湖南工程學院畢業(yè)設(shè)計(風力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目： 風力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計 院： 電氣信息學院 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級： 1002 學號： 202101010218 學生姓名： 許 諾 導師姓名： 浣 喜 明 完成日期： 2021年5月 28日 誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計論文是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計論文中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計論文中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計論文任務(wù)書 題目

2、： 風力發(fā)電電能變換裝置的研究與設(shè)計 姓名 許諾 學院 電氣與信息工程 專業(yè) 電氣工程及其自動 班級 1002 學號 18 指導老師 浣喜明 教研室主任 謝衛(wèi)才 一、根本任務(wù)及要求： 針對風力發(fā)電系統(tǒng)用電能變換器的特殊要求，即輸入電壓小、電壓調(diào)整范圍大、輸入電流大、輸出要求不高，但要求可靠性高、效率高、價格低等，設(shè)計并研制一臺風力發(fā)電系統(tǒng)用電能變換器。輸出電壓：220V15;輸出功率：500W;效率：效率不小于91；功率因數(shù)：不低于0.93。采用電壓環(huán)和電流環(huán)實現(xiàn)雙環(huán)控制，以提高控制性能；具有過流保護、輸出過壓、欠壓保護 。主要的設(shè)計內(nèi)容如下： (1)整體方案確實定； (2)主電路設(shè)計與元器件

3、選擇； (3)控制系統(tǒng)硬件局部的設(shè)計； (4)控制系統(tǒng)軟件局部的設(shè)計。 (5) 提交設(shè)計說明書和圖紙。 二、進度安排及完成時間： 1第一周至第三周：查閱資料、撰寫文獻綜述和開題報告； 2第四周至第六周：總體方案確實定； 3第七周至第九周：主電路設(shè)計與控制電路設(shè)計； 4第十周至十二周：參數(shù)計算、元器件的選擇； 5第十三周至第十五周：撰寫設(shè)計說明書； 6第十六周：畢業(yè)設(shè)計辯論 目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc14159 摘要 PAGEREF _Toc14159 I HYPERLINK l _Toc19388 Abstract PAGEREF _Toc19388 I

4、HYPERLINK l _Toc8364 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc8364 1 HYPERLINK l _Toc10450 1.1 引言 PAGEREF _Toc10450 1 HYPERLINK l _Toc10781 1.2 研發(fā)背景及意義 PAGEREF _Toc10781 1 HYPERLINK l _Toc27383 1.2.1 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 PAGEREF _Toc27383 1 HYPERLINK l _Toc25699 1.2.2 中國風電的研究現(xiàn)狀及開展趨勢 PAGEREF _Toc25699 2 HYPERLINK l _Toc

5、26020 1.2.2 風力發(fā)電機組類型簡介 PAGEREF _Toc26020 3 HYPERLINK l _Toc29959 1.3 本文主要內(nèi)容及其設(shè)計思路 PAGEREF _Toc29959 6 HYPERLINK l _Toc14939 第2章 永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc14939 7 HYPERLINK l _Toc18712 2.1 引言 PAGEREF _Toc18712 7 HYPERLINK l _Toc5409 2.2 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc5409 7 HYPERLINK l _Toc19188 2.

6、3 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型 PAGEREF _Toc19188 8 HYPERLINK l _Toc5028 2.3.1 永磁同步電機概述 PAGEREF _Toc5028 8 HYPERLINK l _Toc4940 2.3.2 永磁同步電機原理 PAGEREF _Toc4940 8 HYPERLINK l _Toc32413 2.3.3 永磁同步電機數(shù)學模型 PAGEREF _Toc32413 9 HYPERLINK l _Toc22396 2.4.1 升壓式Boost變換器 PAGEREF _Toc22396 12 HYPERLINK l _Toc12125 第3章 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)

7、的電路分析 PAGEREF _Toc12125 14 HYPERLINK l _Toc10090 3.1 概述 PAGEREF _Toc10090 14 HYPERLINK l _Toc2724 3.2 三相二極管整流電路 PAGEREF _Toc2724 14 HYPERLINK l _Toc24452 3.3 BOOST升壓電路 PAGEREF _Toc24452 16 HYPERLINK l _Toc810 3.3.1 Boost 控制結(jié)構(gòu)圖 PAGEREF _Toc810 16 HYPERLINK l _Toc6044 第4章 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略 PAGEREF _Toc604

8、4 18 HYPERLINK l _Toc27014 4.1 最大功率追蹤法控制方案 PAGEREF _Toc27014 18 HYPERLINK l _Toc23986 4.1.1 控制方案概述 PAGEREF _Toc23986 18 HYPERLINK l _Toc15459 4.2 并網(wǎng)運行控制策略 PAGEREF _Toc15459 20 HYPERLINK l _Toc17379 4.3 雙環(huán)控制 PAGEREF _Toc17379 22 HYPERLINK l _Toc787 4.4 DSP簡述與選型 PAGEREF _Toc787 22 HYPERLINK l _Toc1718

9、8 第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc17188 25 HYPERLINK l _Toc19971 5.1 基于MATLAB/Simulink 環(huán)境下的仿真研究 PAGEREF _Toc19971 25 HYPERLINK l _Toc16487 5.1.1 MATLAB/Simulink概述 PAGEREF _Toc16487 25 HYPERLINK l _Toc12385 5.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 PAGEREF _Toc12385 26 HYPERLINK l _Toc5569 5.3 系統(tǒng)軟件框圖 PAGEREF _Toc5569 27 HYPERLINK l _Toc30

10、220 第6章 仿真驗證 PAGEREF _Toc30220 29 HYPERLINK l _Toc6747 6.1 仿真總體模型 PAGEREF _Toc6747 29 HYPERLINK l _Toc14991 6.1.1 仿真分析 PAGEREF _Toc14991 30 HYPERLINK l _Toc23676 結(jié)束語 PAGEREF _Toc23676 33 HYPERLINK l _Toc12613 參考文獻 PAGEREF _Toc12613 34 HYPERLINK l _Toc31915 致謝 PAGEREF _Toc31915 36 HYPERLINK l _Toc432

11、7 附錄 PAGEREF _Toc4327 37 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)電中的一個開展趨勢。而在變速恒頻風力發(fā)電中，又向著直驅(qū)化方向開展，但直驅(qū)風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能存在著電壓幅值和頻率隨風速變化、功率不穩(wěn)定等諸多問題。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)控制的根底上，確立波永磁同步發(fā)電機、AC-DC-AC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)

12、，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，根本上實現(xiàn)可靠性高，電壓調(diào)節(jié)范圍大，效率等目標。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng)；AC-DC-AC變換器；控制策略；雙閉環(huán)調(diào)節(jié)；仿真 The research and design of the wind power electricity transformation mechanismAbstract：Wind energy is renewable energy widely used by more and more people attention, t

13、he variable speed constant frequency wind power generation is the trend of modern wind power development. In variable speed constant frequency wind power generation, the direct driving direction system, which is a direct-drive wind turbines generate electricity voltage amplitude and frequency change

14、 with wind speed. Obviously power is unstable, and many other problems. To solve the above problems, this paper proposed the direct drive that the key technology in the field of variable speed constant frequency wind power generation has carried on the comprehensive study from theory to simulation a

15、nd analysis, the detailed analysis of the characteristics of the direct drive wind power system and wind power system control. on the basis of the establishment of permanent magnet synchronous generators, matrix converter main circuit topology, based on space vector modulation of matrix converter is

16、 proposed algorithm, the algorithm can achieve good voltage amplitude power factor adjustment, the system main circuit is mainly the double closed loop outer ring, internal ring current (voltage) to realize electricity power regulation, in order to improve the system control performance, the design

17、of the system through the voltage protection circuit, verified by the simulation, the system can well run, basically to achieve high reliability, large range of voltage regulation and efficiency goals.Keywords: Wind power generation system; AC-DC-AC converter; System modulation; Double closed loop r

18、egulation; The simulation 第1章 緒 論1.1 引言 穩(wěn)定、可靠和潔凈能源供給是人類文明、經(jīng)濟開展和社會進步的重要保障，煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀和20世紀兩百年人類文明的進步和開展。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。21世紀是科技、經(jīng)濟和社會快速開展世紀，也將是從化石燃料時代向具有持續(xù)利用能力可再生能源時代過渡，如何實現(xiàn)能源可持續(xù)開展，從而保持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)開展，已經(jīng)成為世界各國必須解決問題。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。風力發(fā)電是近期內(nèi)技術(shù)成熟、

19、具有大規(guī)模開展?jié)摿稍偕茉醇夹g(shù)，在遠期有可能成為世界重要替代能源。開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2021年和2050年不同階段可再生能源開展目標，同時跟進有澳大利亞、日本、加拿大等興旺國家，甚至還有印度、巴西、泰國等開展中國家。風電是可再生能源技術(shù)中最成熟的一種，對于應(yīng)對那些傳統(tǒng)能源有關(guān)迫在眉睫環(huán)境和社會影響，風力發(fā)電是個切實可行、立竿見影解決方案1。1.2 研發(fā)背景及意義1.2.1 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。面對化石燃料日益枯竭的威脅，人們都在討論后續(xù)能源的續(xù)接問題。美國的氫技術(shù)、日本

20、的陽光方案、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。在各種各樣的選擇中，風電也許是最值得考慮的選擇。歐盟風能協(xié)會和綠色和平組織?風力12：關(guān)于2021年風電到達世界電力總量 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。也許僅僅依靠風電，不能完全解決這些問題，但是它可能是解決問題，主要技術(shù)選擇之一。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，到達的實用階段。美國20世紀30年代還有許多電網(wǎng)未通達地方，獨立運行小型風力發(fā)電機組，在實現(xiàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大作用。20世紀70年代，

21、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，承當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，沒有能夠開展為商業(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。風電繼續(xù)呈現(xiàn)地區(qū)開展多樣化特點。到2006年底，風電開展已涵蓋世界各大洲，并呈快速增長態(tài)勢。風電裝機超過100萬千瓦的國家已由2005年11個增加到13個，其中8個歐洲國家德國、

22、西班牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙、法國、3個亞洲國家印度、中國、日本和2個美洲國家美國、加拿大。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)開展新生力量，預(yù)計在不遠將來還有更大增長。與此同時，世界前五位風電市場的德國、西班牙、美國、印度以及丹麥風電裝機占世界份額呈下滑趨勢，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份額由79%降至53%。1.2.2 中國風電的研究現(xiàn)狀及開展趨勢 我國在20世紀50年代，就有過研制風力發(fā)電機組活動。但有實用價值新型風力機研制到6070年代，才開始起步。70年代以后開展較快，在裝機容量、制造水平及開展規(guī)模上，都居于世界前列。近年來，和光伏電池配合的

23、，風光互補系統(tǒng)，容量可達數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦，能完成給，農(nóng)牧民家庭，以及海島、邊防站、通訊臺站、輸油管道站點等重要設(shè)施，獨立供電任務(wù)，已逐步得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用3。為了扶持風電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)開展，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。這些行動主要有：承風方案、雙加工程、國債風電工程、風電特許權(quán)工程4等。風力發(fā)電技術(shù)，開展趨勢是：單機容量不斷增大，利用效率提高，世界上主流機型。已經(jīng)從2000年的 5001000kW增加到。2004年的23MW，2004年底5MW 的風機。進入試運行階段，并已經(jīng)開始10MW風機的設(shè)計和研制。機組槳葉的增大，具有更好地捕捉，風能能力，在風力

24、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。既減輕重量、降低費用，又提高效率；塔架高度上升，在50m高度捕捉風能要比 30m高處多20%；變槳距調(diào)節(jié)方式迅速，取代失速功率，調(diào)節(jié)方式，變速恒頻并網(wǎng)機組，能隨風速大小隨意旋轉(zhuǎn)，已經(jīng)開展成為當今主流產(chǎn)品，無齒輪箱系統(tǒng)，市場份額也在迅速擴大；海上風力發(fā)電技術(shù)取得進展。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在，建設(shè)大規(guī)模的海上風電場工程。同等容量的裝機，海上比陸地上本錢增加60%，但電量增加 50%以上，并且，每向海洋前進10千米，風力發(fā)電量增加30%左右，隨著風電技術(shù)水平，不斷提高，經(jīng)濟性也逐漸提高。1.2.2 風力發(fā)電機組類型簡介 風能是一

25、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。風速變化會引起風力機轉(zhuǎn)速的變化，如果沒有必要機械或電氣控制，那么由風力機驅(qū)動交流發(fā)電機轉(zhuǎn)速也將隨之改變，因而發(fā)電機輸出電壓及頻率都，將不是恒定的。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)的飛速開展，風力發(fā)電技術(shù)的開展極為迅速?？刂品绞綇膯我欢嗍倏刂?，向全槳葉變距變速控制開展，以至于向智能型控制方向開展。風力發(fā)電機組的控制技術(shù)從機組的定槳距恒速運行，開展到基于變槳距技術(shù)的變速運行，已經(jīng)根本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向

26、電網(wǎng)提供電力，到理想地向電網(wǎng)提供電力最終目標。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3，并對它們優(yōu)缺進行了概述。1.2.2.1 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。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，已被電力系統(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)速性能很難到達，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。該系統(tǒng)

27、需要調(diào)速機構(gòu)和勵磁機構(gòu)，對同步發(fā)電機頻率、電壓和功率進行有效的控制，否那么可能會造成無功振蕩與失步，重載下尤為嚴重。近年來隨著電力電子技術(shù)開展，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。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。為了捕獲最大風能，風力機的功率控制。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)。 圖1-1 三相同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)1.2.2.2 雙饋風力發(fā)電

28、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1-2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)，按最正確參數(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)

29、轉(zhuǎn)動，使葉片槳距角增大，攻角減小，從而減小翼型的升力，到達控制風力機葉片扭矩和限制風機捕獲的功率。 圖1-2 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，我國已有局部地區(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)勢表達在：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

30、，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(fù)雜，機組價格昂貴。1.2.2.3 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

31、的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑，尺寸大大增加，而其軸向長度那么相對很短，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1-3所示。 圖1-3 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(fù)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

32、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)計逆變器局部。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E-82采用變速變槳距無齒輪直接驅(qū)動技術(shù)。1.3 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

33、，最重要局部便是風力發(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、更平安地利用風能，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)容有第一章 緒論 概述了風力發(fā)電電能變換裝置的開展現(xiàn)狀、及其研究意義，系統(tǒng)主要分類，以及優(yōu)缺點。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。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)。第四章 分析了直驅(qū)式風力發(fā)電的控制策略。第五章 分析了直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案第六章 作出了仿真驗證本文理論局部。結(jié)束語 闡述了本文的工作以及缺乏。

34、 第2章 永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)總體方案2.1 引言在風力發(fā)電系統(tǒng)中，將風能轉(zhuǎn)換為電能的最重要局部便是風力發(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、更平安地利用風能，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

35、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)。2.2 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 如圖2-1所示 圖2-1 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，獲得的直流電壓比擬平穩(wěn)，經(jīng)過DC-DC 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

36、發(fā)電系統(tǒng)。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)的本錢，控制結(jié)構(gòu)比擬簡單，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。2.3 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型2.3.1 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

37、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，獲得比擬平滑的直流電壓，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)電機組的開展。用永磁同步電機發(fā)電是當今

38、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。2.3.2 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。其根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

39、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，那么電機三相電流被強制為梯形波電流。為了降低發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動，那么要求發(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根底，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正確電壓和電流，滿足負載的需要，以到達節(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，那么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2-1可知，為了發(fā)電機輸出

40、功率平穩(wěn)，減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，那么發(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2-1所示。每相之間互差120電角度1618。電磁功率如式2-1所示 2-1電磁轉(zhuǎn)矩如式2-2所示 2-2 圖2-1 三相定子繞組感應(yīng)電動勢波形2.3.3 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根底上開展起來的，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1618，其等效電路如圖2-2所示。 圖2-2 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

41、，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2-3表示 由于定子三項繞組對稱，有 ，那么 那么式2-3可以得出假定 那么式2-3可以得出 式中、三相感應(yīng)電動勢，單位 V； 、三相對中性點的電壓，單位 V 、三相電流，單位 A 、各相繞組自感，單位 mH； 、為繞組之間的互感，單位 mH； R各相繞線電阻，單位根據(jù)電氣根底知識可以得到： 式中 發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位 Nm； 負載轉(zhuǎn)矩，單位 Nm； 阻力系數(shù)，單位 kgm； 轉(zhuǎn)動慣量，單位 kgm；永磁同步發(fā)電機通過三相整流橋和大電感濾波之后，從整流級輸出測看進去，它不但擁有直流發(fā)電機的電壓波形平穩(wěn)優(yōu)點，而且也具有了壽命長、效率

42、高的特點。從而更加適合在大型風力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。梯形波永磁同步發(fā)電機和同步發(fā)電機相比，具有電壓調(diào)整率低、電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點，和直流發(fā)電機相比，具有無機械換向裝置、換向容易、使用壽命長等優(yōu)點?？梢哉f這種新型發(fā)電機集直流發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機，優(yōu)點與一體而又摒棄了它們?nèi)狈Α７抡嬖囼炞C明這種直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調(diào)整率低，輸出紋波小，可以軟起動等特點。2.4 直流升壓電路本文中采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機，將發(fā)出的電壓和頻率隨風速變化的交流電，通過三相二極管整流橋整流，經(jīng)過濾波電路，得到比擬平滑直流電速下，捕獲的能量缺乏以到達并網(wǎng)條件。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風速條件下運行，需要使用直流變升壓電路，將電壓

43、變換為逆變裝置所需要電壓，然后并網(wǎng)，以此到達提高系統(tǒng)效率的目的。DC-DC 變換器按照電路拓撲結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：不隔離的直流變換器和帶隔離的直流變換器，兩者最根本的功能都是變壓。帶隔離的直流變換器有單管的正激式forward和反激式flyback，多管的推挽push-pull converter、半橋half-bridge、全橋full-bridge直流變換器等。不隔離的直流變換器有4種根本的拓撲，它們是降壓式Buck變換器、升壓式Boost變換器升降壓式Buck/Boost變換器和Cuk變換器等。2.4.1 升壓式Boost變換器1電路的拓撲結(jié)構(gòu)Boost 變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓

44、的單管非隔離直流變換器。圖 2-3給出了它的電路圖。通過控制開關(guān)管 S 的導通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。 圖2-3 升壓電路拓撲2工作原理 本文只研究電感電流連續(xù)情況。如圖 2-6 所示，在0，T1區(qū)間，開關(guān)管 S處于導通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流 Li呈線性增長。二極管D截止，電容C向負載供電，電流流過電感。由于輸出濾波電容電壓保持不變，那么電感兩端呈現(xiàn)正電壓 UL=VinVdc，在該電壓作用下電感中電流Li線性増長，直到 T1時刻，Li到達最大值。在開關(guān)管導通期間，電感電流的增量為 在T1，T區(qū)間，開關(guān)管 S 關(guān)斷，iL經(jīng)過二極管D流向輸出側(cè)，電源與電感所儲存的能量給C

45、充電，電感上的電壓 Vdc Vin0 ，故iL線性衰減，直到 T時刻，iL到達最小值。在S截止期間期間，電感電流的減小量為 2-9 穩(wěn)態(tài)工作時，S導通期間電感電流的增長量等于S截止期間的減小量。由式2-8與式2-9可得 2-10由式2-10可知，輸出電壓與輸入電壓的比值始終大于等于1，即輸出電壓高于輸入電壓。 第3章 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析3.1 概述 在本文中，采用風力機直接驅(qū)動低速永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生電能。直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力機與交流發(fā)電機之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修費用，降低了噪聲。其發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)是將發(fā)電機發(fā)出的電壓與頻率隨風速變化的三相交流電通過

46、三相二極管整流橋整流成直流，經(jīng)過濾波電路之后，使用DC-DC升壓裝置變換為逆變電路所需要的恒定電壓，通過協(xié)調(diào)各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，到達捕獲最大風能的目的。為了有效的利用隨時變化的風能，本文提出一種新型的風電控制系統(tǒng)。從理論上分析了這種風力發(fā)電系統(tǒng)，其主電路是由發(fā)電機和斬波電路的等效電路組成，發(fā)電機的輸出功率和直流輸出電壓的特性表達式與斬波電路的占空比以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速之間成某種函數(shù)關(guān)系，其在下文有詳細介紹。因此，把發(fā)電機的輸出功率與斬波電路的占空比區(qū)分開來，理論上推導出通過控制斬波電路的占空比來獲得最大功率。直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 3-1 所示。 圖3-1 風力發(fā)電系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)是由梯形

47、波永磁同步發(fā)電機、三相二極管整流電路、斬波電路、逆變電路組成。為了實現(xiàn)高效和簡化功率轉(zhuǎn)換電路，采用永磁體勵磁三相同步發(fā)電機，效率較高，產(chǎn)生的交流功率通過三相二極管整流成直流功率。二極管整流具有功率因數(shù)高，不需要額外的控制電路，增強了可靠性。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉(zhuǎn)換成交流電能后并網(wǎng)。3.2 三相二極管整流電路 在眾多的電力電子變換電路中，采用三相二極管全橋整流電路用于AC-DC-AC變換中，其優(yōu)點在于：1結(jié)構(gòu)簡單，采用六個二極管組成不可控整流橋，不需要額外的控制電路。2價格低廉，可靠性高。其缺點在于電流波形不能夠控制，且電力電子器件會向交流側(cè)注入諧波電流。永磁同步發(fā)電機的輸出

48、直接連接到三相二極管整流橋，如圖3-1所示。假設(shè)電流處于連續(xù)狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，發(fā)電機發(fā)出的三相交流功率通過整流橋整流為直流功率，即 3-1式中、分別為直流側(cè)端電壓和電流，、 ，Ua、Ub、Uc分別為發(fā)電機的各相電壓和電流。 圖3-2 永磁同步電機a相等效圖在整流期間，由于電感的存在，將會影響整流電路的平均輸出電壓。為了計算整流后的平均輸出電壓，假設(shè)電機轉(zhuǎn)速恒定，且整流橋的輸出電流id恒定，等于輸出電流的平均值iL，為了簡化模型，初始條件下，忽略電感電阻的影響。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下： 3-2由 的假設(shè)條件可以得： 3-3 把式3-3代入3-2可得： 3-4在換向期間，

49、假設(shè)三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為U，通過下式計算可得： 3-5把式3-4代入3-5可得 3-6式中E為感應(yīng)電動勢，單位V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機相電流 ia，即 3-7假設(shè)在t=0時刻，電流的初始值等于輸出電流平均值iL，那么 3-8因此，三相二極管整流橋輸出直流平均電壓為 3-93.3 BOOST升壓電路3.3.1 Boost 控制結(jié)構(gòu)圖 為了最大限度地利用風能，使直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個較寬的風速范圍內(nèi)，即使系統(tǒng)在較低的風速時也可以工作，如果輸出電壓較低，是不可能進行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入DC-DC升壓電路。由于永磁同步發(fā)電機輸出電壓的有效值近似正比于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，當

50、發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于直流電壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機輸出電流增大，制動力矩增加，電機減速，輸出電壓降低；相反，電機加速，輸出電壓升高，最終使得風輪機工作于給定的葉尖速比。因而發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過不可控整流后，直流電壓值和轉(zhuǎn)速也近似成正比，因此當風速較低時，直流電壓會很低；然而風力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的，這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程，進而無法將功率饋入電網(wǎng)。同時如果沒有DC-DC升壓電路，也會使系統(tǒng)消耗較高的無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動。所以需要引入DC-DC升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。 Boost電路的根本結(jié)構(gòu)和控制示意圖如圖3

51、-3所示。直流變換器的控制電路是由兩局部組成：從三相二極管整流橋整流后變化的直流電壓；另一個是逆變電路前的恒定直流電壓。通過改變 DC-DC變換電路的占空比，來控制發(fā)電機整流橋局部的端電壓。該控制的目的是為了控制永磁同步電機的速度，使其跟隨風速的變化，從風中捕獲最大風能，從而跟隨最正確功率曲線。 圖 3-3 Boost 電路控制示意圖根據(jù)第二章可知，式2-8中給出了直流變換電路的狀態(tài)方程，由于輸入功率等于輸出功率：Pi=Po，由不可控整流器輸出電壓公式可以得到 3-10 產(chǎn)生PWMPulse Wide Modulate脈沖的原理如圖3-4所示。在 PWM 控制方式中，開關(guān)控制信號由比擬器產(chǎn)生。

52、如圖3-4所示，將調(diào)制信號u2與載波信號u1進行比擬得到開關(guān)控制信號?？刂齐妷耗敲从烧`差放大器得到，由此可見，通過控制開關(guān)占空比即可控制輸出電壓。 圖3-4 PWM產(chǎn)生原理 第4章 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略4.1 最大功率追蹤法控制方案4.1.1 控制方案概述在許多雜志和論文中，直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤算法已被廣泛的研究。該方法在光伏發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的研究。盡管這種算法是建立在不同功率轉(zhuǎn)換硬件結(jié)構(gòu)的根底上，但按其根本原理可以分為以下三種：葉尖速比控制、功率信號反應(yīng)控制、爬山搜索法。葉尖速比控制：葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最正確特性曲線上，這樣在任何風速下，都能夠獲得最大功率。

53、如圖3-5所示，在該系統(tǒng)中，需要測量風速與風力機轉(zhuǎn)速，作為控制系統(tǒng)的輸入信號，通過計算或?qū)嶒灚@得最正確葉尖速比的特性曲線。該控制器的結(jié)構(gòu)比擬簡單，要求測量的風速需要與作用在槳葉上的風速有良好的關(guān)聯(lián)性。 圖4-1 2功率信號反應(yīng)控制功率信號反應(yīng)控制需要采用查表法或者需要預(yù)先知道轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的輸出功率之間關(guān)系4344。功率信號反應(yīng)控制的原理如圖3-6所示。 圖4-2 假設(shè)原來在風速 V1下風力機穩(wěn)定運行在最正確功率曲線 P1上，對應(yīng)著該風速下的最正確轉(zhuǎn)速1 ，此時發(fā)電機輸出的功率等于風力機捕獲的機械功率乘以系統(tǒng)效率。如果某一時刻風速突然升高到V2，風力機獲得的功率就會由點P1躍變至P2由于大的機械

54、慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速仍然運行1點，此時風力機捕獲的機械功率大于發(fā)電機輸出的功率，功率的不平衡，將導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高。在這個變化過程中，風力機和發(fā)電機將分別沿著風速V2下的功率曲線軌跡運行。當運行至發(fā)電機功率曲線和最正確功率曲線的交點時，功率將重新到達平衡。此時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對應(yīng)于該風速下的最正確轉(zhuǎn)速，發(fā)電機輸出的最正確功率為P0。同理，也可以分析風速從高到低變化，最大風能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程。其控制的根本結(jié)構(gòu)如圖 4-3所示。 圖4-3 功率反應(yīng)控制3爬山搜索法爬山搜索法的根本原理如圖4-4所示。該方法無需測量風速，也不需要事先知道具體風力機的功率特性曲線，而是施加

55、人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最正確轉(zhuǎn)速點。其追蹤最大風能的原理：計算當前風力機的功率P0，并和上個控制周期的風力機功率比擬，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值d反號，否那么保持其符號不變。最后將當前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說，當風機的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加或減小的方向不變，當風力機的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動d反號。 圖4-4 爬山搜索法4.2 并網(wǎng)運行控制策略 本節(jié)給出了直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行逆變控制策略，鑒于時間的原因，并沒有對該系統(tǒng)的

56、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行仿真，以下給出了其根本控制方案。其根本示意圖如圖4-5所示。逆變器為正弦脈寬調(diào)制SPWM整流器，提供固定頻率、可變電壓控制。采用絕緣門極雙極性晶體管IGBT，該器件是一種復(fù)合器件，其輸入控制局部為MOSFET，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管；因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達 1040kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，平安工作區(qū)域?qū)挕?圖4- 5逆變電路示意圖 由于變速風力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當它將電能輸送給電網(wǎng)時會產(chǎn)生電力諧波使功率因素惡化。因此在變速風力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間需要一個電力電子接

57、口，該接口在驟變的風況條件下具有快速的動態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。對電力電子接口的具體要求是：1在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；2具有單位功率因數(shù)或可控制的功率因數(shù)；3使發(fā)電機輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；4向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率；5系統(tǒng)控制簡便；發(fā)電機并網(wǎng)時需要滿足一定的條件，即發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和相位分別一致，風力發(fā)電機組的并網(wǎng)也不例外。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身產(chǎn)生的沖擊。在理想情況下，滿足這些條發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電流為零，即沒有功率交換，發(fā)電機實現(xiàn)空載并網(wǎng)。如果逆變器的輸出功率不能與風力機捕獲的能量保持一致，那么功率差必

58、然表現(xiàn)在該裝置的中間直流變換環(huán)節(jié)。即如果風力機捕獲的風能大于逆變器的輸出功率，那么直流環(huán)節(jié)電壓增加，反之那么減小。所以中間直流環(huán)節(jié)電壓的值可以反映該裝置的輸出、輸入功率的平衡狀態(tài)。對逆變器來說，中間環(huán)節(jié)的直流電壓過高或過低都是有害的，其變動范圍應(yīng)是有限制的。這就需要控制逆變器的輸出功率，以及對直流變換電路的控制，使風力機捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個動態(tài)平衡。 考慮到需要并入的電網(wǎng)電壓，逆變器輸出電壓的頻率、幅值和相位跟蹤電網(wǎng)電壓當考慮由于電感的原因，逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在一定的相位關(guān)系，可以通過鎖相環(huán)測出它們之間的相角。無論何種情況，對于的電網(wǎng)電壓，都可以得到需要逆變器實現(xiàn)的每相

59、輸出電壓的波形。為了便于分析和表達，認為要求逆變器輸出各相電壓跟蹤電網(wǎng)電壓波形。在并網(wǎng)前，當風速和電機速度不斷變化時，此時逆變器并不以獲得最大風能為控制目標，而是希望逆變器輸出各相電壓跟蹤電網(wǎng)各相電壓為控制目標進行工作。用電壓傳感器檢測電網(wǎng)和發(fā)電機電壓的頻率、幅值和相位，采用閉環(huán)PI控制，當檢測到電壓相位完全一致時，滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)。逆變控制示意圖如圖4-6所示。 圖4-6 逆變控制示意圖 電網(wǎng)的總負載中，除了需要有功功率，有的負載還需要無功功率，如感應(yīng)電動機和變壓器等都需要感性的無功功率。整個電網(wǎng)要是無功功率補償?shù)貌粔颍蜁е码娋W(wǎng)的電壓下降，這對用戶是很不利的。因此同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)后

60、，不僅能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而且能向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這是它的一個很大的優(yōu)點。 4.3雙環(huán)控制早些年,PWM逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定,這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定,不能保證輸出電壓的波形質(zhì)量,特別是在非線性負載條件下輸出電壓諧波含量大,波形失真嚴重;另一方面,電壓有效值外環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)過程十分緩慢,在突加、突減負載時輸出波形波動大,恢復(fù)時間一般需要幾個甚至幾十個基波周期。瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形,使得供電質(zhì)量大大提高。其中,應(yīng)用較多的有:電壓單環(huán)PID控制,電壓電流雙環(huán)控制,滯環(huán)控制,重復(fù)控制,滑模變結(jié)構(gòu)控制等。目