、傳感器和控制方法復雜程度的情況下,通過選擇傳感器在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,通常電流傳感器設置在電網(wǎng)側(cè)比放置在變流器側(cè)更容易實現(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濾波器元件設計規(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)過并網(wǎng)LCL濾波
72、電路后并到電網(wǎng)。</p><p> 在設計LCL濾波網(wǎng)絡時,應先確定變流器的PWM調(diào)制方法,然后考慮電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的檢測位置對器件參數(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,要滿足濾波要求,還需考慮電感和電容吸收的無功功率大小,并使變流器輸出電壓對網(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)會更容易實現(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,易于實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。</p><p> (1)LCL的濾波網(wǎng)絡數(shù)學模型</p><p> a.三相靜止坐標系下,基于LCL濾波網(wǎng)絡的并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型描述如下:</p><p><b> ?。?.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.兩相靜止坐標系下,LCL濾波網(wǎng)絡數(shù)學模型</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系下方程為:</p><p><b> ?。?.8)</b></p><p><b> (3.9)</b></p><p><b> ?。?.10)</b></p><p> c.
77、兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下LCL濾波網(wǎng)絡數(shù)學模型</p><p> 三相平衡的三相電系統(tǒng),以角速度進行旋轉(zhuǎn)變換,其中f是電網(wǎng)的基波頻率,經(jīng)過旋轉(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)固有時間特性,系統(tǒng)數(shù)學模型方程在旋轉(zhuǎn)變換后,使模型方程增加了與時間有關(guān)的新增項。這些新增項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)只有一對耦合項。如果使用LCL濾波器,
78、耦合的變量則大大增加,為更好實現(xiàn)電流控制,可以通過增加解耦項進行解耦。解耦后相互影響的變量相互獨立的,可以進行獨立控制。對式(3.8)、(3.9)、(3.10)進行旋轉(zhuǎn)變換dq坐標系下數(shù)學模型:</p><p><b> (3.11)</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。將以上六個方程組中的四個變量消去,得到如下LCL完整數(shù)學模型:</p><p><b> ?。?.14)</b></p><p> 其中,,此模型前兩項為旋轉(zhuǎn)變換之前所固有,后五項為基于電網(wǎng)角頻率旋轉(zhuǎn)
80、變換產(chǎn)生的耦合項。</p><p> (2)電流環(huán)控制系統(tǒng)</p><p> 根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標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,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換,原來與時間有關(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),那么為實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變,在設計電流控制環(huán)時,需要增加算法以補償因濾波電容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,即檢測網(wǎng)側(cè)電感的電流構(gòu)成電流環(huán)時,則無須增加控制算法的復雜程度。</p&g
82、t;<p> 將電流控制環(huán)的dq兩個通道解耦后,兩解耦通道變成兩個相互獨立的對稱直流電流環(huán)節(jié)。這樣就可利用經(jīng)典控制理論對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應進行設計。</p><p> (3)LCL濾波器模型簡化</p><p> 由圖3-4可以看到基于完整LCL濾波器數(shù)學模型構(gòu)建的變流器電流環(huán)十分復雜,從工程角度可以對濾波器模型進行簡化。依據(jù)LCL濾波網(wǎng)絡設計原則選取的電感和電容量
83、可知則所有與電容C有關(guān)的項均可忽略,可將式(3.14)簡化為:</p><p><b> (3.15)</b></p><p> 這樣與電容有關(guān)的耦合項可以全部忽略,此時簡化模型與單電感模型一致,只是電感量等于。</p><p> (4)基于LCL濾波器簡化模型的電流控制</p><p> 系統(tǒng)簡化的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定為得到圖3-5。</p><p> 電流反饋控制是基于旋轉(zhuǎn)坐標系的PI同步解耦控制。由于通過坐標變換已將交流正弦信號轉(zhuǎn)化為直流信號,這樣一個交流系統(tǒng)就變成了直流系統(tǒng)??梢杂玫淇刂评碚撝蠵I調(diào)節(jié)器進行控制。對于閉環(huán)控制系統(tǒng),其特性由閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)決定,而只要使設計的電流環(huán)開環(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濾波器簡化模型的變流器拓撲圖</p><p> 第三章 直驅(qū)式風力發(fā)電機組機側(cè)變流器控制策略研究</p><p> 變流器的控制主要機側(cè)變流器的控制和網(wǎng)側(cè)變流器的控制兩部分。機側(cè)變流器的控制目的主要是使發(fā)電機的運行跟蹤最佳功率曲線,保持最佳葉尖速比,實現(xiàn)最大風能捕捉。</p><p><b> 1
86、.風機特性研究</b></p><p> 風力機的種類很多,目前大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組中采用的風力機絕大多數(shù)都是水平軸、下風向式、三葉片。</p><p> 風電機組的發(fā)電過程是將風能轉(zhuǎn)換為機械能,再由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。在這個過程中,風力機捕獲風能的過程起了相當重要的作用,它直接決定了最終風電機組的轉(zhuǎn)換效率。但不管采用什么形式的風力機,都不可能將風能全部轉(zhuǎn)化為機械能。德
87、國科學家貝茨(Betz)于1926年建立了著名的風能轉(zhuǎn)化理論,即貝茨理論。貝茨假設風輪是理想的,既沒有輪轂,且有無限多葉片組成,氣流通過風輪時也沒有阻力;此外假定氣流經(jīng)過整個掃風面是均勻的,氣流流過風輪的速度方向為軸向。理想風輪的氣流模型如圖1-1所示。</p><p> 圖1-1理想風輪的氣流模型</p><p> 其中,v是風輪上游的風速,是通過風輪的風速,是風輪下游的風速。通過風
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S為風輪平面面積,為空氣密度,則風能作用于槳葉上的力為</p><p><b> ?。?.1)</b></p><p> 由此計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> 由于槳葉前風速是認為給定的,故對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的表達式,可求出P的最大值:</p><p
91、><b> ?。?.7)</b></p><p> 由此,除以氣流通過掃風面S所具有的動能,得到風輪的理論最大效率:</p><p><b> ?。?.8)</b></p><p> 這就是著名的貝茨定理,它說明理想的最佳條件下,對風能的利用率也不到60%,有很大一部分能量化為了旋轉(zhuǎn)動能而損耗在槳葉背面也就是說,
92、實際風力機的效率必定小于0.59,所以在實際的風力機運行中,就是要最大限度地接近該風能的最大利用數(shù)值。</p><p> 風力機的機械轉(zhuǎn)矩T與風速v的關(guān)系可以表示為:</p><p><b> ?。?.9)</b></p><p> 其中是反應轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。</p><p> 轉(zhuǎn)化機械功率為:
93、 (1.10)</p><p> 風力機實際得到的有用功率為:</p><p><b> ?。?.11)</b></p><p> 其中R為風輪半徑,為風力機運行機械角速度,為風能機械轉(zhuǎn)化效率,且葉尖速比(表示風輪運行速度快慢)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)系見圖1-3),求得,所以的取值是實現(xiàn)最大風能追蹤控制的關(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.最大風能追蹤</b></p><p> 根據(jù)貝茲(Betz)定理,風力機獲得的機械功為
95、:</p><p><b> ?。?.1)</b></p><p> 其中,為風能利用系數(shù),為空氣密度,S為風力機掃風面積,V為上游風速</p><p> 葉尖速比可以用下式表示:</p><p><b> ?。?.2)</b></p><p> 其中,為風輪的角速度,
96、為電網(wǎng)頻率,為風輪半徑。</p><p> 對某一確定的風力機,當和V一定時,風力機所獲得的機械功率僅與風能利用系數(shù)有關(guān),是槳距角和葉尖速比的函數(shù),即,某一風速下,當槳距角一定時,則僅由葉尖速比決定。在某一風速下,總會有一個最佳葉尖速比,對應了最大風能利用系數(shù),因此,只要控制保持最佳葉尖速比,就能獲得最大風能。由式(2.1)和(2.2)可得風力機最大輸出功率和風輪轉(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風力機輸出功率特性曲線</p><p> 如圖2-3所示,是一組在不同風速下風力機的輸出功率特性,最佳功率曲線是各風
98、速下最大輸出功率點的連線。從中可以看出在同一個風速下,不同轉(zhuǎn)速會使風力機輸出不同的功率,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能,就必須在風速變化時及時調(diào)節(jié)風輪機的轉(zhuǎn)速,在直驅(qū)同步風力發(fā)電系統(tǒng)中,即調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,從而改變風力機轉(zhuǎn)速,這是最大風能捕獲的主要思想。應用以上思想,在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組中,在最大功率輸出方式下。當風力大于風力機啟動的最低風力后,風力機在運行狀態(tài),此時風力機為優(yōu)化槳距角定漿距運行,由變頻
99、器控制系統(tǒng)來控制系統(tǒng)輸出,調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速,獲得相應的,實現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風能的捕獲。</p><p> 當風速進一步增大,超過額定轉(zhuǎn)速后,變頻器控制通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基本失效,系統(tǒng)變槳距裝置開始動作,調(diào)節(jié)風輪受力,減少風輪機械能的獲取,保護風力機和發(fā)電機組,避免因超速和超功率運行引起的事故。此時風力機工作在額定功率輸出模式,輸出穩(wěn)定。通過以上的分析,就可以實現(xiàn)最大風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.機側(cè)變流器的控制策略研究</p><p> 與被動整流拓撲類似,基于主動整流拓撲的電機側(cè)變流器控制策略也與機組運行階段相關(guān)。在變速運行階段,為實現(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)可得此時轉(zhuǎn)矩指令表達式如下,與電機轉(zhuǎn)速呈平方關(guān)系。</p><p>
101、在恒速運行階段,電機要維持額定轉(zhuǎn)速不變,此時控制上采用雙閉環(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,在主動整流拓撲中,永磁同步電機的轉(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應,永磁同步電機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,前者基于轉(zhuǎn)子磁場定向,后者基于定子磁場定向,針對不同的控制目標,兩類控制策略的實現(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矢量控制展開研究。以零d軸電流控制為例闡述了矢量控制的基本思路,在此基礎上,研究了恒定氣隙磁鏈控制和計入鐵耗影響的最大效率控制的工作原理,并對這三種控制策略的優(yōu)缺點進行了綜合分析。</p><p> 3.1.零d軸電流控制</p><p> 3.1.1.機側(cè)變流器系統(tǒng)的設計</p><p> 整流側(cè)由永磁發(fā)電機和三相PWM整流器組
103、成。將永磁同步發(fā)電機用等效電路代替,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 機側(cè)變流系統(tǒng)主回路</p><p> 3.1.2.永磁同步電機數(shù)學模型</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)子磁場定向,其實現(xiàn)的前提是必
104、須已經(jīng)準確地檢測出轉(zhuǎn)子磁極空間位置d軸,采用PWM技術(shù),通過對逆變器功率開關(guān)管的導通和關(guān)斷的控制,使定子合成電流位于q軸上,此時定子電流d軸分量為零,而永磁同步電機的電磁轉(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,就可以達到控制永磁同步電動機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p> 機側(cè)變流器控制策略采用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法:兩相靜止坐標系中的軸與定子a相繞組的法線方向?qū)R;同步
105、旋轉(zhuǎn)坐標系中d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向?qū)R,則空載電勢E與q軸對齊。和dq坐標系下永磁同步電機相量圖如圖3-2所示,其中轉(zhuǎn)子位置角</p><p> 圖3-2 兩相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下永磁同步發(fā)電機向量圖 </p><p> 由此可以得到永磁同步電機在心坐標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> (3.1)
106、</b></p><p><b> ?。?.2)</b></p><p> 其中,,為電機端電壓軸分量,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為電子極對數(shù)。</p><p> 同時可得同步旋轉(zhuǎn)坐標系下dq軸等效電路圖:</p><p> 3.1.3.永磁同步電機的零d軸矢量控
107、制</p><p> 永磁同步電機的控制策略原理,主要分為兩類:矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制,前者是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的,而后者是基于定子磁場定向的,由于兩種控制策略的控制目標不同,所以在實現(xiàn)方法上也各不相同。以下圍繞永磁同步電機的矢量控制中的零d軸電流控制方法展開討論。</p><p> 同時,機側(cè)變流器的控制策略與風力發(fā)電機組的運行方式有著密切的關(guān)系。在最大功率運行力一式下,為了追蹤最大功
108、率,實現(xiàn)最大風能捕捉,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行方式下,電機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)電機的轉(zhuǎn)速跟隨最優(yōu)轉(zhuǎn)速,當電磁轉(zhuǎn)矩指令已知時,電機dq軸電流指令如下:</p><p><b> ?。?.4)</b></p><p> 由式(3.1)可
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