并網(wǎng)電壓源逆變器的一種新型直接功率控制策略畢業(yè)設(shè)計.doc

iii風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變流技術(shù)摘 要風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)勵磁調(diào)節(jié)后輸出的電壓恒定、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要的組成部分。它能實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率等參數(shù)的快速動態(tài)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染，是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究熱點之一。本論文在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，對850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。論文首先分析了風(fēng)力發(fā)電變流技術(shù)研究的背景和意義，介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其各部分的工作原理。同時，介紹了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了定槳距型和變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)原理，綜述了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。然后，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的勵磁系統(tǒng)做了簡要的概述，在比較了多種勵磁方案后設(shè)計了無刷勵磁控制系統(tǒng)。緊接著，論文分析了系統(tǒng)要求，通過比對當(dāng)前開關(guān)器件功率水平、成本以及控制策略，選擇了不控整流和pwm逆變的變流系統(tǒng)。在對不同濾波器結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)進(jìn)行研究后，提出了“直接電流控制”方法對網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行控制，根據(jù)直接電流控制原理建立了 pwm逆變器的數(shù)學(xué)模型，并通過matlab/simulink仿真驗證了控制方法的正確性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，變速恒頻，并網(wǎng)變流器，變流技術(shù)the research on the power 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 system 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 analysis 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 generation 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 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 current 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-connected inverter, converter technology目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流技術(shù)研究的背景和意義11.2 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理21.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)31.3.1 動力傳輸31.3.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)41.4 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)61.4.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)71.4.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)方式101.4.3 風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢121.5 本文的研究內(nèi)容122 同步發(fā)電機(jī)簡述142.1 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)142.1.1同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型142.1.2 同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式152.2同步發(fā)電機(jī)工作原理152.3 同步發(fā)電機(jī)的空載特性162.3.1 相關(guān)知識162.3.2 空載特性的測定172.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的的負(fù)載特性182.5 小結(jié)213 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)223.1 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)概述223.2同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)分類243.2.1直流勵磁機(jī)勵磁方式243.2.2它勵交流勵磁機(jī)方式253.2.3 無刷勵磁方式263.2.4 靜止勵磁方式273.3 對勵磁系統(tǒng)的基本要求283.4 勵磁系統(tǒng)設(shè)計方案283.5 小結(jié)304 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變流技術(shù)314.1 系統(tǒng)的需求分析和總體設(shè)計方案314.1.1 850千瓦風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)的需求分析314.1.2 850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)314.1.3 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計324.1.4 工作原理324.1.5 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖334.2 三相電壓型pwm并網(wǎng)變流器設(shè)計和控制原理344.2.1 并網(wǎng)變流器電流控制方法344.2.2 直接電流控制原理354.2.3 并網(wǎng)變流器電流環(huán)設(shè)計354.3 pwm逆變器的數(shù)學(xué)模型374.3.1 逆變器相關(guān)知識以及濾波電感的選擇374.3.2 pwm逆變器的數(shù)學(xué)分析384.4 坐標(biāo)變換的相關(guān)知識404.5 相關(guān)參數(shù)參考值414.6 仿真中用到的幾個模型的建立424.6.1 變流器結(jié)構(gòu)424.6.2 濾波環(huán)節(jié)434.6.3 控制模塊434.7 變流器的的仿真分析454.8 小結(jié)47結(jié)論與展望48致 謝49參 考 文 獻(xiàn)50附錄511風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變流技術(shù)53風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變流技術(shù)1 緒論1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流技術(shù)研究的背景和意義能源是支持世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素和戰(zhàn)略資源。人類社會發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān)。每一次新能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。再21世紀(jì)，世界能源結(jié)構(gòu)也正孕育著重大的轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)的兩次世界范圍內(nèi)的石油危機(jī)，已經(jīng)使人們意識到尋求和發(fā)展可以替代石化燃料的其它能源的重要性和緊迫性。同樣，大量使用化石燃料對自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和破壞。在過去20年中，全世界能源消耗增長了50%，到2020年全球能源消耗還將增長50%-100%，由此所造成的溫室效應(yīng)氣體排放將會增加45%-90%，從而帶來災(zāi)難性后果。能源與環(huán)境成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。人類正在努力尋求清潔、高效、可以再生的能源來代替對石油、煤炭等常規(guī)能源的依賴?？稍偕茉创蠖贾苯踊蜷g接來自太陽，包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物能和地?zé)崮艿?，是潔凈能源，對環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染。開發(fā)利用可再生能源成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，成為大多數(shù)發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇。在自然界中，風(fēng)是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。隨著全球氣候變暖和能源危機(jī)，各國都在加緊對風(fēng)力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護(hù)我們賴以生存的地球。同時風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量也越來越大，單機(jī)容量由500750kw量級增大到10002000kw量級，目前已研制成功單機(jī)5000kw的風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式也由獨立運(yùn)行發(fā)展到并網(wǎng)運(yùn)行。在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中要求發(fā)電機(jī)輸出恒壓、恒頻的交流電，傳統(tǒng)的解決辦法是采用失速調(diào)節(jié)或者混合調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種方法控制控制簡單可靠，但存在著風(fēng)能利用率低的缺點。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，采用大功率可控器件研制的變流器也越來越多的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。變流器是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要部件。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，變流技術(shù)也從通過交直流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式，發(fā)展到20世紀(jì)6070年代的晶閘管逆變技術(shù)，而21世紀(jì)的變流技術(shù)多采用了mosfet、igbt、gto、igct、mct等多種先進(jìn)且易于控制的功率器件，控制電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)以及數(shù)字信號處理器（dsp）控制。各種現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用于變流技術(shù)的領(lǐng)域，變流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也達(dá)到了前所未有的廣闊。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點，具有重要的意義。1.2 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力機(jī)及其制系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，直接影響著整個風(fēng)力發(fā)電統(tǒng)的性能、效率，風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和變速恒頻技術(shù)是今后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。下面介紹一下風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和功率調(diào)節(jié)特性。由空氣動力學(xué)特性可知，通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被葉輪吸收利用，可以定義出一個風(fēng)能利用系數(shù)： （1-1）所以風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率為： （1-2）式中：風(fēng)力機(jī)實際獲得的軸功率，單位為；：空氣密度，單位為；：葉輪的掃風(fēng)面積，單位為；：上游風(fēng)速，單位為。風(fēng)能利用系數(shù)反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，是一個與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪直徑、槳距角均有關(guān)系的量。為了便于討論風(fēng)力機(jī)的特性，定義風(fēng)力機(jī)的另外一個重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比。葉尖速比可以用下式表示： （1-3）式中：葉輪半徑，單位為；：風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，單位為。風(fēng)力機(jī)可以分為定槳距和變槳距兩種。變槳距風(fēng)力機(jī)的特性曲線通常由一簇功率系數(shù)的無因次性能曲線來表示，功率系數(shù)是風(fēng)力機(jī)葉尖速比的函數(shù)，如圖1-1所示。圖1-1 風(fēng)力機(jī)的特性曲線曲線是槳距角的函數(shù)，從上圖可以看到曲線對槳距角的變化規(guī)律：當(dāng)槳距角增大時曲線將顯著減小。可以看出,對于一臺確定的風(fēng)力機(jī),在槳葉節(jié)距角不變時總有一個對應(yīng)著最佳功率系數(shù)的最佳葉尖速比,此時風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率最高。換而言之,對于一個特定的風(fēng)速v,風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在一個特定的轉(zhuǎn)速下才會有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。如果保持槳葉節(jié)距角不變，風(fēng)能利用系數(shù)只與葉尖速比有關(guān)系，則可用一條曲線描述特性，這就是定槳距風(fēng)力機(jī)的特性曲線。恒速恒頻的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常變化，顯然不可能保持在最大值。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近于最佳值，從而最大限度的利用風(fēng)能，這就是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的基本目標(biāo)。風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)盡可能追求最大，從而增加其輸出功率。然而實際應(yīng)用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制：一方面是電氣回路中元器件的功率限制；另一方面是機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風(fēng)機(jī)存在三個典型運(yùn)行狀態(tài)：保證恒定，控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速(維持不變)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；風(fēng)力機(jī)以恒定速度運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)可使具有較大數(shù)值，直到最大輸出功率；當(dāng)風(fēng)速過大，輸出功率達(dá)到極限時風(fēng)力機(jī)按恒定功率控制，使輸出功率限制在額定值附近。1.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.1 動力傳輸葉片把流動的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動的動能，通過葉片和輪轂組合的風(fēng)輪傳送給發(fā)電機(jī)，完成從動能到電能的轉(zhuǎn)換。按不同的驅(qū)動方式劃分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可以劃分為齒輪驅(qū)動、直接驅(qū)動和混合驅(qū)動。齒輪驅(qū)動的風(fēng)電技術(shù)，齒輪箱和主軸既是關(guān)鍵部件又是易損部件，既需要高質(zhì)量的材料，也需要高質(zhì)量的制造、安裝和維護(hù)技術(shù)。自大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)問世以來，已有上千臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)更換了齒輪箱。齒輪驅(qū)動技術(shù)目前是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流產(chǎn)品。目前，齒輪傳動技術(shù)單機(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組是由德國repower公司生產(chǎn)的，容量5兆瓦，風(fēng)輪直徑達(dá)到130米，安裝在120米高的塔架上。預(yù)計2010年將開發(fā)出10兆瓦的風(fēng)電機(jī)組。為了減少傳動部件，人們發(fā)明了直接驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。風(fēng)輪與電機(jī)直接連接，依靠發(fā)電機(jī)的改型，降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)低轉(zhuǎn)速風(fēng)輪技術(shù)。一種直驅(qū)發(fā)電機(jī)是傳統(tǒng)的異步電機(jī)，有轉(zhuǎn)子花環(huán)和轉(zhuǎn)子激磁電路；另一種直驅(qū)發(fā)電機(jī)采用了永磁電機(jī)。直驅(qū)發(fā)電機(jī)以風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并且二者直接連接而不通過齒輪箱。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直驅(qū)傳動系統(tǒng)，避免了齒輪箱的成本和維護(hù)，降低了傳動系統(tǒng)的損耗。人們對他也越來越感興趣。針對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點，人們又開發(fā)了一種采用單級增速裝置加多極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的混合式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它采用一級齒輪箱來增速，但并未達(dá)到六級發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。它可以被看成全直驅(qū)傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)解決方案的一個折衷。芬蘭win-wind公司已開發(fā)出容量1.1兆瓦，風(fēng)輪直徑56米的混合式風(fēng)電機(jī)組。3兆瓦的機(jī)組也已經(jīng)安裝完成，正在現(xiàn)場試驗運(yùn)行。預(yù)計2010年將開發(fā)出10兆瓦的風(fēng)電機(jī)組。1.3.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常包含風(fēng)力機(jī)，無刷同步發(fā)電機(jī)，電力電子變流系統(tǒng)，控制及保護(hù)系統(tǒng)，并網(wǎng)變壓器及斷路器等，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，其工作原理如下：風(fēng)以一定的速度和攻角作用在風(fēng)力機(jī)的槳葉上，使風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩從而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)帶動與其同軸相連的無刷同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，發(fā)出隨風(fēng)速的變化，幅值和頻率都變化的交流電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電是不能直接并上電網(wǎng)的，需要經(jīng)過變流裝置將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)相位、頻率一致的交流電然后通過升壓變壓器接入電網(wǎng)。下面對系統(tǒng)的幾個主要部分進(jìn)行簡要的介紹。 圖1-2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（1）風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的部件。風(fēng)以一定速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。一般情況下，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在每分鐘十幾轉(zhuǎn)，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要每分鐘3000多轉(zhuǎn)，這一任務(wù)要齒輪箱來完成，因此齒輪箱又稱為增速箱。在早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)大多采用三槳葉與輪轂剛性聯(lián)接的結(jié)構(gòu)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計水平的不斷提高，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別是兆瓦級機(jī)組的設(shè)計中，開始采用變距風(fēng)輪，槳葉和輪轂間通過可轉(zhuǎn)動的推力軸承聯(lián)接，提高了其在大風(fēng)情況下的可靠性。（2）無刷同步發(fā)電機(jī)無刷同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與普通電勵磁同步發(fā)電機(jī)相同，且電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡單，降低了加工和裝配費用，同時還省去容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在低速下，這樣無刷同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子級數(shù)必須大大多于普通發(fā)電機(jī)，因此這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓環(huán)狀。（3）控制及保護(hù)系統(tǒng)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一個獨立運(yùn)行的大系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是不可缺少的。控制系統(tǒng)是由機(jī)組控制單元，偏航和槳距角控制單元、變流器控制單元、并網(wǎng)控制單元等組成的集散控制系統(tǒng)。偏航和槳距角控制單元負(fù)責(zé)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的迎風(fēng)角和葉片的節(jié)距角，當(dāng)風(fēng)速過高，超過系統(tǒng)的額定功率時，變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，將功率控制在額定功率以下；當(dāng)風(fēng)向變化時，偏航系統(tǒng)可以跟蹤風(fēng)向，使機(jī)組始終迎風(fēng)工作，并且當(dāng)系統(tǒng)因為多次對風(fēng)而導(dǎo)致電纜纏繞時進(jìn)行解繞操作；同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與它的空載電動勢值的大小有關(guān)，而的值是發(fā)電機(jī)勵磁電流的函數(shù)，改變勵磁電流就可以影響同步發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性；變流器控制單元用來對發(fā)電機(jī)輸出的電能進(jìn)行控制，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐汉泐l的電能，經(jīng)并網(wǎng)變壓器并入電網(wǎng)，并在正常工作過程中接受主控制器的命令實現(xiàn)輸出功率的控制，從而使機(jī)組工作在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)下；而機(jī)組主控制系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)這些部件的工作，同時采集當(dāng)前的外部參數(shù)（風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓等），根據(jù)最佳風(fēng)能捕獲算法，適時的對各控制單元給出合理的操作指令。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于外部環(huán)境非常復(fù)雜，比如風(fēng)力的不停變化以及電網(wǎng)的波動等各種問題，而發(fā)電機(jī)和變流器的運(yùn)行決定了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況，因此，對發(fā)電機(jī)和變流器的保護(hù)是非常有必要的。變流器的保護(hù)系統(tǒng)需要不停的監(jiān)視發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓、電流，直流母線的電壓、電流等各種電氣參數(shù)，并不斷的將這些參數(shù)與其繼電保護(hù)設(shè)置相比較，只要有一個參數(shù)超出了繼電保護(hù)的設(shè)置要求，保護(hù)系統(tǒng)將會中斷變流器的運(yùn)行。（4）并網(wǎng)變壓器及斷路器風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下需要與電網(wǎng)聯(lián)接，而在停機(jī)狀態(tài)下則需要與電網(wǎng)斷開，這就需要能控制開關(guān)的并網(wǎng)變壓器及斷路器，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)下與電網(wǎng)的隔離。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)合閘前，為了避免電流沖擊和轉(zhuǎn)軸受到突然的扭矩，需要滿足一定的并網(wǎng)條件，這些條件是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端電壓等于電網(wǎng)的電壓；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出頻率等于電網(wǎng)電壓的頻率；并網(wǎng)合閘的瞬間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的回路電勢為零；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)過程如下：由風(fēng)向傳感器測出風(fēng)向并使偏航控制器動作。使風(fēng)力機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速超過切人風(fēng)速時。槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)被加速幾乎達(dá)到同步速時。發(fā)電機(jī)的電勢或端電壓的幅值將大致與電網(wǎng)電壓相同。它們的頻率之間的很小差別將使發(fā)電機(jī)的端電壓和電網(wǎng)電壓之間的相位差在0度和360度的范圍內(nèi)緩慢地變化，檢測出斷路器兩側(cè)的電位差，當(dāng)其為零或非常小時，使斷路器合閘并網(wǎng)。以上過程可以通過微機(jī)自動檢測和操作。1.4 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)可以形象地比作風(fēng)電機(jī)組的大腦。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的所有動作都是在由控制系統(tǒng)發(fā)出的命令的指揮下完成的。因此，控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組的最核心技術(shù)之一。目前對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制主要是功率調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)。從功率調(diào)節(jié)方式上劃分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可以劃分為定槳距和變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。從速度調(diào)節(jié)方式上又可以劃分為恒速和變速控制。1.4.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)力發(fā)電頻率與電網(wǎng)頻率一致。由于變速變頻發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電頻率隨風(fēng)速而變，不能和電網(wǎng)頻率始終保持一致，不能實用。但如果允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)做變速運(yùn)行，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的?；谏鲜隹紤]，發(fā)展了變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。近年來，研究較多的交流電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有以下四種形式。（1）同步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)同步電機(jī)是自勵磁電機(jī)，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，容易做成多極數(shù)低轉(zhuǎn)速型，因而可以采用風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動，省去增速齒輪箱。系統(tǒng)成本低，可靠性高。同步發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)如圖1-3所示。如果能控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小，還可控制發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。當(dāng)采用永磁轉(zhuǎn)子時，電極極距可以很小，因而可以大大減小多極數(shù)低轉(zhuǎn)速電機(jī)的徑向尺寸，但發(fā)電機(jī)的電壓和功率因數(shù)就比較難控制了。此外，發(fā)電機(jī)的全部功率經(jīng)由變頻器輸送到電網(wǎng)，變頻器容量很大，至少要達(dá)到發(fā)電機(jī)額定功率的1.5倍，這是其不利的一面。但也有人在研究永磁發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤控制方法。圖1-3 同步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于同步發(fā)電機(jī)具有獨立的勵磁回路，無需再提供再生能量，因此交直交變換器不需要四象限運(yùn)行，小功率的發(fā)電機(jī)也可采用永磁發(fā)電機(jī)，但由于同步發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時輸出電壓較低，此時無法將能量回饋至電網(wǎng)，因此實用的電路往往在直流側(cè)加入一個boost升壓電路（如圖1-4所示）在低速時由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升，采用此電路可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在非常寬的調(diào)速范圍，另外boost電路還可以調(diào)節(jié)整流器入端（即發(fā)電機(jī)輸出端）的電流波形，以改善其諧波失真和功率因數(shù)，此電路結(jié)構(gòu)在中小型并網(wǎng)系統(tǒng)中有著應(yīng)用前景。圖1-4 具有升壓功能的交直交同步發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：控制電路簡單可靠； 無最大、最小速度限制，調(diào)速范圍寬；發(fā)電機(jī)不承受高的，電磁兼容性好；對電網(wǎng)波動不敏感。缺點：三級變換（整流、升壓、逆變）使系統(tǒng)效率下降23；直流環(huán)節(jié)電容為高壓、大容量，體積大、價格高；網(wǎng)側(cè)電感容量較大。（2）異步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)常規(guī)的變速風(fēng)力并網(wǎng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1-5所示，機(jī)組通常由風(fēng)輪、增速箱、交流發(fā)電機(jī)、變距機(jī)構(gòu)、整流器、變速器以及控制電路組成，早期的交直交并網(wǎng)逆變器整流器采用晶閘管相控整流器（如圖1-5所示），但需要增加無功補(bǔ)償電路，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，相控整流器逐步被pwm整流器所取代，以前pwm技術(shù)主要應(yīng)用于逆變器場合，近年來pwm整流器已逐漸成熟，采用pwm整流器使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因素得到改善，諧波損耗也大大降低，其基本控制策略如下：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率以內(nèi)，控制器的控制策略是實現(xiàn)最大功率跟蹤，即盡量利用風(fēng)能，而當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，為使發(fā)電機(jī)組和逆變器不致于過載運(yùn)行，此時應(yīng)減小葉尖速比值，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于恒功率區(qū)域。采用交直交方式實現(xiàn)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行有許多優(yōu)點:控制方式較簡單；可使用普通交流異步發(fā)電機(jī)；有功分量和無功分量可單獨控制；對電網(wǎng)波動有較強(qiáng)的適應(yīng)性。但也存在許多缺點：整流器和逆變器的容量必須和風(fēng)機(jī)功率相匹配，變換器價格昂貴；發(fā)電機(jī)繞組承受較高的，電磁兼容性較差；直流側(cè)濾波器、交流網(wǎng)側(cè)電感容量較大?；谏鲜鰞?yōu)缺點，交直交并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不適合應(yīng)用于兆瓦級系統(tǒng)，應(yīng)用于10200kw系統(tǒng)時其性能價格比最優(yōu)。圖1-5 異步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（3）雙饋電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)雙饋（doubly-fed）發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線型感應(yīng)電動機(jī)相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)引入，其電氣原理如圖1-6所示，發(fā)電機(jī)的定子通過接觸器投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過四象限交直交變換器與電網(wǎng)連接。其實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率，相位及功率來調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出功率使之與風(fēng)輪輸出功率相匹配，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大功率點附近。圖1-6 雙饋電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點如下：轉(zhuǎn)子側(cè)交直交變換器僅需要25的風(fēng)機(jī)額定功率，大大降低了電源變換器的造價；網(wǎng)側(cè)及直流側(cè)濾波電感、電容功率相應(yīng)縮小，電磁干擾也大大降低；可方便地實現(xiàn)無功功率控制。缺點如下：雙饋發(fā)電機(jī)由于必須使用雙繞組以及滑環(huán)，發(fā)電機(jī)成本較高，且無標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法；調(diào)速范圍較小，一般只能在額定轉(zhuǎn)速的70130內(nèi)調(diào)節(jié)；控制電路較復(fù)雜；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作在低頻段（通常為016.6hz）,由于功率器件一般其有效值在50hz下標(biāo)定，工作于低頻段時igbt等功率器件的熱應(yīng)力增加，功率器件必須留有足夠的余量；轉(zhuǎn)子繞組承受較高的，轉(zhuǎn)子絕緣等級要求較高。（4）低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)上述三種系統(tǒng)均采用了增速齒輪箱將發(fā)電機(jī)的低速低頻變?yōu)楦咚俟ゎl，但齒輪箱一方面產(chǎn)生巨大的噪聲，同時也降低了風(fēng)能的利用效率，新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用多極低速永磁同步發(fā)電機(jī)，通過功率變換電路直接并入電網(wǎng)，這就省去了增速齒輪箱（如圖1-7所示），系統(tǒng)效率大大提高，噪聲也進(jìn)一步降低。圖1-7 低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)直接驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點如下：風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速范圍不受限制，提高了風(fēng)能利用率。轉(zhuǎn)動部分無需齒輪箱，降低系統(tǒng)噪音可采用多電平變換技術(shù)，將風(fēng)能直接饋入高壓電網(wǎng)。缺點如下：功率變換器造價昂貴；定子繞組絕緣等級要求較高。1.4.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)方式功率調(diào)節(jié)也是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過額定風(fēng)速以后，由于槳葉、塔架等的機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)變頻器等的容量限制，必須降低風(fēng)機(jī)吸收功率，使其在接近額定功率下運(yùn)行，同時減少槳葉承受的載荷沖擊，使其不致受到損壞。功率調(diào)節(jié)方式主要有四種。（1）定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)技術(shù)定槳距機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點是：葉片與輪毅的連接是剛性的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，葉片的迎風(fēng)角度不能隨之變化。所謂失速調(diào)節(jié)就是利用葉片的翼型氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風(fēng)能，當(dāng)風(fēng)速大于風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速時，氣流在葉片表面產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉片的升阻比下降，風(fēng)能利用效率降低，從而使機(jī)組的輸出功率大致保持不變，因而其功率調(diào)節(jié)不需任何控制算法。定槳距機(jī)組提出了兩個必須解決的問題：一是當(dāng)風(fēng)速超過機(jī)組的額定風(fēng)速時，葉片必須能夠自動將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近，因為風(fēng)力機(jī)上所有材料的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能是有限的；二是運(yùn)行中的風(fēng)電機(jī)組在突然切出電網(wǎng)的情況下，葉片本身必須具備制動能力，使風(fēng)電機(jī)組在各種緊急情況下能夠安全停機(jī)，因為對于慣性很大的大型風(fēng)電機(jī)組，如果僅僅依靠安裝在低速軸或高速軸上的機(jī)械剎車裝置來進(jìn)行制動，就會對整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。失速性能良好的玻璃鋼復(fù)合材料制成的風(fēng)力機(jī)葉片以及葉尖擾流器成功應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)上解決了上述兩個問題。失速型風(fēng)電機(jī)組的最大優(yōu)點是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可靠性高。定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組在過去20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終處于主導(dǎo)地位，即使在近幾年商品化的兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中，失速型機(jī)組仍占有相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。（2）變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)技術(shù)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過變距調(diào)節(jié)器使風(fēng)輪機(jī)葉片安裝角隨風(fēng)而變化，以達(dá)到控制吸收風(fēng)能的目的。在額定風(fēng)速以下時，葉片節(jié)距角處于零度附近，此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可看作等同于定槳距風(fēng)機(jī)。在額速以上時，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變槳距風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速較定槳距風(fēng)力機(jī)低，停機(jī)時傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時，主要采用功率控制，功率調(diào)節(jié)速度取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將引起風(fēng)能較大的變化。風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時，槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動作而造成風(fēng)機(jī)瞬時過載，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。由于風(fēng)能本身的隨機(jī)波動性，一般的調(diào)節(jié)方法跟不上因風(fēng)速變化而產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，這顯然對電網(wǎng)和輸出的電能影響極大。為了減少輸出功率這種變化，風(fēng)力機(jī)制造商嘗試了很多辦法。比如丹麥的vestas公司采用高滑差發(fā)電機(jī)，這種做法等效于在傳動機(jī)構(gòu)中增裝一個彈性環(huán)節(jié)，使得輸出功率大大減少，這種技術(shù)的優(yōu)點是：槳葉受力比較少，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)部件輕巧，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。（3）主動定槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)技術(shù)這種功率調(diào)節(jié)方式是前述兩種方法優(yōu)點的結(jié)合，目前neg micon、bonus公司在大于600kw機(jī)組上采用此技術(shù)。主動失速型風(fēng)力機(jī)葉片通過軸承固定在輪毅上，但葉片可圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)以此調(diào)整節(jié)距角。低風(fēng)速時可以調(diào)整葉片節(jié)距角以跟蹤最大曲線；高風(fēng)速時葉片節(jié)距角隨風(fēng)速變化只需微調(diào)即可維持葉片的失速狀態(tài)，從而使機(jī)組的輸出功率維持在額定功率附近。同時，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角以適應(yīng)空氣密度的變化及減少因葉片表面污染造成的影響。而且，該型機(jī)組葉片變槳啟動，順槳停機(jī)，大大減少了機(jī)械剎車對機(jī)組傳動系統(tǒng)的沖擊。該種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點是：無需靈敏的調(diào)節(jié)速度，風(fēng)能利用效率高，輸出功率易于控制。（4）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)變速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電的過程中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以跟隨風(fēng)速的變化，由于轉(zhuǎn)速發(fā)生變化必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率發(fā)生變化，必須采用適當(dāng)?shù)目刂剖侄危╝cdcac或acac變頻器）來保證與電網(wǎng)同頻率后并入電網(wǎng)。理論上講這種技術(shù)是目前最優(yōu)化的調(diào)節(jié)技術(shù)。這種調(diào)節(jié)方法在輸出功率低于額定功率之前使效率達(dá)到最高，但是其輸出功率大于額定功率時，即風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，其調(diào)節(jié)方式將與變槳距調(diào)節(jié)方式相同。該項技術(shù)早在上世紀(jì)40年代就出現(xiàn)，但是當(dāng)時受到控制技術(shù)及電力電子器件水平的限制沒能得到很好的發(fā)展。到了80年代原蘇聯(lián)、日本等國已有兆瓦級的該類發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行。用該技術(shù)具有風(fēng)能利用系數(shù)高、運(yùn)行風(fēng)速范圍大、葉片結(jié)構(gòu)簡單、可以精確控制功率因數(shù)、傳動系統(tǒng)柔性好、陣風(fēng)的能量可以通過葉輪加速得以儲存、啟動制動性能好以及低風(fēng)速時機(jī)組運(yùn)行噪音低等優(yōu)點。1.4.3 風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量繼續(xù)增大，兆瓦級機(jī)組與百千瓦級機(jī)組比小型機(jī)組有更好的經(jīng)濟(jì)效益；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳葉增長，具有更大的捕捉風(fēng)能的能力；塔架高度上升，在50米高度捕捉的風(fēng)能要比30米高處多20；（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)采用變速風(fēng)機(jī)，在平均6.7米/秒時，比恒速風(fēng)機(jī)多捕捉15的風(fēng)能。（3）海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得進(jìn)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(fēng)電項目，同等容量裝機(jī)，海上比陸上成本增加60，但是電量增加50以上，并且，每向海洋前進(jìn)10千米，風(fēng)力發(fā)電量增加30左右。（4）隨著風(fēng)電技術(shù)水平的不斷提高，其經(jīng)濟(jì)性逐步提高。一般估計，到2020年風(fēng)力發(fā)電基本上可以和清潔的煤電相競爭。技術(shù)進(jìn)步不斷提高風(fēng)能效率，降低風(fēng)電成本，包括更安全的風(fēng)輪、更大的葉片、更高的電力電子設(shè)備、更好使用的聯(lián)軸器和更高的塔架等的應(yīng)用。目前最顯著的改進(jìn)是不斷增加的單機(jī)容量和風(fēng)電機(jī)組性能。表1-1 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢年份198019851990199520002005額定功率（千瓦）308025060015005000葉片半徑（米）1520304670115軸高（米）30405078100115潛在年出力（千瓦時）350009500040000012500003500000ca.170000001.5 本文的研究內(nèi)容開發(fā)綠色能源、實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是世界各國解決能源問題、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的正確選擇。作為綠色能源的風(fēng)能受到世界各個國家普遍的重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)同樣也成為各國學(xué)者競相研究的熱點。本文以850千瓦無刷風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)為研究對象，在分析了風(fēng)力發(fā)電的基本工作原理的基礎(chǔ)上，深入研究了適合大功率并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，建立了pwm逆變器的數(shù)學(xué)模型，引入了直接電流控制（電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)），并通過計算機(jī)仿真，驗證了控制原理的正確性。論文的主要研究工作如下：本文首先簡述了風(fēng)力發(fā)電研究的背景和意義，介紹了目前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及趨勢，闡述了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。同時，介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，介紹了風(fēng)力機(jī)、電力電子變流系統(tǒng)、控制及保護(hù)系統(tǒng)、并網(wǎng)變壓器及斷路器的工作原理以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的控制原理，介紹了當(dāng)前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種變流電路。第二章通過介紹同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型、工作原理等知識，做了發(fā)電機(jī)的空載實驗。通過對風(fēng)力發(fā)電試驗裝置的了解完成了系統(tǒng)的負(fù)載實驗。第三章首先概述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的原理和功能；其次，介紹了各種勵磁方式的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點；最后，通過對勵磁控制系統(tǒng)的要求分析以及該系統(tǒng)的具體情況設(shè)計了此系統(tǒng)的勵磁控制方案。第四章根據(jù)850千瓦并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的需求和技術(shù)參數(shù)，設(shè)計了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)及控制原理，引入了直接電流控制策略，建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并通過仿真驗證了控制方案的可行性，并對系統(tǒng)以后的硬件實現(xiàn)進(jìn)行了分析。2 同步發(fā)電機(jī)簡述2.1 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的主要設(shè)備，同步發(fā)電機(jī)與供給其機(jī)械能的風(fēng)力機(jī)共同組成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本章重點介紹了同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、感應(yīng)電勢的推導(dǎo)過程和基本特性。2.1.1同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，一般分為轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步發(fā)電機(jī)。最常用的是轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)（即磁極旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)）。圖2-1給出了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步發(fā)電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。圖2-1 同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場)。氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場的分布和同步電機(jī)的性能有重大影響。除了轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)外,還有轉(zhuǎn)樞式同步發(fā)電機(jī)，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子充當(dāng)了電樞。圖中用ax、by、cz三個在空間錯開120電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。 2.1.2 同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相似，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有自己的特點。一般同步發(fā)電機(jī)的基本轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式有凸極式和隱極式兩種。（1）凸極式轉(zhuǎn)子 凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，如圖2-2(a)所示。當(dāng)勵磁線圈中通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為 n 極和 s 極。對水輪發(fā)電機(jī)來說，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機(jī)多半也做成凸極式。 (a) (b)圖2-2 同步發(fā)電機(jī)基本型式1定子；2凸極式轉(zhuǎn)子；3隱極式轉(zhuǎn)子；4滑環(huán)(a)凸極式轉(zhuǎn)子；(b) 隱極式轉(zhuǎn)子（2）隱極式轉(zhuǎn)子 隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖2-2(b)所示。沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開有許多槽，這些槽中嵌放著勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會出現(xiàn)n極和s極。在大容量高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。 2.2同步發(fā)電機(jī)工作原理同步發(fā)電機(jī)電樞繞組是三相對稱交流繞組，當(dāng)原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，極性相間的勵磁磁場隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)并依次被電樞繞組所切割（相當(dāng)于電樞繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場），會在電樞各繞組中感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的交變電勢。具體過程如下：主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。 載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。 切割運(yùn)動：原動機(jī)（風(fēng)力機(jī)）拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。 交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。感應(yīng)電勢有效值：由下一節(jié)可知，每相感應(yīng)電勢的有效值為： (2-1)式中頻率，工頻為50hz； 每相繞組總的串聯(lián)匝數(shù)；每極基波磁通；電樞繞組系數(shù)。感應(yīng)電勢頻率： 感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 和極對數(shù)p ，即交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。同步轉(zhuǎn)速：從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50hz ，故有： (2-2)當(dāng)p=1，2，3時，n=3000，1500，1000r/min，所以要使得發(fā)電機(jī)供給電網(wǎng)50hz的工頻電能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速。 2.3 同步發(fā)電機(jī)的空載特性 2.3.1 相關(guān)知識（1）同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行磁場同步發(fā)電機(jī)被原動機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流而定子繞組開路時的運(yùn)行工況稱之為空載運(yùn)行。此時，定子電流為零，電機(jī)內(nèi)的磁場僅由轉(zhuǎn)子勵磁電流及相應(yīng)的勵磁磁動勢單獨建立，稱為勵磁磁場?？蛰d運(yùn)行時，既交鏈轉(zhuǎn)子，又經(jīng)過氣隙交鏈定子的磁通稱為主磁通。顯然，被原動機(jī)帶動到同步轉(zhuǎn)速的同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，其磁密波形沿氣息圓周近似作正選分布，其基波分量的每極磁通用表示。將參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程。基波主磁通之外的所有諧波成分和勵磁磁場中僅與轉(zhuǎn)子勵磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通均不參與機(jī)電能量過程，統(tǒng)稱為漏磁通，用符號表示。下表表示是由勵磁磁場產(chǎn)生的漏磁通。所有諧波磁通均被歸屬為漏磁通。（2） 空載特性設(shè)轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速為，則基波主磁通切割定子繞組感應(yīng)出頻率的對稱三相基波電動勢，其有效值為： （2-3）改變勵磁電流if（亦即改變勵磁磁動勢ff），可得到不同的和，由此可得空載特性曲線（亦稱磁化曲線）。 圖2-3 同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線2.3.2 空載特性的測定首先確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速（）然后加勵磁電壓，并且逐漸增加勵磁電壓幅值，同時記錄勵磁電流和同步發(fā)電機(jī)輸出電壓。實驗數(shù)據(jù)如下:(1) =25hz,n=750r/pm(為勵磁電壓，為勵磁電流，同步發(fā)電機(jī)輸出電壓)1015202530354045505560630.50.81.11.31.61.82.052.32.42.72.82.9142179211222233241245250250253255255(2) =30hz,n=900r/pm1015202530354045505560630.50.81.21.31.61.82.052.32.42.72.82.9160223256268283292298304306312312313(3) =40hz,n=1200r/pm1015202530354045505560630.50.81.21.31.61.82.052.32.42.72.82.9234313347364383393403409414423424426在matlab命令框中輸入以下指令即可繪出發(fā)電機(jī)空載特性曲線。 x1=0.5 0.8 1.1 1.3 1.6 1.8 2.05 2.3 2.4 2.7 2.8 2