本科生毕业设计MW直驱式风力发电控制系统研究

本科生毕业设计说明书题目：2MW直驱式风力发电控制系统研究2MW直驱式风力发电机控制系统研究摘要本文首先对风力发电的现状以及前景展望作了简要的介绍，并主要对2MW直驱式风力发电机的变流电路作了详细的分析。具体研究内容如下：⑴研究了阵风、渐变风和随机风的数学模型，介绍了风能转换基本原理、风力机模型和桨距角控制策略。并由风能利用系数与桨距角、叶尖速比的关系曲线，详细阐述最大风能捕获原理。⑵介绍了直驱式各种变流电路和变流方式及其优缺点，重点研究了2MW直驱式风力发电机的变流主电路，并分别研究其整流升压逆变部分。⑶分析了同步电机的数学模型，进行了CLARK变换和PARK变换以此来研究定子方程和转子方程。同时也进行了同步电机的矢量控制分析，把直流电机的控制思想移植到交流电机上，把交流电机当直流电机来控制。关键字：风力发电；直驱式同步发电机；变流电路；矢量控制Studyoncontrolsystemof2MWdirect-drivewindturbineAbstractThispaperfirstlyhasabriefintroductionofthestatusandprospectsofwindpower,andthenanalyzescurrentcircuitof2MWdirect-drivewindturbineindetail,Specificstudiesareasfollows:(1)Themathematicalmodelofgust,rampchangeofwindspeedandrandomchangeofwindspeedhasbeenstudied,andthebasicprinciplesofwindenergyconversion,windturbinemodelandthepitchcontrolstrategyhasbeendescribedtoo.Withpowercoefficientandpitchangel,thisarticleelaboratesmaximalwindenergycapturingprinciple.(2)Introducedadvantagesanddisadvantagesofdirect-drivecurrentcircuits,thenmainlymadeastudyoncurrentcircuitof2MWdirect-drivewindturbine,andmadearesearchoncurrentcircuit,boostcircuitandinvertercircuitofitrespectively.(3)AnalyzedmathematicalmodelofsynchronousmotorandstudythestatorandrotorequationswithCLARKandPARKtransformequations.Alsoconductedasynchronousmotorvectorcontrolanalysis,usedcontrolideasoftheDCmotortostudyACmotorandcontrolledACmotorsasDCmotors.Keyword:windpowergeneration;direct-drivesynchronouswindpowersystem;currentcircuit;vectorcontrol目录摘要⑵电压方程永磁同步发电机三相定子电压方程为：（4-8）考虑三相对称绕组，有，，而对于星型接法的三相绕组,根据基尔霍夫电流定律有：，整理上面两式得：（4-9）式中、、为各相绕组的端电压，、、为各相绕组电流，为电枢绕组电阻，为电枢绕组电感，为微分算子，为电角速度，为永磁电机极对数。同步旋转坐标系下永磁同步电机数学模型取永磁体转子极中心线为轴，沿转子旋转方向超前轴90°，电角度为轴，坐标系随转子同步旋转，如图4.1。按4.1节所列公式进行坐标变换，先将三相静止坐标系变换到两相静止坐标系上，然后再从坐标系变换到坐标系。过程中保持轴与轴一致，轴与轴的夹角即为式4-7中的。根据式4-5可得：（4-10）（4-11）文献[11]已证明：要保持坐标变换前后的功率不变（即所作变换为等功率变换），而又要维持合成磁链相同，变换后的两相绕组每相匝数应为原三相绕组每相匝数的倍。整理4-8，4-9和4-10可得：（4-12）式3-12中，和分别为定子电压的、轴分量，、分别是定子电流的，轴分量，和是等效，轴电感，为定子电阻。磁链方程为：（4-13）转矩方程为：（4-14）对于圆柱型永磁同步电机，有，则（4-15）由此可以看出，由于极对数为常量，不考虑去磁效应时永磁体的磁链也为常量，如果令定子轴电流为0，则发电机的电磁转矩仅与定子轴电流成正比，因此可以通过调节来调节永磁发电机的电磁转矩，进而调节转速，使系统可以在最佳叶尖速比状态运行，实现最大风能捕获，这些由发电机侧变流器控制系统实现。轴等效电路b.轴等效电路图4.3发电机等值电路永磁同步发电机在同步旋转坐标系下的等值电路如图4.3所示。永磁同步发电机的矢量控制技术矢量控制是一种新型的现代电机调速方法，它的实质就是对定子电流矢量的控制。由公式4-14可以看出，当电机的参数确定以后，电机的电磁转矩由定子电流矢量决定。而电流的空间矢量可分解成和两个分量，代表电流的励磁分量，代表电流的转矩分量，而且和是相互独立的，控制电流就可以控制定子电流产生的磁动势的量，控制电流也就控制了电机转矩的量。这样，通过坐标的变化就实现了电机有功、无功功率的解祸控制。众所周知，直流电机的控制技术比较成熟，而且也比较简单，矢量控制的目的就是把直流电机的控制思想移植到交流电机上，把交流电机当直流电机来进行控制。根据产生磁势不变的原则，把坐标系下的电流,通过Clark坐标变换转换成两相静止-标系下的交流量-，再经过Park变换将两相静止坐标系下的交流量变换到同步旋转-坐标系下的直流量-。把永磁同步电机的转子磁体当作直流机的励磁绕组，轴的正方向定向在转子磁体的正方向上，轴超前轴90°电角度。永磁同步电机常用的控制策略主要有单位功率因数控制，控制、弱磁控制、最大转矩/电流控制、恒磁链控制等，而的控制方式比较简单，转矩脉动小，调速范围宽，而且还可以实现定子电流的转矩和磁动势的解耦控制。永磁同步发电机的电流控制策略的控制策略这种控制方法的特点是，发电机的电磁转矩和轴电流成线性关系，控制轴电流就可以控制发电机的转矩，如式4-16所示：（4-16）在这种控制策略下能通过发电机的参考转矩得到参考电流，如式4-17所示：（4-17）对于表贴式永磁同步电机，这种控制策略也是最大转矩电流比控制。在的条件下，永磁同步发电机的矢量图如图4-4（a）所示，其中忽略了电机绕组电阻的电压降。如图4-4（a）所示，发电机稳态发电时，发电机的电流就是轴电流，与发电机的电动势同相位，相位超前端电压，即发电机要吸收感性无功功率，这导致了发电机的端电压比反电动势要高，并且随着负载电流的增大而增大，使得机侧整流器的额定电压比额定转速下反电动势要高；并且发电机的功率因数因负载增大而降低，要求变流器的容量有裕量。（a）单位功率因数下发电机的矢量图（b）电流轨迹与电流极限曲线图4.4下的矢量图和电流极限曲线如图4-4（b）在的矢量控制下电流的轨迹图，轨迹圆是发电机的电流极限曲线，受发电机和变流器容量的限制，发电机的电流不能超过这个极限值：（4-18）发电机的电流随电磁转矩的增加沿轴到达电流的极限值点A，这时的轴电流就是发电机组的极限电流，也即：（4-19）下面介绍电压的约束条件：（4-20）解得：（4-21）对式4-19和式4-20的电流值进行比较，其中较小的为轴电流的极限值，这样就得到发电机的电磁转矩最大值为：（4-22）单位功率因数控制策略为了提高发电机的功率因数，必须给发电机组输入一定的直轴电流量。这种控制如图4.5所示，同样也忽略了发电机绕组的电阻。单位功率因数下发电机组的矢量图可以看出，这种控制的最大优点是发电机单位功率因数运行，因此能够充分利用机侧变流器的容量。并且这种方法使得发电机组的端电压低于反电动势，不会引起发电机的过电压，由矢量图可得到满足单位功率因数的条件有：（b）电流轨迹和电流极限图图4.5单位功率因数条件下的矢量图和电流轨迹图（4-23）解得：（4-24）由上式解得的表达式为：（4-25）由式4-25可以得到单位功率因数运行条件，电流的轨迹如图4-25（b）所示。其中的轨迹为电流矢量的极限圆，段为单位功率因数控制时的电流轨迹。由式4-24得到的的两个解，舍去超过电流极限圆的解，可以得到由表示的唯一表达式：（4-26）把上式代入转矩方程式，可以解得电磁转矩关于电流的表达式，但解答比较复杂。下面考虑一种工程的近似方法，若时，则可以忽略式4-24项，便可得到：（4-27）将式4-27代入永磁同步发电机的电磁转矩公式，可得：（4-28）对表贴式永磁同步电机，可以忽略式4-28的最后一项，因此单位功率因数控制的轴参考电流指令和的矢量控制时的一样，但是需要提供一定的轴电流值，推导如下：（4-29）将式4-22代入上式，可以推导出轴电流的最大值和轴电流的约束条件。考虑到发电机在单位功率因数运行，发电机组的端电压低于其反电动势，也即电压不会超限，因此不用考虑发电机端电压对电流的约束。总结与展望当今世界，随着人类社会经济飞速的发展，人们对能源的需求量日益增大，而常规能源可利用的数量在不断减少，这就造成了能源需求日趋紧张的局面。为了缓解能源危机，人们不得不一寻找一种可一替代能源，风能便进入了人们的视野，风能是一种可再生的新能源，在世界范围储量丰富，而且不污染环境。因此，风力发电技术在各国政策和资金的支持，快速的发展起来了，其技术也逐渐成熟。从最初的恒速恒频风力发电机组发展到如今的变速恒频风力发电机组，变速恒频风力发电机组使得发电效率大大提高了；发电机的类型从感应式异步发电机发展到双馈式感应发电机。由于双馈式风力发电机组需要齿轮箱作为其传动装置，而齿轮箱的故障率和维修率都比较高，这就造成了机组的可靠相差，维护频率高，于是永磁直驱式风力发电机组便应运而生了。风力发电系统综合了空气动力学、材料力学、电工学和控制技术等多学科的理论知识，自从国家电网公司发布了《风电场接入电网技术规定》，直驱式风力发电机因为其低电压穿越能力强得到了广阔的发展前景和越来越多的应用。由于一时间和个人能力的限制，本文仅对直驱式风电系统进行了简单的分析，仅仅是个人的一点点浅见，有很多不足之处。如今，国家推行节能减排政策，大力开发新能源，风力发电势必会得到更迅速的发展，政府规划2020年我国风电总装机容量将达到1.5亿kW，我国拥有制造永磁风力发电机的龙头企业，相信直驱式风力发电机的市场前景将会更加广阔。参考文献1.翟秀静,刘奎仁,韩庆.新能源技术[M].北京:化学工业出版社,2005:3-9.2.何柞麻,王亦楠.风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择[J].上海电力,2005,(1):8-18.3.郑康.交流励磁变速恒频风电系统研究[D].杭州:浙江人学,2004.4.谢震,张兴等.双馈风力发电交直交变流器控制策略研究[J].太阳能学报,2007,28(8):825-829.5.刘其辉.变速恒频双馈风力发电系统运行与控制研究[D].杭州:浙江大学,2005.6.AneaDHansen,Flov,Blaabjerg,etal.ReviewofcontemporarywindturbineconceptsandtheirmarketPenetration.WindEnergy,2004,28(3):247-263.7.Hong-WooKim,Sung-SooKim,Hee-SangKo.ModelingandcontrolofPMSG-basedvariable-speedwindturbine[J].ElectricPowerSystemsResearch,2010.8.Chinchilla,M.Arnaltes，BurgosJC.Controlofpermanentmagnetgeneratorsappliedtovariable-speedwindenergysystemsconnectedtothegrid[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2006,21(1).9.陈宗器,郝红珍.风电在中国[J].电气技术,2010.12:1-5.10.姜谦.2010-2015年中国风力发电行业投资分析及前景预测报告.中投顾问,2010.1.11.陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003:265-266.12.唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出