1、I风力发电系统中的电力电子变流技术摘 要风力发电变流系统是将风力发电机经励磁调节后输出的电压恒定、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要的组成部分。它能实现对发电机输出的电压、电流、有功功率和无功功率等参数的快速动态调节，提高系统的功率因数，减少对电网的谐波污染，是当前风力发电技术的研究热点之一。本论文在对风力发电机组的结构、工作原理、关键技术分析的基础上，对 850 千瓦风力发电机组的变流器及其控制系统进行了研究。论文首先分析了风力发电变流技术研究的背景和意义，介绍了风力发电系统的组成结构及其各部分的工作原理。同时，介绍了变速恒频风力发电系统的发展现状，阐
2、述了定桨距型和变桨距风力发电系统的功率调节原理，综述了风力发电技术的发展趋势。然后，对风力发电机组的励磁系统做了简要的概述，在比较了多种励磁方案后设计了无刷励磁控制系统。紧接着，论文分析了系统要求，通过比对当前开关器件功率水平、成本以及控制策略，选择了不控整流和 PWM 逆变的变流系统。在对不同滤波器结构的并网变流器控制系统进行研究后，提出了“直接电流控制”方法对网侧变流器进行控制，根据直接电流控制原理建立了 PWM 逆变器的数学模型，并通过Matlab/Simulink 仿真验证了控制方法的正确性。关键词：风力发电，变速恒频，并网变流器，变流技术IIThe Research on the P
3、ower Electronic Conversion Technique of Wind Power Generation SystemsABSTRACTWind power converter system is the equipment which translate the wind generator output power into constant voltage constant-frequency power, is an important component part in the wind power system. Wind power converter syst
4、em has the characteristic functions as follows: fast and dynamical adjusting the parameters, such as voltage, current, real power, reactive power and so on, improve the power factor, reduction of the grid harmonic pollution, is the current focus of the Wind power technology study. This paper analysi
5、s the wind power generations structure, working principle and key technologies, designed the converter of 850 kilowatt wind power generation systems.At first, this paper introduces the background and significance of the wind power converter technology, introducing details of the wind power generatio
6、n systems composition and working principle. Then introduce the status of VSCF wind power generation system, analyses the Principle of stall regulation and pitch regulation system. Secondly, this paper introduced the excitation system of wind power generation roughly, and then chooses the Brushless
7、Excitation system following compare many kinds of excitation systems. Following, this paper analyses the requirement of system and practical condition, and so select the uncontrolled rectifying and PWM inverter system. According to different out-filter used in grid-connected inverter, different curr
8、ent control strategy by using different variable is compared. Then this paper proposes a DIRECT CURRENT CONTROLL STRAREGY , and establishes the PWM inverter model. In the last, this paper confirmed the control method accuracy through the Matlab/Simulink simulation.KEY WORDS: wind power, VSCF, grid-c
9、onnected inverter, Converter TechnologyIII目 录摘 要 IABSTRACTII1 绪论 11.1 风力发电系统中变流技术研究的背景和意义 11.2 风力机的运行原理 21.3 风力发电系统的结构 31.3.1 动力传输 31.3.2 风力发电系统的基本结构 41.4 国内外风力发电控制系统 61.4.1 变速恒频风力发电系统 71.4.2 风力发电系统的功率调节方式 101.4.3 风电技术的发展趋势 121.5 本文的研究内容 122 同步发电机简述 142.1 同步发电机的结构 142.1.1 同步发电机结构模型 142.1.2 同步发电机结构型式
10、 152.2 同步发电机工作原理 152.3 同步发电机的空载特性 162.3.1 相关知识 162.3.2 空载特性的测定 172.4 风力发电系统的的负载特性 182.5 小结 213 同步风力发电机励磁系统 223.1 同步发电机励磁系统概述 223.2 同步发电机励磁系统分类 243.2.1 直流励磁机励磁方式 243.2.2 它励交流励磁机方式 253.2.3 无刷励磁方式 263.2.4 静止励磁方式 273.3 对 励 磁 系 统 的 基 本 要 求 283.4 励 磁 系 统 设 计 方 案 283.5 小 结 30IV4 风力发电系统中的电力电子变流技术 314.1 系 统
11、的 需 求 分 析 和 总 体 设 计 方 案 314.1.1 850 千瓦风力发电变流系统的需求分析 314.1.2 850 千瓦风力发电机的技术参数 314.1.3 主电路结构设计 324.1.4 工作原理 324.1.5 逆变系统结构图 334.2 三 相 电 压 型 PWM 并 网 变 流 器 设 计 和 控 制 原 理 344.2.1 并网变流器电流控制方法 344.2.2 直接电流控制原理 354.2.3 并网变流器电流环设计 354.3 PWM 逆 变 器 的 数 学 模 型 374.3.1 逆变器相关知识以及滤波电感的选择 374.3.2 PWM 逆变器的数学分析 384.4
12、坐标变换的相关知识 404.5 相关参数参考值 414.6 仿 真 中 用 到 的 几 个 模 型 的 建 立 424.6.1 变流器结构 424.6.2 滤波环节 434.6.3 控制模块 434.7 变流器的的仿真分析 454.8 小 结 47结论与展望 48致 谢 49参 考 文 献 50附录 51风力发电系统中的电力电子变流技术 11 绪论1.1 风力发电系统中变流技术研究的背景和意义能源是支持世界经济发展的重要因素和战略资源。人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关。每一次新能源的开发都使人类经济的发展产生质的飞跃。再 21 世纪，世界能源结构也正孕育着重大的转变。20 世纪
13、的两次世界范围内的石油危机，已经使人们意识到寻求和发展可以替代石化燃料的其它能源的重要性和紧迫性。同样，大量使用化石燃料对自然环境产生严重的污染和破坏。在过去 20 年中，全世界能源消耗增长了 50%，到 2020 年全球能源消耗还将增长 50%-100%，由此所造成的温室效应气体排放将会增加 45%-90%，从而带来灾难性后果。能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。人类正在努力寻求清洁、高效、可以再生的能源来代替对石油、煤炭等常规能源的依赖。可再生能源大都直接或间接来自太阳，包括太阳能、风能、水能、生物能和地热能等，是洁净能源，对环境不产生或很少产生污染。开发利用可再生能源成为世界能源
14、可持续发展战略的重要组成部分，成为大多数发达国家和部分发展中国家 21 世纪能源发展战略的重要选择。在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。同时风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组的装机容量也越来越大，单机容量由500750kW 量级增大到 10002000kW 量级，目前已研制成功单机 5000kW 的风力机。风力发电机组的运行方式也由独立运行发展到并网运行。在并网型风力发电系统中要求发电机输出恒压、恒频的交流电，传
15、统的解决办法是采用失速调节或者混合调节的风力发电机，以恒转速运行。这种方法控制控制简单可靠，但存在着风能利用率低的缺点。随着风力发电技术的迅速发展，采用大功率可控器件研制的变流器也越来越多的应用在风力发电系统中。变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要部件。随着微电子技术和电力电子技术的迅速发展，变流技术也从通过交直流发电机的旋转方式，发展到 20 世纪 6070 年代的晶闸管逆变技术，而 21 世纪的变流技术多采用了 MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发
16、展到单片机以及数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于变流技术的领域，变流技术的应用领域也达到了前所未有的广阔。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的风力发电变流系统，是风力发电技术的研究重点，具有重陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2要的意义。1.2 风力机的运行原理风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风力机及其制系统将机械能转换为电能，是风力发电系统中的关键部件之一，直接影响着整个风力发电统的性能、效率，风力机的变桨距功率调节技术和变速恒频技术是
17、今后风力发电技术的发展趋势。下面介绍一下风力机的运行特性和功率调节特性。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数：（1-1）pC风 轮 机 输 出 的 机 械 功 率输 入 风 轮 面 内 的 功 率所以风力机输出的机械功率为：（1-2）31P=2pvSC式中 ：风力机实际获得的轴功率，单位为 ；PW：空气密度，单位为 ；3kgm：叶轮的扫风面积，单位为 ；S2：上游风速，单位为 。/s风能利用系数 反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、PC叶轮直径、桨距角均有关系的量。为了便于讨论风力机的特性，定义风力机的另外一个重要参数
18、叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比。叶尖速比 可以用下式表示：（1-3）wRv式中 ：叶轮半径，单位为 ；Rm：风力机的机械转速，单位为 。/rads风力机可以分为定桨距和变桨距两种。变桨距风力机的特性曲线通常由一簇功率系数 的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比的函数，如图 1-1 所示。PC风力发电系统中的电力电子变流技术 3图 1-1 风力机的特性曲线曲线是桨距角 的函数，从上图可以看到 曲线对桨距角的变化规律：()PC()PC当桨距角增大时 曲线将显著减小。可以看出,对于一台确定的风力机,在桨叶节距()P角 不变时总有一个对应着最佳功率系数 的最佳叶尖速比 ,此时风力机的
19、转换 maxPopt效率最高。换而言之,对于一个特定的风速 v,风力机只有运行在一个特定的转速 下才会有最高的风能转换效率。如果保持桨叶节距角 不变，风能利用系数 只与叶尖速比 有关系，则可用一PC条曲线描述 特性，这就是定桨距风力机的特性曲线。()PC恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然 不可能保持在最大P值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能，这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。风力机的整体设计和相应的运行控制策
20、略应尽可能追求 最大，从而增加其输出PC功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制：一方面是电气回路中元器件的功率限制；另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态：保证恒定 ，控制风力机转速(维持 不变)直到转速达到极限；PC风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使 具有较大数值，直到最大输出功率；P当风速过大，输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。1.3 风力发电系统的结构1.3.1 动力传输叶片把流动的风能转换为转动的动能，通过叶片和轮毂组合的风轮传送给发电机，陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4完成从动能到电能的转换
21、。按不同的驱动方式划分，风力发电机又可以划分为齿轮驱动、直接驱动和混合驱动。齿轮驱动的风电技术，齿轮箱和主轴既是关键部件又是易损部件，既需要高质量的材料，也需要高质量的制造、安装和维护技术。自大型的风力发电机问世以来，已有上千台风力发电机更换了齿轮箱。齿轮驱动技术目前是风力发电机的主流产品。目前，齿轮传动技术单机容量最大的风电机组是由德国 REPower 公司生产的，容量 5 兆瓦，风轮直径达到 130 米，安装在 120 米高的塔架上。预计 2010 年将开发出 10 兆瓦的风电机组。为了减少传动部件，人们发明了直接驱动的风力发电技术。风轮与电机直接连接，依靠发电机的改型，降低发电机的转速，
22、以适应低转速风轮技术。一种直驱发电机是传统的异步电机，有转子花环和转子激磁电路；另一种直驱发电机采用了永磁电机。直驱发电机以风力发电机风轮的转速运行，并且二者直接连接而不通过齿轮箱。风力发电机的直驱传动系统，避免了齿轮箱的成本和维护，降低了传动系统的损耗。人们对他也越来越感兴趣。针对直驱式风力发电机的优缺点，人们又开发了一种采用单级增速装置加多极同步发电机技术的混合式风力发电机。它采用一级齿轮箱来增速，但并未达到六级发电机的转速。它可以被看成全直驱传动系统和传统解决方案的一个折衷。芬兰 Win-wind公司已开发出容量 1.1 兆瓦，风轮直径 56 米的混合式风电机组。3 兆瓦的机组也已经安装
23、完成，正在现场试验运行。预计 2010 年将开发出 10 兆瓦的风电机组。1.3.2 风力发电系统的基本结构风力发电系统通常包含风力机，无刷同步发电机，电力电子变流系统，控制及保护系统，并网变压器及断路器等，其结构如图 1-2 所示，其工作原理如下：风以一定的速度和攻角作用在风力机的桨叶上，使风力机产生旋转力矩从而转动，将风能转变成机械能，风力机带动与其同轴相连的无刷同步发电机转动，将机械能转变为电能，发出随风速的变化，幅值和频率都变化的交流电。发电机发出的交流电是不能直接并上电网的，需要经过变流装置将变压变频的交流电转化为与电网相位、频率一致的交流电然后通过升压变压器接入电网。下面对系统的几
24、个主要部分进行简要的介绍。风力发电系统中的电力电子变流技术 5G S电力电子变流系统无功补偿电力系统断路器 变压器风轮同步发电机变流器控制单元并网控制单元节距角控制单元偏航控制单元机组控制单元励磁控制系统齿轮箱图 1-2 风力发电系统结构示意图（1）风力机风力机是吸收风能并将其转化成机械能的部件。风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能。一般情况下，风轮的转速在每分钟十几转，而发电机的转速要每分钟 3000 多转，这一任务要齿轮箱来完成，因此齿轮箱又称为增速箱。在早期的定桨距风力发电机组中，风力机大多采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构。随着风力发电机组设计水平的
25、不断提高，在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组的设计中，开始采用变距风轮，桨叶和轮毂间通过可转动的推力轴承联接，提高了其在大风情况下的可靠性。（2）无刷同步发电机无刷同步发电机的运行原理与普通电励磁同步发电机相同，且电机结构更简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。在直驱型风力发电系统中，发电机运行在低速下，这样无刷同步发电机的转子级数必须大大多于普通发电机，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆环状。（3）控制及保护系统并网型风力发电机组作为一个独立运行的大系统，控制系统是不可缺少的。控制系统是由机组控制单元
26、，偏航和桨距角控制单元、变流器控制单元、并网控制单元等组成的集散控制系统。偏航和桨距角控制单元负责调整风力发电机组的迎风角和叶片的节距角，当风速过高，超过系统的额定功率时，变桨距系统调节桨叶节距角，使风力机的转速下降，将功率控制在额定功率以下；当风向变化时，偏航系统可以跟踪风向，使机组始终迎风工作，并且当系统因为多次对风而导致电缆缠绕时进行解绕操作；同步发电机的运行特性与它的空载电动势 值的大小有关，而 的值是发电机励磁EqEq陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6电流 的函数，改变励磁电流就可以影响同步发电机在电力系统的运行特性；变流器EFI控制单元用来对发电机输出的电能进行控制，将发电机发
27、出的变压变频的电能转变为恒压恒频的电能，经并网变压器并入电网，并在正常工作过程中接受主控制器的命令实现输出功率的控制，从而使机组工作在最佳风能捕获状态下；而机组主控制系统用于协调这些部件的工作，同时采集当前的外部参数（风速、转速、电网电压等） ，根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。在风力发电系统中，由于外部环境非常复杂，比如风力的不停变化以及电网的波动等各种问题，而发电机和变流器的运行决定了风力机的运行状况，因此，对发电机和变流器的保护是非常有必要的。变流器的保护系统需要不停的监视发电机和电网的电压、电流，直流母线的电压、电流等各种电气参数，并不断的将这些参数与其继电保
28、护设置相比较，只要有一个参数超出了继电保护的设置要求，保护系统将会中断变流器的运行。（4）并网变压器及断路器风力发电机组运行状态下需要与电网联接，而在停机状态下则需要与电网断开，这就需要能控制开关的并网变压器及断路器，实现发电机在运行和停机状态下与电网的隔离。同步发电机与电网并联合闸前，为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并网条件，这些条件是：风力发电机的端电压等于电网的电压；风力发电机的输出频率等于电网电压的频率；并网合闸的瞬间，风力发电机与电网的回路电势为零；风力发电机的相序与电网的相序相同。风力发电机组的并网过程如下：由风向传感器测出风向并使偏航控制器动作。使风力机对准风
29、向。当风速超过切人风速时。桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。在风力发电机被加速几乎达到同步速时。发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们的频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在 0 度和 360 度的范围内缓慢地变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时，使断路器合闸并网。以上过程可以通过微机自动检测和操作。1.4 国内外风力发电控制系统控制系统可以形象地比作风电机组的大脑。风力发电机的所有动作都是在由控制系统发出的命令的指挥下完成的。因此，控制技术是风电机组的最核心技术之一。目前对风力发电机的控制主要是功率调节和速度调节。从功率调节方式上划分，风力发电机又可以划分为定桨距和变桨距变速风力发电机组。从速度调节方式上又可以划分为恒速和变速控制。
