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1、直驱式风电并网变流器的控制与研究导 师： 邹旭东 学 院： 电气与电子工程学院 专业班级： 电气0703 学 号： U200712002 姓 名： 刘骐豪 时 间： 2011年36月 摘要 在常规能源日益紧张，.环境污染问题日益严重的今天，开发和利用无污染且资源丰富的风能具有十分重要的意义，为此，世界各国竞相发展风电产业，风电技术得到了一前所未有的快速发展，涌现出多种风电机组类型。其中，永磁直驱式风电系统以其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有优势正受到越来越多的关注，己经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发
2、出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。 本文以永磁直驱风电变流系统的运行与控制为主题，对其控制策略进行了综述，以及研究电压跌落条件下风力发电机组对电网的无功功率支持，并对其在电网电压跌落时的运行特性进行分析和电路设计。最后通过实验进行验证。目 录第一章 绪论11课题研究的目的及意义12.风力发电机控制系统国内外研究现状及发展趋势23.风电机组的
3、控制技术34.本文研究的主要内容6第二章 直驱永磁风力发电机控制策略71系统描述72.最大风能捕捉83.控制原理94.控制策略11第三章 直驱永磁风力发电机控制系统的设计151.全功率变流器152.电压跌落时特性研究183 控制电路设计18第四章 模拟试验与结论211恒压恒频输出模拟试验212结论22参考文献23第一章 绪论1课题研究的目的及意义在环境污染与能源危机的大背景下，风能作为无污染的新能源，已经成为世界研究的热门话题，其中又以变速恒频(variable speed constant frequency，VSCF)风力发电技术为当前的研究热点。目前主流的变速恒频风电机组多采用有刷双馈交
4、流励磁发电系统，该系统可实现有功和无功解耦控制、最佳风能捕获控制以及变速恒频发电运行。但由于系统中需采用齿轮箱连接风力机和发电机，且有刷双馈电机存在电刷和滑环，导致系统结构复杂，齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率低；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素，所以降低了系统发电效率和运行可靠性。永磁直驱风机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)风力发电系统就是在这种情况下出现的，应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时
5、，发电机仍然可以工作，直驱永磁同步风力发电系统当中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件（IGBT等）和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。永磁直驱风机更能适应低风速，对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机
6、组。目前，通用变频器技术成熟，价格便宜，为中小型直驱发电机的普及提供方便；性能优良的大功率电力电子器件的不断涌现，促进了大型直驱发电机的研究和应用，同时，伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用；应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0150%的额定转速，提高了风能的利用范围。直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势，因此它具有广阔的发展和应用前景，国外形容其为风力发电的一场革命。直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数
7、等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。2.直驱永磁风力发电机控制系统的发展历史，国内外研究现状及发展趋势直驱永磁式电机起源于1995年，当时美国纽约州的一家研究机构设计出了一种新型可变磁阻发电机，它用风力发动机中的磁性装置取代了机械齿轮箱。该设计的特点在于，可变磁阻电机的极结构能够承受各个方向操作而不需要支付箱齿轮箱那样的费用。在2000年，加拿大M.eng. M.Dubois博士提出将风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间
8、会对部分工作负载的效率产生负面影响，而且较易受损耗，若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱，并对直驱式低速旋转电机应用于风力发电机的一些问题进行了研究。但直到1997 年，市场上才开始出现兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力机，容量约在330kW2MW，并且多由德国于1992年开始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可变速风力发电机组，它包括了永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量为3MW、高约70m、风扇直径约90m。在2003年，Okinawa电力公司开始运行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机MWT-S2000型风力机，该风机采用了
9、小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机和新型轻质的叶片。由此可见，直驱式无齿轮风力发电机始于20多年前，却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣，并将该技术积极应用于产品推向风力发电市场，德国、美国、丹麦都是在该技术领域中发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的直驱式无齿轮同步发电机被用在世界最大的挪威风力发电场，据称效率达98%1。作为一个新兴能源行业，风电业在我国起步并不算晚，但由于诸多原因，国内的风力发电机研究进展并不快。在1996年我国制订“乘风计划”，旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率，2001年国家863计划能源技术领域后续能源技术主题“兆瓦级风力发电机组及其关键部件研制”课
10、题开始实施。2007年11月，中国资源综合利用协会可再生能源专委会、国际环保组织绿色和平和全球风能理事会于上海国际风能大会上共同发布了中国风电发展报告2007，报告指出，自1995年至2006年，我国风电装机容量的年平均增长率为46.8%；截至2006年底，我国共建设风电场100多个，风电装机容量己达2.6GW，跃居世界第六位。2005年4月24日，我国第一台国产兆瓦级风力发电机在乌鲁木齐市达坂城风力发电场完成吊装，投入运行。这台1.2MW直驱式永磁风力发电机是我国第一台整机设计、制造并拥有自主知识产权的兆瓦级风机，它的运行意味着我国风机设计制造能力已达到世界先进水平。虽然成绩显著，但我们国内
11、的风机市场占有率并不高，而且现在世界上多数风电发达的国家都建有国家投资的研发服务机构，专门为市场中的企业发展提供技术和政策支持，如丹麦的国家实验室(Risoe)、德国的风能研究所(DWEI)等2。新疆金风公司与国外合作已成功研制1.2 MW1.5 MW直驱型风力发电机组并成功实现并网运行；丹麦BOUNS公司(现已被西门子收购)选择了无刷感应发电机配备全功率变流器；GE风能公司也在其最新的2.X系列(2.3 MW，2.5 MW，2.7 MW)中把双馈发电机换成了带全功率变流的同步发电机，GE风电系统的逐步转型是为了适应新的“电网故障穿越”规则。我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合关于风电建设
12、管理有关要求的通知中风机国产化率要求及国内风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4000台，占2014年新增风机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%。3.风电机组的控制技术当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频是指在风力发电过程中，保持风力机的转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频是指在风力发电过程中，让风力机的转速按照一定的关系随风速而变化，并通过其他控制方式得到恒频的电能。（1）恒速恒频发电系统此系统中，多采用龙型
13、异步电动机作为并网运行的发电机，异步发电机的转子速度高于同步转速，当风力机传给发电机的机械功率随风速的增加而增加时，发动机的输出功率及其反转距也增大，运行点发生了变化。若转子速度超过同步转速3%-5%时，发电机进入不稳定区，产生的反转距减小，导致转速迅速升高，引起飞车，后果严重。另外，对恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴，齿轮箱和发电机等部件，在这件部件上产生很大机械应力，如果上述过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加，而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，一部分被加速旋转的风轮所吸收
14、以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大扭矩和应力，当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网、风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用使风力机内部能量传输部件应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风电机组运行更加平稳和安全。异步发电机并网运行时，一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收无功功率。异步发电机向电网输出的电流大小及功率因数，取决于转差率及电机的参数，而转差率与异步发电机的负荷大小有关，电机的参数无法改变，风力发电机多采用机端并联电容器以提高功率因数。运行中当发电机和并联电容器与电网突然断开时，电
15、容器的过励和异步发电机的转速上升可能引起有害的自励现象。自励产生的过电压可能危及发电机和电容器的绝缘，必须予以重视。一方面应从最不利的过速情况来选择电容器的电容量，另一方面在保护线路上要采取措施。这种运行方式除了有风能利用系数低的弊端，主要弊端还是当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量增大，制造成本增加。（2）变速恒频发电系统变速恒频发电系统相对于恒速恒频发电系统，主要有以下优点：A风能利用系数高利用变速恒频发电方式，风力机就可以改变恒速运行为变速运行。这样就可能使风力机的转速随风速而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获得更多的能量。B避免主轴及传动机构承受过大的扭转和应力，减少部件磨损这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也被风力机吸收，以动能的形式储存于高速
