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1、III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The Research on the Power E
3、lectronic 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 system has
4、 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 analysis the
5、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 generation syst
6、ems 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 Excita
7、tion 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 current co
8、ntrol 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-connect
9、ed inverter, Converter Technology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152.2同步发电机工作原理152.3 同步发电机
10、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304 风力发电系统中的电力电子变流技术314.1 系统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
11、 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 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
12、 献50附录511风力发电系统中的电力电子变流技术1风力发电系统中的电力电子变流技术1 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
13、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
14、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
15、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：
