中小型永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真硕士学位论文(编辑修改稿)

中小型永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

统，发展了失速控制风轮及叶片设计理论，提出和采用了新型叶片材料及翼形，研制成功变桨距控制风机，开发了微机控制的风力发电机单机和机群自动控制的技术等等，这大大提高了风力发电机的效率及可靠性。 欧美等工业发达国家建立的风电场已使发电成本已低于核电，接近燃油发电水平，风电己具有与传统常规能源发电竞争的潜力。 由于风力发电与其他燃料能沈阳工业大学硕士学位论文 2 源发电有着不可比拟的优点在一些发达国家中的规划到 20xx 年利用风力发电量将要占发电总量的 5～ 10%[3]。 我国也 是风能资源比较丰富的国家 ， 全国可开发利用的风能资源总量约。 东南沿海、内蒙古北部、新疆 、 甘肃等地区均属于风能资源地区，平均 速 风速为 6m/s，有效风能密度多 200W/m2，有很好的开发利用条件 [2]。 近年来，我国环境污染越来越严重，而国民经济的快速发展又对能源有着巨大的需求，煤和石油的巨大消耗，导致酸雨等自然灾害越来越严重，而石油价格的居高不下又使我国在能源需求上付出了沉重代价。 国家提出建设和谐的社会，以及人们对环境的重视，使我国不断寻求新能源，而风能作为潜力巨大的清洁能源也得到了国家的重视，近年来 ，我国出台了相应的利用风能等的政策，并加大了开发风能的力度。 我国在风力发电的总体技术上与风力发电强国仍有一定的差距，但近年来我国在风力发电的容量及技术方面也有了可喜的进步，例如，沈阳工业大学承担的 863MW 级的风力发电机组的建立 便 是 我 国在大型风力发电机组的重大突破。 风力发电的 研究现状 风力发电的 不断 发展过程中， 在 控制方式中出现了恒速恒频与变速恒频发电系统，在功率调节发展过程中，出现了定桨距和变桨距 等调节方式。 恒速恒频 恒与 变 速恒频风力发电系统 在风力发电中，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。 恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速 (也即发电机的转速 )不变 ，从而得到恒频的电能。 在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化 而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频 [4～ 6]。 风力机发电一般可以分为两种控制方式，一种是恒速恒频风力发电系统，另一种是变速恒频风力发电系统。 恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应发电机 ， 由于同步发电机输出电能的频率满足 60/pnf  的关系，要使频率 f 保持不变，则应使发电机的转速 n 保持不变。 因此需要改变风力机对风能的利用率 （ 即风能利用系数偏离最佳值 ） 来使发电机转速保持不变。 所以恒速恒频风力发电系统不能实现风力机的最大风能利用 ； 变速恒频风力发电系统则不必保持风力机转速恒定，而通过其它控制方式来得到恒定频率的电能，因此，沈阳工业大学硕士学位论文 3 它能够实现风力机运行在 maxpp CC  的点上 （ 即风能利用系数保持最佳值 ） ，实现最大风能利用 [5]。 所以 变速恒频风力发电技术与恒速恒频发电技术相比具有显著的 优越性，首先大大提高了风能转换效率，显著降低了由风施加到风力机上的机械应力；其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值﹑频率和相位可调的控制，实现了变速下的恒频运行通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制 ， 提高电力系统调节的灵活性和动﹑静态稳定性 [6]。 随着功率电子的发展和功率元件价格的降低，变转速风力机加快了发展的步伐。 可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。 这些系统都有自己的特点，可以适用于不同场合。 为 充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。 变速恒频系统介绍如下： （ 1） 采用 异步发电机 变频器变速恒频系统 该系统的结构图如图 所示。 由于风速的不断变化，带动风轮机以及发机的转速也随之变化，所以发电机发出电的频率也是变化的。 通过定子绕组与电网之间的变频器把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，然后送入电网。 这种方案尽管实现了变速恒频，具有了变速运行的优点，但是由于变频器在定子侧，变频器的容量显著增加，尤其是对大容量风力发电系统。 另外采用异步发电机的另一个缺点是需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，导致 电网功率因数变坏，因此要附加额外的无功补偿装置， 全额定值变频器 电网 异步发电机 风力机 图 异步发电机 变速恒频风力发电系统 沈阳工业大学硕士学位论文 4 同时电压和功率因数控制也比较困难 [ 8]。 （ 2） 永磁发电机变速恒频风力发电系统 所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。 其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。 采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接藕合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行 噪声，提高可靠性。 尽管由于直接藕合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，使整个系统的成本还是降低了 [9]。 （ 3） 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 采用的发电机为无刷双馈发电机。 该系统如图 所示， 定子有两套极对数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。 其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极对数应为定子两个 绕组极对数之和 [10]。 无刷双馈发电机的转子与风 轮机直接 连接。 风 轮机 的转速可随风速而变化。 发电机转子 绕组与励磁机转子绕组直接相连，变频器向励磁机定子绕组提供频率为关的励磁电流。 在发电机转速变化的情况下，可通过改变励磁电流的频率关，使发电机的输出电 频率保持不变 [89]。 部分 全额定值 双向 变频器 无刷双馈 发电机 风力机 电网 功率绕组 控制绕组 图 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 沈阳工业大学硕士学位论文 5 （ 4） 双绕组双速异步发电机系统 这种电机有两个定子绕组，嵌在相同的定子铁芯槽内，在某一个时间内仅有一个绕组工作，转子仍然是通常的笼型或绕线型。 电机的两种转速决定于两个绕组的极对数，比起单速机来，优点是比单一转速有较高的年发电量，缺点是它 属于不连续变速恒频系统，不能获得变速运行所有的好处。 这种发电机总有一个绕组未被利用，价格也高，而且两个绕组的何时切换是系统控制的难点。 所以现在的风力发电系统采用的较少 [ 10]。 （ 5） 采用电磁转差离合器的同步发电机变速恒频系统 采 用 速度负反馈通过电磁转筹离合器可使同步电机的转速保持不变，因而发电机可输出恒压恒频的交流电。 该系统的优点是控制线路简单，发电输出电压波形好。 缺点是效率低 ， 相当一部分风能消耗在转差离合器磁极的发热上 [10]。 功率调节 在风力机中转动的浆叶很大且很重对系统产生重要影 响的转动惯量，尤其相对与发电机而言。 这个惯量起的作用就像电路中的电流，当风力机加速是存储能量，减速时释放能量。 它也能阻止风力机转轴转速快速变化，这一点就像一个低通滤波器。 风力机的转动惯量远远大于发电机的转动惯量 [1 12]。 在过去的 20 多年当中风力发电机组由最初的定桨距型发展到变桨距型从转速固定的变桨距型发展到目前技术最为先进的变速变桨距型发电效率在显著提高特别是变速变桨距机组其发电机中采用的变速恒频技术提高了风力发电机组在低风速情况下的出力水平我国关于风电机组的研究主要是针对中小型固定转速的变桨距型 [1]而兆瓦级的大型变速变桨距型的风电机组的研究还仅处于起步阶段 [13]。 目前世界各地风电场运行的联网风电机组功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节与变速恒频四种 [13]。 （ 1） 定桨距失速调节 定桨距机组的主要结构特点是叶片与轮毅的连接是刚性的，即当风速变化时，叶片的迎风角度不能随之变化。 所谓失速调节就是利用叶片的翼型气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，当风速大于风力机额定风速时，气流在叶片表面产生涡流，导致叶片的升阻比下降，风能利用效率降低，从而使机组的输出功率大致 保持不变，因而其功率沈阳工业大学硕士学位论文 6 调节不需任何控制算法。 定桨距机组提出了两个必须解决的问题：一是当风速超过机组的额定风速时，叶片必须能够自动将机输出功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的机械强度和物理性能是有限度的；二是运行中的风电机组在突然切出电网的情况下，叶片本身必须具备制动能力，使风电机组在各种紧急情况下能够安全停机，因为对于惯性很大的大型风电机组，如果仅仅依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置来进行制动，就会对整机结构强度产生严重影响。 失速性能良好的玻璃钢复合材料制成的风力机叶片以及叶尖扰流器成功应用于风 力机上解决了上述两个问题。 失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。 定桨距失速型风电机组在过去 20 年的风能开发利用中始终处于主导地位。 即使在近几年商品化的兆瓦级风电机组中，失速型机组仍占有相当的市场份额 [14]。 （ 2） 变桨距调节 由于叶片失速是一个复杂的气动过程，对于不稳定的风况，很难精确计算出失速效果，所以兆瓦级风电机组大多采用变桨距调节方式。 变桨距机组的最大特点是通过叶片和轮毅之间的齿轮传动机构或曲柄连杆机构来使叶片的攻角随风速改变而改变，即使机组在不同风况下保持最佳攻角，从而 使机组在低风速下跟踪最佳叶尖速比，在高风速下通过发电机功率反馈调节叶片迎风角，使输出功率保持在额定功率附近 [15]。 变桨距机组具有风能利用系数高、启动制动性能好、叶片结构简单等优点，同时变桨机构可使叶片和整机的受力状况大为改善，这有利于大型风电机组的设计。 从今后发展趋势看，大型风电机组将会逐渐采用变桨距技术。 （ 3） 主动失速调节 这种功率调节方式是前述两种方法优点的结合，目前 NEG MICON、 BONUS 公司在大于 600kW 机组上采用此技术。 主动失速型风力机叶片通过轴承固定在轮毅上，但叶片可围绕其纵向轴线 旋转以此调整节距角。 低风速时可以调整叶片节距角以跟踪最大Cp 曲线；高风速时叶片节距角随风速变化只需微调即可维持叶片的失速状态，从而使机组的输出功率维持在额定功率附近。 同时，控制系统可以调节叶片节距角以适应空气密度的变化及减少因叶片表面污染造成的影响。 而且，该型机组叶片变桨启动，顺桨停沈阳工业大学硕士学位论文 7 机，大大减少了机械刹车对机组传动系统的冲击。 该种调节方法的优点是无需灵敏的调节速度，风能利用效率高，输出功率易于控制 [15]。 （ 4） 变速恒频 从本质上讲，定桨距和变桨距机组都属于恒速恒 频机组。 变速恒频技术是近几年发展成熟的技术，而且已经在兆瓦级风电机组市场上占有较大的份额，目前以德国DEWIND 公司和 ENERCON 公司生产的变速机组为代表。 该型机组在额定风速以下通过循环变流器来调节双馈异步发电机的电磁转矩，使发电机转速随风速变化，实现发电机转速的内部闭环控制，来保持最佳叶尖速比，达到跟踪 maxpC ， 获取最大能量的目的；高于额定风速时，通过叶片节距角的外部闭环控制来限制风力机获取过大的能量，达到跟踪并保持输出功率稳定的目的 [1 17]。 因为其具有风能利 用系数高、运行风速范围大、叶片结构简单、可以精确控制功率因数、传动系统柔性好、阵风的能量可以通过叶轮加速得以储存、启动制动性能好以及低风速时机组运行噪音低等优点而会在不久的以后取代恒速机组成为新建风电场的主装机型，是以后风力发电技术的发展趋势，也应成为我国技术引进的首选机型。 但结构复杂、技术难度大、造价高是变速机组的主要缺 点 [1 19]。 永磁直驱风力发电趋势 传统的风力发电机组中，大多采用异步发电机，但是采用异步发电机需要增加增速机，这就导致了机械损耗，需要定期维护。 永磁电机与电励磁的电机相比通 常有更高的效率和更紧凑。 直驱式风力发电机由于不需要齿轮箱，因而能够改善风能转换 的效率。 其 优点有：去掉了齿轮箱；减小维护 （ 不需要定期维护 ） ； 气室设计简化 [20]。 典型的直驱式发电机全速时产生 10～ 30Hz 电流，因此直驱式发电机需要频率变换装置向电网输入 频率为 50Hz 的电源 [21]。 目前，中国国内大型风力发电机企业已成功研制出了大型风力发电机样机，并制造完成了包括齿轮箱、轮毂、主轴、延长段等零部件，为风机国产化奠定了基础；但由于风电优惠政策力度不够，投资环境不佳，业主缺少融资渠道，国产风机难以进入市场，严重制 约了国产化风机的产业化进程 [22]。 沈阳工业大学硕士学位论文 8 课题的来源和研究内容 （ 1） 本课题的来源 本课题来源于沈阳工业大学电气控制技术研究所和沈阳工业大学风能所的“ 20kW永磁直驱风力发电系统”的子项目。 （ 2） 本课题研究的具体内容包括如下几个方面 ： 1） 针对中小功率永磁直驱风力发电系统，进行基于 Matlab/Simulink 的 变桨距 控制系统的仿真 模型 的 建立及仿真研究。 2） 针对永磁直驱风力发电机所发出的电压频率变化的电能， 进行交直交变流控制。 该系统用二极管 桥式整流， 采 用 PIC 单片机结合 PWM 芯片 SA48。