风力发电电能变换装置的研究与设计毕业论文

目录摘要IAbstract I第1章 绪 论11.1 引言11.2 研发背景及意义11.2.1 国际风力发电及风力发电能能变换转置研究现状11.2.2 中国风电的研究现状及发展趋势21.2.2 风力发电机组类型简介31.3 本文主要内容及其设计思路6第2章 永磁同步电机风力发电系统总体方案72.1 引言72.2 直驱式永磁同步风力发电系统总体结构72.3 直驱式永磁同步发电机模型82.3.1 永磁同步电机概述82.3.2 永磁同步电机原理82.3.3 永磁同步电机数学模型92.4.1 升压式（Boost）变换器12第3章 直驱式风力发电系统的电路分析143.1 概述143.2 三相二极管整流电路143.3 （BOOST）升压电路163.3.1 Boost 控制结构图16第4章 直驱式风力发电系统控制策略184.1 最大功率追踪法控制方案184.1.1 控制方案概述184.2 并网运行控制策略204.3 双环控制224.4 DSP简述与选型22第5章 系统软件设计255.1 基于MATLAB/Simulink 环境下的仿真研究255.1.1 MATLAB/Simulink概述255.2 系统总体结构图265.3 系统软件框图27第6章 仿真验证296.1 仿真总体模型296.1.1 仿真分析30结束语33参考文献34致谢36附录37 风力发电电能变换装置的研究与设计 摘要：风能作为一种可再生能源越来越受到人们广泛的重视，其中变速恒频风力发电是现代风力发电中的一个发展趋势。而在变速恒频风力发电中，又向着直驱化方向发展，但直驱风力发电机产生的电能存在着电压幅值和频率随风速变化、功率不稳定等诸多问题。为解决上述问题，本文对直驱式变速恒频风力发电领域的关键技术从理论到仿真进行了较为全面的学习与分析，在详细分析直驱式风力发电系统的特点和已有风力发电系统控制的基础上，确立波永磁同步发电机、AC-DC-AC的主电路拓扑结构，提出了系统总体控制策略，该策略能够很好的实现电压幅值功率因数调节，系统主电路主要是双闭环（电压外环、电流内环）实现电能功率调节，为了提高系统控制性能，设计了系统过流过压保护电路，经仿真验证，该系统能够良好的运行，基本上实现可靠性高，电压调节范围大，效率等目标。关键词：风力发电系统；AC-DC-AC变换器；控制策略；双闭环调节；仿真 The research and design of the wind power electricity transformation mechanismAbstract：Wind energy is renewable energy widely used by more and more people attention, the variable speed constant frequency wind power generation is the trend of modern wind power development. In variable speed constant frequency wind power generation, the direct driving direction system, which is a direct-drive wind turbines generate electricity voltage amplitude and frequency change with wind speed. Obviously power is unstable, and many other problems. To solve the above problems, this paper proposed the direct drive that the key technology in the field of variable speed constant frequency wind power generation has carried on the comprehensive study from theory to simulation and analysis, the detailed analysis of the characteristics of the direct drive wind power system and wind power system control. on the basis of the establishment of permanent magnet synchronous generators, matrix converter main circuit topology, based on space vector modulation of matrix converter is proposed algorithm, the algorithm can achieve good voltage amplitude power factor adjustment, the system main circuit is mainly the double closed loop outer ring, internal ring current (voltage) to realize electricity power regulation, in order to improve the system control performance, the design of the system through the voltage protection circuit, verified by the simulation, the system can well run, basically to achieve high reliability, large range of voltage regulation and efficiency goals.Keywords: Wind power generation system; AC-DC-AC converter; System modulation; Double closed loop regulation; The simulation 第1章 绪 论1.1 引言 稳定、可靠和洁净能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的重要保障，煤炭、石油、天然气等化石能源支持了19世纪和20世纪两百年人类文明的进步和发展。然而，化石能源大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉环境恶化的威胁。21世纪是科技、经济和社会快速发展世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力可再生能源时代过渡，如何实现能源可持续发展，从而保持经济和社会的可持续发展，已经成为世界各国必须解决问题。风能作为一种取之不尽、用之不竭可再生能源，在地球上蕴藏量十分丰富，具有广阔应用前景。风力发电是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力可再生能源技术，在远期有可能成为世界重要替代能源。发展可再生能源是当今世界一个共同趋势，欧盟各国开始立法提出了2020年和2050年不同阶段可再生能源发展目标，同时跟进有澳大利亚、日本、加拿大等发达国家，甚至还有印度、巴西、泰国等发展中国家。风电是可再生能源技术中最成熟的一种，对于应对那些传统能源有关迫在眉睫环境和社会影响，风力发电是个切实可行、立竿见影解决方案1。1.2 研发背景及意义1.2.1 国际风力发电及风力发电能能变换转置研究现状能源困局不是中国独特的问题，美国、日本、欧洲和印度都是如此。面对化石燃料日益枯竭的威胁，人们都在讨论后续能源的续接问题。美国的氢技术、日本的阳光计划、欧盟2050年，可再生能源50%战略目标，都是破解能源困局思路。在各种各样的选择中，风电也许是最值得考虑的选择。欧盟风能协会和绿色和平组织风力12：关于2020年风电达到世界电力总量 12%的蓝图中的观点，也许过于乐观，但是它毕竟给人们提出了一种可能。也许仅仅依靠风电，不能完全解决这些问题，但是它可能是解决问题，主要技术选择之一。19世纪末，丹麦首先开始，探索的风力发电，研制出风力发电机组，直到20世纪70年代的以前，只有的小型充电用风力机，达到的实用阶段。美国20世纪30年代还有许多电网未通达地方，独立运行小型风力发电机组，在实现农村电气化方面起了很大作用。20世纪70年代，到80年代中期，美国、英国和德国等国政府投入巨资开发单机容量1000kW以上的风力机组，承担课题都是著名大企业，如美国波音公司研制了2500kW和3200kW机组，风轮直径约为100m，塔高为80m，安装在夏威夷的瓦胡岛；英国宇航公司和德国MAN公司分别研制3000kW机组，所有这些巨型机组都未能正常运行，因其发生故障之后维修非常困难，经费也难以维持，没有能够发展为商业机组，未能形成一个适应市场需求风电机组制造产业3。风电继续呈现地区发展多样化特点。到2006年底，风电发展已涵盖世界各大洲，并呈快速增长态势。风电装机超过100万千瓦的国家已由2005年11个增加到13个，其中8个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙、法国）、3个亚洲国家（印度、中国、日本）和2个美洲国家（美国、加拿大）。欧洲继续保持其领先地位，亚洲正成为全球风电产业发展新生力量，预计在不远将来还有更大增长。与此同时，世界前五位风电市场的德国、西班牙、美国、印度以及丹麦风电装机占世界份额呈下滑趋势，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份额由79%降至53%。1.2.2 中国风电的研究现状及发展趋势 我国在20世纪50年代，就有过研制风力发电机组活动。但有实用价值新型风力机研制到6070年代，才开始起步。70年代以后发展较快，在装机容量、制造水平及发展规模上，都居于世界前列。近年来，和光伏电池配合的，风光互补系统，容量可达数百瓦到数十千瓦，能完成给，农牧民家庭，以及海岛、边防站、通讯台站、输油管道站点等重要设施，独立供电任务，已逐步得到越来越广泛的重视和应用3。为了扶持风电技术和产业发展，中国政府采取了一系列，国家行动，并制定出台了一系列，经济鼓励政策。这些行动主要有：承风计划、双加工程、国债风电项目、风电特许权项目4等。风力发电技术，发展趋势是：（1） 单机容量不断增大，利用效率提高，世界上主流机型。已经从2000年的 5001000kW增加到。2004年的23MW，2004年底5MW 的风机。进入试运行阶段，并已经开始10MW风机的设计和研制。（2） 机组桨叶的增大，具有更好地捕捉，风能能力，在风力机的尤其，是叶片设计和制造过程中，广泛采用了，新技术和新材料。既减轻重量、降低费用，又提高效率；塔架高度上升，在50m高度捕捉风能要比 30m高处多20%；（3） 变桨距调节方式迅速，取代失速功率，调节方式，变速恒频并网机组，能随风速大小随意旋转，已经发展成为当今主流产品，无齿轮箱系统，市场份额也在迅速扩大；（4） 海上风力发电技术取得进展。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在，建设大规模的海上风电场项目。同等容量的装机，海上比陆地上成本增加60%，但电量增加 50%以上，并且，每向海洋前进10千米，风力发电量增加30%左右，随着风电技术水平，不断提高，经济性也逐渐提高。1.2.2 风力发电机组类型简介 风能是一种具有随机性、爆发性、能量密度低、不稳定性特征的能源。风速变化会引起风力机转速的变化，如果没有必要机械或电气控制，则由风力机驱动交流发电机转速也将随之改变，因而发电机输出电压及频率都，将不是恒定的。并网运行的风力发电技术是，20世纪80年代兴起一项新能源技术，一开始就受到世界各国的高度重视，因而迅速实现了商品化、产业化，特别是随着计算机、电力电子技术与控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速。控制方式从单一定桨距失速控制，向全桨叶变距变速控制发展，以至于向智能型控制方向发展。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行，发展到基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力，到理想地向电网提供电力最终目标。以下给出了当今几种并网型风力发电系统结构图3，并对它们优缺进行了概述。1.2.2.1 普通三相同步发电系统 在早期的恒速恒频风力发电系统，中采用了普通三相同步发电机，风力机与发电机之间通过齿轮箱连接，风力机采用定桨距控制技术，发电机通过断路器直接与电网连接，这就是所谓的“刚性连接”。同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，频率稳定，电能质量高，已被电力系统广泛采用。然而，由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到，同步发电机所要求的精度，因此把它用于到风力发电机组上使用效果并不太理想。该系统需要调速机构和励磁机构，对同步发电机频率、电压和功率进行有效的控制，否则可能会造成无功振荡与失步，重载下尤为严重。近年来随着电力电子技术发展，在同步发电机与电网之间采用变频装置，从技术上解决了“刚性连接”的问题，采用同步发电机方案，又引起了人们的重视。普通三相同步发电机型风力发电系统，结构示意图如图1-1所示。为了捕获最大风能，风力机的功率控制。采用变桨距调节方式。发电机定子侧通过功率变换器与电网实现“柔性连接”，转子侧通过励磁控制器调节发电机，励磁电流以控制发电机定子侧的输出电压幅值，构成全功率变换器，变速恒频同步风力发电系统。 图1-1 三相同步发电机风力发电系统1.2.2.2 双馈风力发电系统 双馈式发电机，是变速运行风电系统一种，其模型如图1-2所示，包括风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器，连接到电网，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间，实现能量双向传输。当发电机运行在，超同步速度时，发电机定子和转子同时，向电网输送能量；而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。直流侧电容器作用，是维持直流母线电压恒定。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着，风速改变而改变，从而使风力机在较大范围内，按最佳参数运行，以提高风能利用率。当风速增大到额定值以上时，叶片与轮毂间的轴承机构转动，使叶片桨距角增大，攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片扭矩和限制风机捕获的功率。 图1-2 双馈式风力发电系统双馈式风力发电系统，是目前世界各国风力发电研究热点之一，我国已有部分地区风力发电场，开始使用这种发电系统1。相对于传统恒速发电系统7，其性能优势体现在：1降低输出功率的波动和机组的机械应力；2不需要无功补偿装置；3可以追踪最大风能，提高风能利用率；4控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性；5在转子侧控制功率因数，可提高电能质量；6变频器容量仅占发电机额定容量的 25%左右，与其它全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。因此，目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制双馈式风力机，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵。1.2.2.3 直驱式风力发电系统 直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动低速，永磁同步交流电机产生电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成，噪声污染，在低风速时具有更高效率。该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，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，呈圆盘形状，为了简化系统控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是具有较大的优势6。直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图如图1-3所示。 图1-3 直驱式风力发电系统 风电系统将发电机发出，全部交流电经整流/逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管，及功率场效应晶体管两者特点，复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小，优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。该风力发电系统具有以下优点：1永磁同步发电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。该系统中的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以与永磁发电机直接耦合，省去了其它风力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声；2该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性；可以独立设计逆变器部分。其缺点就是需要两个全功率电力变换器，但比起升速系统所采用升速齿轮箱结构，该系统的应用，应该还是以后风电领域的一个趋势。如Enercon公司生产的2MW系列型号E-82采用变速变桨距无齿轮直接驱动技术。1.3 本文主要内容及其设计思路在风力发电系统中，将风能转换为电能，最重要部分便是风力发电机，它已经成为风力发电技术领域的研究热点之一。本课题便是在这样一个背景下，为了更好地、更有效率地、更安全地利用风能，使之转化为人类可以利用的电能，设计了一种基于矩阵变换器的电能变换器装置。本文主要内容有（1） 第一章 绪论 概述了风力发电电能变换装置的发展现状、及其研究意义，系统主要分类，以及优缺点。（2） 第二章 阐述了永磁同步发电机的系统总体设计方案。（3） 第三章 做出了直驱式系统变换装置的主电路拓扑，分析起原理，器件选型和选型依据。（4） 第四章 分析了直驱式风力发电的控制策略。（5） 第五章 分析了直驱式风力发电系统的软件设计方案（6） 第六章 作出了仿真验证本文理论部分。（7） 结束语 阐述了本文的工作以及不足。 第2章 永磁同步电机风力发电系统总体方案2.1 引言在风力发电系统中，将风能转换为电能的最重要部分便是风力发电机，它已经成为风力发电技术领域的研究热点之一。本课题便是在这样一个背景下，为了更好地、更有效率地、更安全地利用风能，使之转化为人类可以利用的电能，设计了一种区别于，传统风力发电系统，新型直驱式风力发电控制系统。风力发电技术涉及到空气动力学、机械传动、自动控制、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程2。风力发电不同于一般的发电系统，风速变化的随机性，和不确定性对风力机及发电机控制提出了更高的要求。本文是针对直驱式梯形波永磁同步风力发电系统，最大能量捕获装置的研究。直驱式永磁同步风力发电系统由风力机，低速永磁同步发电机直接耦合，其输出电压、频率都随风速的变化而变化，最大能量捕获系统，是利用电能变化电路及相关控制技术，将风力发电机发出电能经整流、直流升压电路、逆变之后，然后并网。2.2 直驱式永磁同步风力发电系统总体结构 如图2-1所示 图2-1 总体结构图采用永磁同步风力发电机，将发出的电压与频率随风速变化，交流电通过三相二极管整流桥整流为直流，大电感滤波后，获得的直流电压比较平稳，经过DC-DC 变换升压电路，为逆变电路提供所需要幅值恒定，直流电压，逆变电路逆变成与电网频率相同的恒频电能后并网。该系统中采用全功率变频器，变频器的容量显著增加，尤其是对大容量，风力发电系统。因此，此种结构，风力发电机组之所以引起广泛的注意，主要是因为在整个系统中，可以省去风力机与发电机之间的传动机构。这样就大大降低了系统的成本，控制结构比较简单，提高了系统结构的硬性，从而增加了系统的可靠性。2.3 直驱式永磁同步发电机模型2.3.1 永磁同步电机概述在传统的风力发电系统中，有过许多控制方案，其中包括异步电机发电（定桨距型感应发电系统、变桨距型可变电阻感应发电系统、变桨距型双馈发电系统、变桨距型无刷双馈发电系统），同步电机发电（变桨距电励磁同步发电系统、变电系统中的应用。直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。 本文主要研究对象为永磁同步发电机，将发出的三相梯形波通过不可控整流桥整流为一系列脉动较小的平顶波，通过大电感滤波之后，获得比较平滑的直流电压，控制简单，可靠性高，这也是本文所以采用此类电机的主要原因。在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率的要求也在不断提高，齿轮箱的存在在一定程度上限制了风力发电机组的发展。用永磁同步电机发电是当今最普遍的一种发电方式之一，其较多的极对数使得在转子转速较低的情况下，发电机仍然可以正常工作。因此，风力机直接驱动永磁同步电机发电就是针对于风力机转速较低的状况而设计的方案，省去齿轮箱，简化系统结构，增加系统的可靠性。中间环节采用电力电子变频装置，解决了同步发电机的转速与电网频率之间的刚性耦合的问题，实现系统的柔性连接。同时，变频器的使用，使得风力发电机组可以在较宽的风速范围内运行，提高系统的效率。2.3.2 永磁同步电机原理直驱式永磁同步风力发电系统中发电机一般和风力机直接耦合，所以其输出特性和风力机之间的配合问题极其重要。其基本要求是在风力机起动后，发电机应当能够快速跟踪系统响应，即在低风速范围内仍然能够捕获风能。这就要求发电机的在起动时，其起动阻转矩要尽量小些，使得风力机尽早切入运转。直驱式永磁同步风力发电机三相输出整流后要经过大电感滤波，则电机三相电流被强制为梯形波电流。为了降低发电机的电磁转矩脉动，则要求发电机的感应电动势最好是梯形波。电力电子技术为新型控制方案平台的建立奠定了基础，在梯形波永磁同步电机中，电子功率管的任务是通过处理并控制电能的形态和电能的流动，向用户提供适合其负载的最佳电压和电流，满足负载的需要，以达到节约能源或满足工艺要求的目的。如果功率处理器的输出可看作是电压源，则输出电流以及电流与电压间的相角取决于负载的特性。由公式（2-1）可知，为了发电机输出功率平稳，减小系统的转矩脉动，则发电机的电动势最好是梯形波。梯形波三相感应电动势的理想波形如图2-1所示。每相之间互差120电角度1618。电磁功率如式（2-1）所示 2-1电磁转矩如式（2-2）所示 2-2 图2-1 三相定子绕组感应电动势波形2.3.3 永磁同步电机数学模型 永磁同步电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，其转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波气隙磁场，定子三相绕组采用整距集中绕组，由于其气隙磁密按梯形波分布，因而感应的电动势也是梯形波。由参考文献1618，其等效电路如图2-2所示。 图2-2 永磁同步电机等效电路图 由于绕组电感的原因，所以在换流时电流不可能突变，故其实际的波形为近似的梯形波。永磁同步电机的电压方程可用下式2-3表示 由于定子三项绕组对称，有 ，则 则式（2-3）可以得出假定 则式（2-3）可以得出 式中、三相感应电动势，单位 V； 、三相对中性点的电压，单位 V 、三相电流，单位 A 、各相绕组自感，单位 mH； 、为绕组之间的互感，单位 mH； R各相绕线电阻，单位根据电气基础知识可以得到： 式中 发电机的电磁转矩，单位 Nm； 负载转矩，单位 Nm； 阻力系数，单位 kgm； 转动惯量，单位 kgm；永磁同步发电机通过三相整流桥和大电感滤波之后，从整流级输出测看进去，它不但拥有直流发电机的电压波形平稳优点，而且也具有了寿命长、效率高的特点。从而更加适合在大型风力发电系统中应用。梯形波永磁同步发电机和同步发电机相比，具有电压调整率低、电压波形平稳的优点，和直流发电机相比，具有无机械换向装置、换向容易、使用寿命长等优点。可以说这种新型发电机集直流发电机和永磁同步发电机，优点与一体而又摒弃了它们不足。仿真试验证明这种直驱式发电系统具有电压调整率低，输出纹波小，可以软起动等特点。2.4 直流升压电路本文中采用直驱式永磁同步发电机，将发出的电压和频率随风速变化的交流电，通过三相二极管整流桥整流，经过滤波电路，得到比较平滑直流电速下，捕获的能量不足以达到并网条件。为了使系统能够在较宽，风速条件下运行，需要使用直流变升压电路，将电压变换为逆变装置所需要电压，然后并网，以此达到提高系统效率的目的。DC-DC 变换器按照电路拓扑结构可以分为两大类：不隔离的直流变换器和带隔离的直流变换器，两者最基本的功能都是变压。带隔离的直流变换器有单管的正激式（forward）和反激式（flyback），多管的推挽（push-pull converter）、半桥（half-bridge）、全桥（full-bridge）直流变换器等。不隔离的直流变换器有4种基本的拓扑，它们是降压式（Buck）变换器、升压式（Boost）变换器升降压式（Buck/Boost）变换器和Cuk变换器等。2.4.1 升压式（Boost）变换器（1）电路的拓扑结构Boost 变换器是一种输出电压高于输入电压的单管非隔离直流变换器。图 2-3给出了它的电路图。通过控制开关管 S 的导通比，可控制升压变换器的输出电压。 图2-3 升压电路拓扑（2）工作原理 本文只研究电感电流连续情况。如图 2-6 所示，在0，T1区间，开关管 S处于导通状态，电源电压全部加到电感两端，电感电流 Li呈线性增长。二极管D截止，电容C向负载供电，电流流过电感。由于输出滤波电容电压保持不变，则电感两端呈现正电压 UL=VinVdc，在该电压作用下电感中电流Li线性増长，直到 T1时刻，Li达到最大值。在开关管导通期间，电感电流的增量为 在T1，T区间，开关管 S 关断，iL经过二极管D流向输出侧，电源与电感所储存的能量给C充电，电感上的电压 Vdc Vin0 ，故iL线性衰减，直到 T时刻，iL达到最小值。在S截止期间期间，电感电流的减小量为 2-9 稳态工作时，S导通期间电感电流的增长量等于S截止期间的减小量。由式（2-8）与式（2-9）可得 2-10由式（2-10）可知，输出电压与输入电压的比值始终大于等于1，即输出电压高于输入电压。 第3章 直驱式风力发电系统的电路分析3.1 概述 在本文中，采用风力机直接驱动低速永磁同步发电机产生电能。直接驱动技术应用在风力发电系统中，风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修费用，降低了噪声。其发电系统的拓扑结构是将发电机发出的电压与频率随风速变化的三相交流电通过三相二极管整流桥整流成直流，经过滤波电路之后，使用DC-DC升压装置变换为逆变电路所需要的恒定电压，通过协调各控制模块，逆变后并网，达到捕获最大风能的目的。为了有效的利用随时变化的风能，本文提出一种新型的风电控制系统。从理论上分析了这种风力发电系统，其主电路是由发电机和斩波电路的等效电路组成，发电机的输出功率和直流输出电压的特性表达式与斩波电路的占空比以及发电机的转速之间成某种函数关系，其在下文有详细介绍。因此，把发电机的输出功率与斩波电路的占空比区分开来，理论上推导出通过控制斩波电路的占空比来获得最大功率。直驱式风力发电系统框图如图 3-1 所示。 图3-1 风力发电系统框图 该系统是由梯形波永磁同步发电机、三相二极管整流电路、斩波电路、逆变电路组成。为了实现高效和简化功率转换电路，采用永磁体励磁三相同步发电机，效率较高，产生的交流功率通过三相二极管整流成直流功率。二极管整流具有功率因数高，不需要额外的控制电路，增强了可靠性。直流功率通过斩波电路升压，再通过逆变装置转换成交流电能后并网。3.2 三相二极管整流电路 在众多的电力电子变换电路中，采用三相二极管全桥整流电路用于AC-DC-AC变换中，其优点在于：（1）结构简单，采用六个二极管组成不可控整流桥，不需要额外的控制电路。（2）价格低廉，可靠性高。其缺点在于电流波形不能够控制，且电力电子器件会向交流侧注入谐波电流。永磁同步发电机的输出直接连接到三相二极管整流桥，如图3-1所示。假设电流处于连续状态，根据能量守恒定律，发电机发出的三相交流功率通过整流桥整流为直流功率，即 3-1式中、分别为直流侧端电压和电流，、 ，Ua、Ub、Uc分别为发电机的各相电压和电流。 图3-2 永磁同步电机a相等效图在整流期间，由于电感的存在，将会影响整流电路的平均输出电压。为了计算整流后的平均输出电压，假设电机转速恒定，且整流桥的输出电流id恒定，等于输出电流的平均值iL，为了简化模型，初始条件下，忽略电感电阻的影响。在整流桥换向期间，整流桥的瞬态输出电压如下： 3-2由 的假设条件可以得： 3-3 把式（3-3代入（3-2）可得： 3-4在换向期间，假设三相二极管整流的输出平均电压的减少量为U，通过下式计算可得： 3-5把式（3-4）代入（3-5）可得 3-6式中E为感应电动势，单位V；根据电压回路原理，可得出发电机相电流 ia，即 3-7假设在t=0时刻，电流的初始值等于输出电流平均值iL，则 3-8因此，三相二极管整流桥输出直流平均电压为 3-93.3 （BOOST）升压电路3.3.1 Boost 控制结构图 为了最大限度地利用风能，使直驱式风力发电系统工作在一个较宽的风速范围内，即使系统在较低的风速时也可以工作，如果输出电压较低，是不可能进行系统的并网，故必须引入DC-DC升压电路。由于永磁同步发电机输出电压的有效值近似正比于发电机的转速，当发电机转速高于直流电压所对应的转速时，发电机输出电流增大，制动力矩增加，电机减速，输出电压降低；相反，电机加速，输出电压升高，最终使得风轮机工作于给定的叶尖速比。因而发电机输出的电能经过不可控整流后，直流电压值和转速也近似成正比，因此当风速较低时，直流电压会很低；然而风力发电系统对逆变器的输出电压幅值是有一定要求的，这样过低的直流电压将引起电压源逆变器无法完成有源逆变过程，进而无法将功率馈入电网。同时如果没有DC-DC升压电路，也会使系统消耗较高的无功功率，引起电网电压波动。所以需要引入DC-DC升压电路，并使该电路在一定输入范围内保持输出电压恒定。 Boost电路的基本结构和控制示意图如图3-3所示。直流变换器的控制电路是由两部分组成：从三相二极管整流桥整流后变化的直流电压；另一个是逆变电路前的恒定直流电压。通过改变 DC-DC变换电路的占空比，来控制发电机整流桥部分的端电压。该控制的目的是为了控制永磁同步电机的速度，使其跟随风速的变化，从风中捕获最大风能，从而跟随最佳功率曲线。 图 3-3 Boost 电路控制示意图根据第二章可知，式（2-8）中给出了直流变换电路的状态方程，由于输入功率等于输出功率：Pi=Po，由不可控整流器输出电压公式可以得到 3-10 产生PWM（Pulse Wide Modulate）脉冲的原理如图3-4所示。在 PWM 控制方式中，开关控制信号由比较器产生。如图3-4所示，将调制信号u2与载波信号u1进行比较得到开关控制信号。控制电压则由误差放大器得到，由此可见，通过控制开关占空比即可控制输出电压。 图3-4 PWM产生原理 第4章 直驱式风力发电系统控制策略4.1 最大功率追踪法控制方案4.1.1 控制方案概述在许多杂志和论文中，直驱式风力发电系统采用最大功率跟踪算法已被广泛的研究。该方法在光伏发电领域有广泛的研究。尽管这种算法是建立在不同功率转换硬件结构的基础上，但按其基本原理可以分为以下三种：叶尖速比控制、功率信号反馈控制、爬山搜索法。（1） 叶尖速比控制：叶尖速控制的目的就是维持叶尖速比在最佳特性曲线上，这样在任何风速下，都能够获得最大功率。如图3-5所示，在该系统中，需要测量风速与风力机转速，作为控制系统的输入信号，通过计算或实验获得最佳叶尖速比的特性曲线。该控制器的结构比较简单，要求测量的风速需要与作用在桨叶上的风速有良好的关联性。 图4-1 （2）功率信号反馈控制功率信号反馈控制需要采用查表法或者需要预先知道转速与发电机的输出功率之间关系4344。功率信号反馈控制的原理如图3-6所示。 图4-2 假设原来在风速 V1下风力机稳定运行在最佳功率曲线 P1上，对应着该风速下的最佳转速1 ，此时发电机输出的功率等于风力机捕获的机械功率乘以系统效率。如果某一时刻风速突然升高到V2，风力机获得的功率就会由点P1跃变至P2由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机的转速仍然运行1点，此时风力机捕获的机械功率大于发电机输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着风速V2下的功率曲线轨迹运行。当运行至发电机功率曲线和最佳功率曲线的交点时，功率将重新达到平衡。此时，转速稳定在对应于该风速下的最佳转速，发电机输出的最佳功率为P0。同理，也可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过程。其控制的基本结构如图 4-3所示。 图4-3 功率反馈控制（3）爬山搜索法爬山搜索法的基本原理如图4-4所示。该方法无需测量风速，也不需要事先知道具体风力机的功率特性曲线，而是施加人为的转速扰动，然后通过测量功率的变化来自动搜索发电机的最佳转速点。其追踪最大风能的原理：计算当前风力机的功率P0，并和上个控制周期的风力机功率比较，如果功率下降，那么将转速指令的扰动值d反号，否则保持其符号不变。最后将当前的转速扰动值和上个周期的转速指令相加就得到新的转速指令值。也就是说，当风机的功率一直增加时，保持转速指令增加（或减小）的方向不变，当风力机的功率减小时，原来转速指令在增加的就要变成减小，原来转速指令减小的就要变成增加，即将转速指令的扰动d反号。 图4-4 爬山搜索法4.2 并网运行控制策略 本节给出了直驱式风力发电系统的并网运行逆变控制策略，鉴于时间的原因，并没有对该系统的并网结构进行仿真，以下给出了其基本控制方案。其基本示意图如图4-5所示。逆变器为正弦脉宽调制（SPWM）整流器，提供固定频率、可变电压控制。采用绝缘门极双极性晶体管（IGBT），该器件是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达 1040kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区域宽。 图4- 5逆变电路示意图 由于变速风力发电机组的并网控制系统采用了电力电子装置，当它将电能输送给电网时会产生电力谐波使功率因素恶化。因此在变速风力发电机组与电网之间需要一个电力电子接口，该接口在骤变的风况条件下具有快速的动态特性并能确保向电网提供高品质的电能。对电力电子接口的具体要求是：（1）在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流；（2）具有单位功率因数或可控制的功率因数；（3）使发电机输出电压适应电网电压的变化；（4）向电网提供稳定的功率；（5）系统控制简便；发电机并网时需要满足一定的条件，即发电机电压与电网电压的相序、频率、幅值和相位分别一致，风力发电机组的并网也不例外。满足这些条件的目的是减小发电机并网过程对电网及发电机自身产生的冲击。在理想情况下，满足这些条发电机与电网之间的电流为零，即没有功率交换，发电机实现空载并网。如果逆变器的输出功率不能与风力机捕获的能量保持一致，则功率差必然表现在该装置的中间直流变换环节。即如果风力机捕获的风能大于逆变器的输出功率，则直流环节电压增加，反之则减小。所以中间直流环节电压的值可以反映该装置的输出、输入功率的平衡状态。对逆变器来说，中间环节的直流电压过高或过低都是有害的，其变动范围应是有限制的。这就需要控制逆变器的输出功率，以及对直流变换电路的控制，使风力机捕获的功率与逆变器输出的功率维持一个动态平衡。 考虑到需要并入的电网电压已知，逆变器输出电压的频率、幅值和相位跟踪电网电压（当考虑由于电感的原因，逆变器输出电压和电网电压存在一定的相位关系，可以通过锁相环测出它们之间的相角）。无论何种情况，对于已知的电网电压，都可以得到需要逆变器实现的每相输出电压的波形。为了便于分析和叙述，认为要求逆变器输出各相电压跟踪电网电压波形。在并网前，当风速和电机速度不断变化时，此时逆变器并不以获得最大风能为控制目标，而是希望逆变器输出各相电压跟踪电网各相电压为控制目标进行工作。用电压传感器检测电网和发电机电压的频率、幅值和相位，采用闭环PI控制，当检测到电压相位完全一致时，满足并网条件后并网。逆变控制示意图如图4-6所示。 图4-6 逆变控制示意图 电网的总负载中，除了需要有功功率，有的负载还需要无功功率，如感应电动机和变压器等都需要感性的无功功率。整个电网要是无功功率补偿得不够，就会导致电网的电压下降，这对用户是很不利的。因此同步发电机与电网并联后，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，这是它的一个很大的优点。 4.3双环控制早些年,PWM逆变器电压电流双环控制用输出电压有效值外环维持输出电压有效值恒定,这种控制方式只能保证输出电压的有效值恒定,不能保证输出电压的波形质量,特别是在非线性负载条件下输出电压谐波含量大,波形失真严重;另一方面,电压有效值外环控制的动态响应过程十分缓慢,在突加、突减负载时输出波形波动大,恢复时间一般需要几个甚至几十个基波周期。瞬时控制方案可以在运行过程中实时地调控输出电压波形,使得供电质量大大提高。其中,应用较多的有:电压单环PID控制,电压电流双环控制,滞环控制,重复控制,滑模变结构控制等。目前,电压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一,双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽,使得逆变器动态响应加快,非线性负载适应能力加强,输出电压的谐波含量减小。基于的电压电流双环逆变器控制原理图4-7所示外环为瞬时电压环控制。输出电压与参考正弦基准比较误差信号经过PI控制器调节后作为电流内环基准：内环为电流环。电感电流瞬时值与电流基准比较产生的误差信号与三角波载波比较后产生控制信号。由于采用电感电流作为内环因此这种控制方法有输出限流的功能即使在输出短路的情况下输出电流也不会很大，而是被限定在设定的电流值。这增加了系统的可靠性。对逆变器过载有较好的保护作用。 4-7 电压电流双环逆变器控制原理图4.4 DSP简述与选型根据前面中逆变装置系统结构设计要求，逆变装置的控制系统需采用高速微处理来构成数字控制系统。本文DSP选取的是TMS320F28335。 TMS320F28335简介：TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。 TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮 点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。引脚定义如图4-8 引脚定义 TMS320F28335接线图4-9如下： 4-9 接线图 第5章 系统软件设计5.1 基于MATLAB/Simulink 环境下的仿真研究5.1.1 MATLAB/Simulink概述 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 Simulink实际是一个动态系