直驱型风力发电系统中机侧变流器.docx

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1、直驱型风力发电系统中机侧变流器摘要由于无齿轮传动装置，具有高的能源转化效率和高的运行稳定性，使得其在风电领域得到了广泛应用。变频调速装置是风力发电机组中不可或缺的能源转换装置，其性能的优劣将直接关系到风力发电机组的成败。因此，开展高效变频调速技术的研究具有十分重要的意义。永磁直驱风电系统中的变换装置主要分为两种，一种是机侧变换装置，另一种是网侧变换装置。其中，机侧变换装置的控制目的是为了调整发电机输出的电磁转矩，从而能够对电机的速度进行迅速调整，从而确保风电机组能够按照实时的风况来进行最大的功率追踪。电网中的逆变电源，其主要目的是实现电网中的交变电源电压与电流的同步，降低电网中的谐波分量。采用

2、变频调速方式，采用变频调速方式，实现了对电机电磁转矩的直接调控，具有结构简单、动态响应快等优点，满足了风电机组对电机速度的快速调控需求。通过对DTC的理论和实验研究，证明DTC具有良好的动态特性，但也有一些缺点，如磁链波动大，转矩波动大等。针对该问题，本项目拟开展一种新的SVM-DTC控制算法研究，该算法通过电机转矩偏移来预估电机磁场的可变角度，并利用空间向量调制(SVM)来获取所需的电压向量，从而解决传统DTC控制算法由于仅使用一个给定的、有限的电压向量而引起的脉动磁锁转矩。通过对SVM-DTC系统的模拟与试验，验证了该系统能够很好地抑制系统中的磁场波动及转矩波动，达到了系统的设计要求。关键

3、词：风力发电；数学模型；永磁同步发电第一章绪论1.1 研究背景伴随着经济的快速发展，以及社会的不断发展，人们对能源的需求也在不断地增加，然而，由于常规的矿物资源储备十分有限，并且由于矿物资源的过度开发利用，导致了非常严重的环境污染问题。要想为人类社会的发展提供强大的能量保证和美丽的生态环境，就一定要在可持续发展战略的指导下，将可再生新能源的开发与利用作为重点。当前，人们使用最多的是太阳能、风能和核电等新能源，风能由于它无处不在、全天候可利用、可就地取材、储量无限等优势，所以，以风能为主导的风能利用方式，得到了全球范围内的高度关注，并得到了大规模的使用。伴随着现代科技的不断发展，特别是电力电子技

4、术的快速发展，使得风机的额定容量不断增加，而且可靠性也不断提高，近十几年来，全球的风机行业规模呈几何倍数增长，现在已经成为继水电之后的第二大清洁可再生能源。当前风电机组主要分为两种形式：双馈式感应式风电机组和永磁直驱式风电机组，后者具有低噪声、高效率、高可靠性等优点，在风电机组中有着广泛的应用mO针对PMSM,电网与机端变换器的设计与运行方式直接关系到风电系统的运行效率与稳定性。风电机组功率日益增大，对变频调速技术提出了更高的要求。1.2 国内外风电产业发展及现状1.2.1 国外风电产业发展及现状利用风电来发电的想法是从1890年开始在丹麦提出的，到1918年，丹麦已经有了120座风电机组，但

5、在此后很久，受技术水平所限，风电的发展一直很慢。在技术进步的推动下，风电机组的生产费用逐步降低，技术日趋完善，在70年代，由于全球性的原油短缺，许多国家都急需发展风电这样的新能源，从而降低对原油的依赖性，风电行业进入了一个繁荣的发展阶段。随着丹麦在21世纪初建成了全球首座近海风电厂，并带动了我国近海风电行业的快速发展，推动了我国近海风电发展。为了实现2050年的零碳，欧洲、美洲、亚洲等地区的风能工业得到了很大的发展，尤其是欧洲地区，风能所占比例远远高于全球，因此，风能工业已经相当成熟。中国是一个新兴的国家，在2010年底，风力发电总装机总量跃居世界首位。根据数据显示，截止到2020年末，世界上

6、最大的风电累计装机容量己经超过了517GW,大约是世界上最大的70%。图1.1显示的是世界上最大的风电累计装机容量，可以看出，世界上的风力发电行业发展非常不平衡，未来的发展空间非常大。近十年来全球的风电累计装机容量一直处于高速增长阶段，图1.2为2009至2020年间全球历年风电累计装机容量增长图，预计很长一段时间内仍能保持这种高增速。据统计，2021年全球风力发电所需平均成本大概为53美元/兆瓦时，远低于传统化石能源的和光伏、核能等新能源的发电成本，具备很强竞争力。图1.22009至2020全球风电累计装机容量风电行业的快速发展，也造就了一大群风电公司，彭博新能源金融综合考虑了陆地风电与海洋

7、风电的风电整机厂商的装机容量，并公布了2020年全球风电整机制造商市场份额排名，资料表明，在前十位中，GE、Vestas西门子等传统风电公司占据了很大的比重，而中国风电公司也在快速发展，目前已经有7个中国公司跻身前十，中车风电、三一重能等也是第一个跻身前十。1.2.2 国内风电产业发展及现状我国拥有漫长的海岸线和广袤的土地，拥有丰富的海洋和陆地风力资源，东海是海洋风力资源的集中地，华东、华北、西北是海洋风力资源的集中地。直到20世纪80年代，我国才正式进入了风力发电领域，但是，在那个时候，我国的风力发电技术的研究非常滞后，风力发电产业的发展非常缓慢，仅能建设一些小型的风力发电工厂，很难满足人们

8、的电力需求。在90年代，随着国家863高科技项目的落地，以及双加工程、乘风计划等鼓励措施和优惠政策的出台，我国的风力发电产业才走上了正轨。21世纪以来，随着可再生能源法和一系列政策的出台，一批优秀的风能公司应运而生，我国风能行业的发展速度也在不断加快，我国风能行业的发展速度也在不断加快。图1.32010-2020年中国风电累计装机容量虽然我国的风力发电起步比较晚，但是在发展上已经大大超越了其它的风力发电大国，并且在发展上也己经超越了其它的风力发电大国，在2010年已经超越美国，成为全球最大的风力发电大国。中国以55.91%的比例位居世界首位，美国以18.19%的比例位居世界第二，显示出中国在世

9、界风力发电及环境保护方面的重要作用。中国不但在风力发电领域迎头赶上，而且在风力发电领域的技术水平也在不断地向全球风力发电大国靠拢。在2019年，东方电力公司研发出了中国第一台10MW的大型永磁直驱风力发电机，这代表着中国已经跨入了IoMW的行列，也代表着中国已经成为了世界上最强大的国家之一。但是，当前，与风力发电设计相关的许多核心技术仍然掌握在外国公司手中，因此，在机组的工作效率、风机的可靠性以及使用寿命等方面，仍然与一些风机大国相去甚远，一些重要的零件仍然需要从国外进口，这些都成为了限制我国风力发电行业发展的一个重要原因。因为风力发电技术属于一种具有多个设计领域的综合性技术，因此，要想让我们

10、的风力发电技术达到国际领先水平，我们就必须不断地增加我们的研究和开发的资金，不断地减少我们与国际上的领先水平，这也是我们今后一段时间内，我们要做的工作。1.3 机侧变流器控制技术研究现状直驱风电机组在运行时，因其运行速度的随机变化，造成机组速度不稳，并产生幅度和相位不规则的三相交流电流，而机端换流器的功能是将不规则三相交流电流转换成稳态的直流电流。在电力系统中，电机侧变换器所采用的最多的方法就是向量控制和直接转矩控制。1.3.1 矢量控制技术基本矢量控制机侧换流器矢量控制是一种使用时间比较长，也比较成熟的一种控制方法。在图1.4中，机侧换流器矢量控制的控制框图被构建在dq轴旋转坐标系上，使用了

11、直轴指定电流id*=0的方式，从而排除了直轴电枢反应，利用对dq轴电流的控制来调整电磁转矩，具有很高的运行效率。该方法存在以下不足：一是需要进行许多座标转换，计算量较大；另一方面，由于采用三重比例积分控制，导致了系统的抗干扰性和动态性较差。图1.4机侧变流器矢量控制控制框图改进的矢量控制在矢量控制中引入了自抗扰控制技术，可以有效地减少超调量，提高抗干扰能力，可以用于高性能的电机控制。然而，自抗扰控制的计算量太大，参数调节比较繁琐，还需要对其进行进一步的改进。通过对滑动模态观测器的研究，提出一种基于滑动模态观测器的复合控制器，实现对电机转速、转矩的快速、高精度估计，并通过试验验证了该控制器的鲁棒

12、性、鲁棒性以及快速性，但仍存在较大的抖动问题。为克服过度抖动，本项目拟采用滑模逼近法实现符号函数光滑化，并通过构造非线性扩展状态观测器，实现对外界扰动的有效抑制，但仍需进一步改善其控制性能。1.3.2 直接转矩控制技术基本直接转矩控制DTC是德国鲁尔大学M.Depenbrok与日本Takahashi在80年代首次将DTC应用于感应电动机的研究中。在1998年，由我国南京航科大学的胡育文院士首次提出了用于PMSM的DTCo直接转矩控制因其控制方式直接、动态响应快速等优势，己在PMSM控制领域展现出了良好的应用前景，并已拓展至PMSM控制领域叫图1.5是电机侧变频器的DTC控制方框图，与传统的矢量

13、控制相比，DTC是一种无需经过多个空间坐标转换就能实现对电动转矩的实时调整，且具有结构简单，响应速度快的特点，因此DTC技术在永磁直驱风电机组中得到了广泛的应用。由于采用了单次Pl调整方式，因此，本方法计算量较少。然而，DTC系统仍有如下缺点：第一，DTC系统中，DTC系统主要为bang-bang型的控制方式，其开关频率非恒定，使得DTC系统的转矩变化很大。二是在风电机组转速较低的情况下，由于DTC使用了一个纯粹的积分器来观察电机的磁通，将产生一个“积分”的“饱和”，从而使得DTC在转速较低的情况下测量到的磁通有很大的偏差。为此，有必要对现有的DTC技术进行一些改造，并提出了一些新的改造方案。

14、图1.5机侧变流器直接转矩控制控制框图编码器开关表转矩和磁链计算改进的直接转矩控制基于建立的非线性DTC模型，通过对电机转矩波动中各谐波分量的研究，实现了对电机转矩波动中二次及六次谐波分量的抑制。本项目以永磁同步发电机Vienna整流DTC为基础，提出一种新颖的切换向量查表，可在保证系统输出电流均匀性的前提下，实现转矩磁通的同步调控，可显著降低系统输出电流的波动，但其对切换向量查表的依赖性较强，使系统的工作范围受限。提出了一种基于滑模观测器的永磁同步发电机DTC预报算法，它利用滑模观测器观测到的等效反电势,同时利用静子电流进行预报，避免了复杂的座标转换过程，可有效地压制波动，但由于滑模观测器容

15、易受到噪音的影响，造成预报结果的抖动。1.4 研究内容本论文重点对永磁直驱风电系统中的电机侧变换器的直接转矩控制技术以及网络侧变换器的直接转矩控制技术进行了深入的研究，其具体的工作内容包括：第一章主要是对本论文选题的背景、意义、世界风力发电行业的发展历程和目前的发展状况进行了综述。本文介绍了一种新型的电机调速方法，并给出了该方法的基本原理。第二章介绍了PMSM在各种参考系统中的建模方法；建立电机端变流器及直流链路的数学模型，建立电机端变流器及直流链路的数学模型，为电机端变流器的控制策略提供理论依据。第三章是对基于DTC的飞机上变频调速系统的直接转矩控制进行了深入的探讨，并对基于DTC的飞机上变

16、频调速系统进行了详细的介绍。为解决基础DTC系统中铁心、转矩不稳定的问题，本项目拟开展定子磁链预测的SVM-DTC系统设计，利用铁心与转矩之间的差异，根据铁心与铁心之间的力矩偏移来预估铁心铁心的改变角度，并利用空间向量调制(SVM)来获取所需的电压向量，从而达到准确地调整铁心电机的转矩与磁心，从而解决基础DTCs系统中由于仅使用一个特定的、有限的电压向量所引起的铁心、铁心等脉动问题。第四章主要对以YXSPACE为中心的南京研旭电器股份有限公司的试验平台进行了总体设计，并对其各个部件的功能进行了阐述，着重对功率电子变换器的硬件线路进行了说明，并通过与研旭电器股份有限公司的硬件在环模拟控制器进行了对接，从而实现了对电源侧变换器的控制算法的模拟。第五章是本文的结论和未来的发展方向。第二章永磁直驱风力发电系统的数学模型