并网电压源逆变器的一种新型直接功率控制策略毕业设计.doc

III风力发电系统中的电力电子变流技术摘 要风力发电变流系统是将风力发电机经励磁调节后输出的电压恒定、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要的组成部分。它能实现对发电机输出的电压、电流、有功功率和无功功率等参数的快速动态调节，提高系统的功率因数，减少对电网的谐波污染，是当前风力发电技术的研究热点之一。本论文在对风力发电机组的结构、工作原理、关键技术分析的基础上，对850千瓦风力发电机组的变流器及其控制系统进行了研究。论文首先分析了风力发电变流技术研究的背景和意义，介绍了风力发电系统的组成结构及其各部分的工作原理。同时，介绍了变速恒频风力发电系统的发展现状，阐述了定桨距型和变桨距风力发电系统的功率调节原理，综述了风力发电技术的发展趋势。然后，对风力发电机组的励磁系统做了简要的概述，在比较了多种励磁方案后设计了无刷励磁控制系统。紧接着，论文分析了系统要求，通过比对当前开关器件功率水平、成本以及控制策略，选择了不控整流和PWM逆变的变流系统。在对不同滤波器结构的并网变流器控制系统进行研究后，提出了“直接电流控制”方法对网侧变流器进行控制，根据直接电流控制原理建立了 PWM逆变器的数学模型，并通过Matlab/Simulink仿真验证了控制方法的正确性。关键词：风力发电，变速恒频，并网变流器，变流技术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 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 风力发电系统中变流技术研究的背景和意义11.2 风力机的运行原理21.3 风力发电系统的结构31.3.1 动力传输31.3.2 风力发电系统的基本结构41.4 国内外风力发电控制系统61.4.1 变速恒频风力发电系统71.4.2 风力发电系统的功率调节方式101.4.3 风电技术的发展趋势121.5 本文的研究内容122 同步发电机简述142.1 同步发电机的结构142.1.1同步发电机结构模型142.1.2 同步发电机结构型式152.2同步发电机工作原理152.3 同步发电机的空载特性162.3.1 相关知识162.3.2 空载特性的测定172.4 风力发电系统的的负载特性182.5 小结213 同步风力发电机励磁系统223.1 同步发电机励磁系统概述223.2同步发电机励磁系统分类243.2.1直流励磁机励磁方式243.2.2它励交流励磁机方式253.2.3 无刷励磁方式263.2.4 静止励磁方式273.3 对励磁系统的基本要求283.4 励磁系统设计方案283.5 小结304 风力发电系统中的电力电子变流技术314.1 系统的需求分析和总体设计方案314.1.1 850千瓦风力发电变流系统的需求分析314.1.2 850千瓦风力发电机的技术参数314.1.3 主电路结构设计324.1.4 工作原理324.1.5 逆变系统结构图334.2 三相电压型PWM并网变流器设计和控制原理344.2.1 并网变流器电流控制方法344.2.2 直接电流控制原理354.2.3 并网变流器电流环设计354.3 PWM逆变器的数学模型374.3.1 逆变器相关知识以及滤波电感的选择374.3.2 PWM逆变器的数学分析384.4 坐标变换的相关知识404.5 相关参数参考值414.6 仿真中用到的几个模型的建立424.6.1 变流器结构424.6.2 滤波环节434.6.3 控制模块434.7 变流器的的仿真分析454.8 小结47结论与展望48致 谢49参 考 文 献50附录511风力发电系统中的电力电子变流技术53风力发电系统中的电力电子变流技术1 绪论1.1 风力发电系统中变流技术研究的背景和意义能源是支持世界经济发展的重要因素和战略资源。人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关。每一次新能源的开发都使人类经济的发展产生质的飞跃。再21世纪，世界能源结构也正孕育着重大的转变。20世纪的两次世界范围内的石油危机，已经使人们意识到寻求和发展可以替代石化燃料的其它能源的重要性和紧迫性。同样，大量使用化石燃料对自然环境产生严重的污染和破坏。在过去20年中，全世界能源消耗增长了50%，到2020年全球能源消耗还将增长50%-100%，由此所造成的温室效应气体排放将会增加45%-90%，从而带来灾难性后果。能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。人类正在努力寻求清洁、高效、可以再生的能源来代替对石油、煤炭等常规能源的依赖。可再生能源大都直接或间接来自太阳，包括太阳能、风能、水能、生物能和地热能等，是洁净能源，对环境不产生或很少产生污染。开发利用可再生能源成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分，成为大多数发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的重要选择。在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。同时风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组的装机容量也越来越大，单机容量由500750kW量级增大到10002000kW量级，目前已研制成功单机5000kW的风力机。风力发电机组的运行方式也由独立运行发展到并网运行。在并网型风力发电系统中要求发电机输出恒压、恒频的交流电，传统的解决办法是采用失速调节或者混合调节的风力发电机，以恒转速运行。这种方法控制控制简单可靠，但存在着风能利用率低的缺点。随着风力发电技术的迅速发展，采用大功率可控器件研制的变流器也越来越多的应用在风力发电系统中。变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要部件。随着微电子技术和电力电子技术的迅速发展，变流技术也从通过交直流发电机的旋转方式，发展到20世纪6070年代的晶闸管逆变技术，而21世纪的变流技术多采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机以及数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于变流技术的领域，变流技术的应用领域也达到了前所未有的广阔。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的风力发电变流系统，是风力发电技术的研究重点，具有重要的意义。1.2 风力机的运行原理风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风力机及其制系统将机械能转换为电能，是风力发电系统中的关键部件之一，直接影响着整个风力发电统的性能、效率，风力机的变桨距功率调节技术和变速恒频技术是今后风力发电技术的发展趋势。下面介绍一下风力机的运行特性和功率调节特性。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数： （1-1）所以风力机输出的机械功率为： （1-2）式中：风力机实际获得的轴功率，单位为；：空气密度，单位为；：叶轮的扫风面积，单位为；：上游风速，单位为。风能利用系数反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径、桨距角均有关系的量。为了便于讨论风力机的特性，定义风力机的另外一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比。叶尖速比可以用下式表示： （1-3）式中：叶轮半径，单位为；：风力机的机械转速，单位为。风力机可以分为定桨距和变桨距两种。变桨距风力机的特性曲线通常由一簇功率系数的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比的函数，如图1-1所示。图1-1 风力机的特性曲线曲线是桨距角的函数，从上图可以看到曲线对桨距角的变化规律：当桨距角增大时曲线将显著减小。可以看出,对于一台确定的风力机,在桨叶节距角不变时总有一个对应着最佳功率系数的最佳叶尖速比,此时风力机的转换效率最高。换而言之,对于一个特定的风速v,风力机只有运行在一个特定的转速下才会有最高的风能转换效率。如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数只与叶尖速比有关系，则可用一条曲线描述特性，这就是定桨距风力机的特性曲线。恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然不可能保持在最大值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能，这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求最大，从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制：一方面是电气回路中元器件的功率限制；另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态：保证恒定，控制风力机转速(维持不变)直到转速达到极限；风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使具有较大数值，直到最大输出功率；当风速过大，输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。1.3 风力发电系统的结构1.3.1 动力传输叶片把流动的风能转换为转动的动能，通过叶片和轮毂组合的风轮传送给发电机，完成从动能到电能的转换。按不同的驱动方式划分，风力发电机又可以划分为齿轮驱动、直接驱动和混合驱动。齿轮驱动的风电技术，齿轮箱和主轴既是关键部件又是易损部件，既需要高质量的材料，也需要高质量的制造、安装和维护技术。自大型的风力发电机问世以来，已有上千台风力发电机更换了齿轮箱。齿轮驱动技术目前是风力发电机的主流产品。目前，齿轮传动技术单机容量最大的风电机组是由德国REPower公司生产的，容量5兆瓦，风轮直径达到130米，安装在120米高的塔架上。预计2010年将开发出10兆瓦的风电机组。为了减少传动部件，人们发明了直接驱动的风力发电技术。风轮与电机直接连接，依靠发电机的改型，降低发电机的转速，以适应低转速风轮技术。一种直驱发电机是传统的异步电机，有转子花环和转子激磁电路；另一种直驱发电机采用了永磁电机。直驱发电机以风力发电机风轮的转速运行，并且二者直接连接而不通过齿轮箱。风力发电机的直驱传动系统，避免了齿轮箱的成本和维护，降低了传动系统的损耗。人们对他也越来越感兴趣。针对直驱式风力发电机的优缺点，人们又开发了一种采用单级增速装置加多极同步发电机技术的混合式风力发电机。它采用一级齿轮箱来增速，但并未达到六级发电机的转速。它可以被看成全直驱传动系统和传统解决方案的一个折衷。芬兰Win-wind公司已开发出容量1.1兆瓦，风轮直径56米的混合式风电机组。3兆瓦的机组也已经安装完成，正在现场试验运行。预计2010年将开发出10兆瓦的风电机组。1.3.2 风力发电系统的基本结构风力发电系统通常包含风力机，无刷同步发电机，电力电子变流系统，控制及保护系统，并网变压器及断路器等，其结构如图1-2所示，其工作原理如下：风以一定的速度和攻角作用在风力机的桨叶上，使风力机产生旋转力矩从而转动，将风能转变成机械能，风力机带动与其同轴相连的无刷同步发电机转动，将机械能转变为电能，发出随风速的变化，幅值和频率都变化的交流电。发电机发出的交流电是不能直接并上电网的，需要经过变流装置将变压变频的交流电转化为与电网相位、频率一致的交流电然后通过升压变压器接入电网。下面对系统的几个主要部分进行简要的介绍。 图1-2 风力发电系统结构示意图（1）风力机风力机是吸收风能并将其转化成机械能的部件。风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能。一般情况下，风轮的转速在每分钟十几转，而发电机的转速要每分钟3000多转，这一任务要齿轮箱来完成，因此齿轮箱又称为增速箱。在早期的定桨距风力发电机组中，风力机大多采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构。随着风力发电机组设计水平的不断提高，在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组的设计中，开始采用变距风轮，桨叶和轮毂间通过可转动的推力轴承联接，提高了其在大风情况下的可靠性。（2）无刷同步发电机无刷同步发电机的运行原理与普通电励磁同步发电机相同，且电机结构更简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。在直驱型风力发电系统中，发电机运行在低速下，这样无刷同步发电机的转子级数必须大大多于普通发电机，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，呈圆环状。（3）控制及保护系统并网型风力发电机组作为一个独立运行的大系统，控制系统是不可缺少的。控制系统是由机组控制单元，偏航和桨距角控制单元、变流器控制单元、并网控制单元等组成的集散控制系统。偏航和桨距角控制单元负责调整风力发电机组的迎风角和叶片的节距角，当风速过高，超过系统的额定功率时，变桨距系统调节桨叶节距角，使风力机的转速下降，将功率控制在额定功率以下；当风向变化时，偏航系统可以跟踪风向，使机组始终迎风工作，并且当系统因为多次对风而导致电缆缠绕时进行解绕操作；同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而的值是发电机励磁电流的函数，改变励磁电流就可以影响同步发电机在电力系统的运行特性；变流器控制单元用来对发电机输出的电能进行控制，将发电机发出的变压变频的电能转变为恒压恒频的电能，经并网变压器并入电网，并在正常工作过程中接受主控制器的命令实现输出功率的控制，从而使机组工作在最佳风能捕获状态下；而机组主控制系统用于协调这些部件的工作，同时采集当前的外部参数（风速、转速、电网电压等），根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。在风力发电系统中，由于外部环境非常复杂，比如风力的不停变化以及电网的波动等各种问题，而发电机和变流器的运行决定了风力机的运行状况，因此，对发电机和变流器的保护是非常有必要的。变流器的保护系统需要不停的监视发电机和电网的电压、电流，直流母线的电压、电流等各种电气参数，并不断的将这些参数与其继电保护设置相比较，只要有一个参数超出了继电保护的设置要求，保护系统将会中断变流器的运行。（4）并网变压器及断路器风力发电机组运行状态下需要与电网联接，而在停机状态下则需要与电网断开，这就需要能控制开关的并网变压器及断路器，实现发电机在运行和停机状态下与电网的隔离。同步发电机与电网并联合闸前，为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并网条件，这些条件是：风力发电机的端电压等于电网的电压；风力发电机的输出频率等于电网电压的频率；并网合闸的瞬间，风力发电机与电网的回路电势为零；风力发电机的相序与电网的相序相同。风力发电机组的并网过程如下：由风向传感器测出风向并使偏航控制器动作。使风力机对准风向。当风速超过切人风速时。桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。在风力发电机被加速几乎达到同步速时。发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们的频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0度和360度的范围内缓慢地变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时，使断路器合闸并网。以上过程可以通过微机自动检测和操作。1.4 国内外风力发电控制系统控制系统可以形象地比作风电机组的大脑。风力发电机的所有动作都是在由控制系统发出的命令的指挥下完成的。因此，控制技术是风电机组的最核心技术之一。目前对风力发电机的控制主要是功率调节和速度调节。从功率调节方式上划分，风力发电机又可以划分为定桨距和变桨距变速风力发电机组。从速度调节方式上又可以划分为恒速和变速控制。1.4.1 变速恒频风力发电系统在风力发电机与电网并网时，要求风力发电频率与电网频率一致。由于变速变频发电系统中风力发电频率随风速而变，不能和电网频率始终保持一致，不能实用。但如果允许风力发电机在一定的风速范围内做变速运行，则能达到更好利用风能的目的。基于上述考虑，发展了变速恒频发电系统。近年来，研究较多的交流电机变速恒频风力发电系统主要有以下四种形式。（1）同步发电机变速恒频系统同步电机是自励磁电机，机电转换效率高，容易做成多极数低转速型，因而可以采用风机直接驱动，省去增速齿轮箱。系统成本低，可靠性高。同步发电机变速恒频发电系统如图1-3所示。如果能控制转子励磁电流的大小，还可控制发电机的功率因数。当采用永磁转子时，电极极距可以很小，因而可以大大减小多极数低转速电机的径向尺寸，但发电机的电压和功率因数就比较难控制了。此外，发电机的全部功率经由变频器输送到电网，变频器容量很大，至少要达到发电机额定功率的1.5倍，这是其不利的一面。但也有人在研究永磁发电机在风力发电的最大功率跟踪控制方法。图1-3 同步发电机变速恒频系统结构图由于同步发电机具有独立的励磁回路，无需再提供再生能量，因此交直交变换器不需要四象限运行，小功率的发电机也可采用永磁发电机，但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，此时无法将能量回馈至电网，因此实用的电路往往在直流侧加入一个Boost升压电路（如图1-4所示）在低速时由升压电路先将整流器输出的直流电压提升，采用此电路可使风力发电机运行在非常宽的调速范围，另外Boost电路还可以调节整流器入端（即发电机输出端）的电流波形，以改善其谐波失真和功率因数，此电路结构在中小型并网系统中有着应用前景。图1-4 具有升压功能的交直交同步发电系统优点：控制电路简单可靠； 无最大、最小速度限制，调速范围宽；发电机不承受高的，电磁兼容性好；对电网波动不敏感。缺点：三级变换（整流、升压、逆变）使系统效率下降23；直流环节电容为高压、大容量，体积大、价格高；网侧电感容量较大。（2）异步发电机变速恒频系统常规的变速风力并网系统的基本构成如图1-5所示，机组通常由风轮、增速箱、交流发电机、变距机构、整流器、变速器以及控制电路组成，早期的交直交并网逆变器整流器采用晶闸管相控整流器（如图1-5所示），但需要增加无功补偿电路，随着电力电子技术的发展，相控整流器逐步被PWM整流器所取代，以前PWM技术主要应用于逆变器场合，近年来PWM整流器已逐渐成熟，采用PWM整流器使得风力发电机的功率因素得到改善，谐波损耗也大大降低，其基本控制策略如下：在风力发电机组额定功率以内，控制器的控制策略是实现最大功率跟踪，即尽量利用风能，而当风速超过额定风速时，为使发电机组和逆变器不致于过载运行，此时应减小叶尖速比值，使风力发电系统运行于恒功率区域。采用交直交方式实现风机并网运行有许多优点:控制方式较简单；可使用普通交流异步发电机；有功分量和无功分量可单独控制；对电网波动有较强的适应性。但也存在许多缺点：整流器和逆变器的容量必须和风机功率相匹配，变换器价格昂贵；发电机绕组承受较高的，电磁兼容性较差；直流侧滤波器、交流网侧电感容量较大。基于上述优缺点，交直交并网发电系统不适合应用于兆瓦级系统，应用于10200kw系统时其性能价格比最优。图1-5 异步发电机变速恒频系统结构图（3）双馈电机变速恒频系统双馈（Doubly-fed）发电机在结构上与绕线型感应电动机相似，即定子、转子均为三相对称，转子绕组电流由滑环引入，其电气原理如图1-6所示，发电机的定子通过接触器投入电网，转子通过四象限交直交变换器与电网连接。其实质是通过调节转子电流的频率，相位及功率来调节定子侧输出功率使之与风轮输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近。图1-6 双馈电机变速恒频系统结构图双馈风力发电系统的优点如下：转子侧交直交变换器仅需要25的风机额定功率，大大降低了电源变换器的造价；网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低；可方便地实现无功功率控制。缺点如下：双馈发电机由于必须使用双绕组以及滑环，发电机成本较高，且无标准化设计方法；调速范围较小，一般只能在额定转速的70130内调节；控制电路较复杂；转子侧变流器工作在低频段（通常为016.6Hz）,由于功率器件一般其有效值在50Hz下标定，工作于低频段时IGBT等功率器件的热应力增加，功率器件必须留有足够的余量；转子绕组承受较高的，转子绝缘等级要求较高。（4）低速永磁同步发电机直接驱动系统上述三种系统均采用了增速齿轮箱将发电机的低速低频变为高速工频，但齿轮箱一方面产生巨大的噪声，同时也降低了风能的利用效率，新型的风力发电系统采用多极低速永磁同步发电机，通过功率变换电路直接并入电网，这就省去了增速齿轮箱（如图1-7所示），系统效率大大提高，噪声也进一步降低。图1-7 低速永磁同步发电机直接驱动系统直接驱动型风力发电系统的优点如下：风力发电机变速范围不受限制，提高了风能利用率。转动部分无需齿轮箱，降低系统噪音可采用多电平变换技术，将风能直接馈入高压电网。缺点如下：功率变换器造价昂贵；定子绕组绝缘等级要求较高。1.4.2 风力发电系统的功率调节方式功率调节也是风力发电的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。功率调节方式主要有四种。（1）定桨距失速调节型风电机技术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发电机的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。（2）变桨距调节型风电机技术变桨距风力发电机组通过变距调节器使风轮机叶片安装角随风而变化，以达到控制吸收风能的目的。在额定风速以下时，叶片节距角处于零度附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风机。在额速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时，主要采用功率控制，功率调节速度取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将引起风能较大的变化。风机桨距调节机构对风速的反应有一定的时延，在阵风出现时，桨距调节机构来不及动作而造成风机瞬时过载，不利于风机的运行。由于风能本身的随机波动性，一般的调节方法跟不上因风速变化而产生的发电机输出功率的变化，这显然对电网和输出的电能影响极大。为了减少输出功率这种变化，风力机制造商尝试了很多办法。比如丹麦的Vestas公司采用高滑差发电机，这种做法等效于在传动机构中增装一个弹性环节，使得输出功率大大减少，这种技术的优点是：桨叶受力比较少，发电机的结构部件轻巧，但是结构比较复杂。（3）主动定桨距调节型风电机技术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。（4）变速恒频风力发电技术变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以跟随风速的变化，由于转速发生变化必然导致发电机输出电压的频率发生变化，必须采用适当的控制手段（ACDCAC或ACAC变频器）来保证与电网同频率后并入电网。理论上讲这种技术是目前最优化的调节技术。这种调节方法在输出功率低于额定功率之前使效率达到最高，但是其输出功率大于额定功率时，即风速大于额定风速时，其调节方式将与变桨距调节方式相同。该项技术早在上世纪40年代就出现，但是当时受到控制技术及电力电子器件水平的限制没能得到很好的发展。到了80年代原苏联、日本等国已有兆瓦级的该类发电机投入运行。用该技术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。1.4.3 风电技术的发展趋势风电技术的发展趋势表现在：（1）风力发电机组的单机容量继续增大，兆瓦级机组与百千瓦级机组比小型机组有更好的经济效益；风力发电机组桨叶增长，具有更大的捕捉风能的能力；塔架高度上升，在50米高度捕捉的风能要比30米高处多20；（2）风力发电机组控制技术采用变速风机，在平均6.7米/秒时，比恒速风机多捕捉15的风能。（3）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项目，同等容量装机，海上比陆上成本增加60，但是电量增加50以上，并且，每向海洋前进10千米，风力发电量增加30左右。（4）随着风电技术水平的不断提高，其经济性逐步提高。一般估计，到2020年风力发电基本上可以和清洁的煤电相竞争。技术进步不断提高风能效率，降低风电成本，包括更安全的风轮、更大的叶片、更高的电力电子设备、更好使用的联轴器和更高的塔架等的应用。目前最显著的改进是不断增加的单机容量和风电机组性能。表1-1 风电技术发展趋势风电技术发展趋势年份198019851990199520002005额定功率（千瓦）308025060015005000叶片半径（米）1520304670115轴高（米）30405078100115潜在年出力（千瓦时）350009500040000012500003500000Ca.170000001.5 本文的研究内容开发绿色能源、实行可持续发展战略是世界各国解决能源问题、优化能源结构的正确选择。作为绿色能源的风能受到世界各个国家普遍的重视，风力发电技术同样也成为各国学者竞相研究的热点。本文以850千瓦无刷风力发电变流系统为研究对象，在分析了风力发电的基本工作原理的基础上，深入研究了适合大功率并网型风力发电变流系统的主电路结构，建立了PWM逆变器的数学模型，引入了直接电流控制（电压电流双闭环结构），并通过计算机仿真，验证了控制原理的正确性。论文的主要研究工作如下：本文首先简述了风力发电研究的背景和意义，介绍了目前国内外风力发电技术的发展状况，介绍了恒速恒频和变速恒频风力发电的现状及趋势，阐述了风力发电技术的发展趋势。同时，介绍了风力发电系统的基本结构，介绍了风力机、电力电子变流系统、控制及保护系统、并网变压器及断路器的工作原理以及风力发电系统各组成部分的控制原理，介绍了当前并网型风力发电机组的各种变流电路。第二章通过介绍同步发电机的结构模型、工作原理等知识，做了发电机的空载实验。通过对风力发电试验装置的了解完成了系统的负载实验。第三章首先概述了风力发电机励磁系统的原理和功能；其次，介绍了各种励磁方式的结构以及优缺点；最后，通过对励磁控制系统的要求分析以及该系统的具体情况设计了此系统的励磁控制方案。第四章根据850千瓦并网型风力发电系统的需求和技术参数，设计了系统的主电路结构及控制原理，引入了直接电流控制策略，建立了控制系统的数学模型并通过仿真验证了控制方案的可行性，并对系统以后的硬件实现进行了分析。2 同步发电机简述2.1 同步发电机的结构风力发电机是风力发电的主要设备，同步发电机与供给其机械能的风力机共同组成了风力发电机组。本章重点介绍了同步发电机的结构、工作原理、感应电势的推导过程和基本特性。2.1.1同步发电机结构模型同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成，一般分为转场式同步发电机和转枢式同步发电机。最常用的是转场式同步发电机（即磁极旋转同步发电机）。图2-1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步发电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。图2-1 同步发电机结构模型转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对发电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步发电机外,还有转枢式同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步发电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120°电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。 2.1.2 同步发电机结构型式同步发电机的定子结构和异步电机的定子结构相似，而转子结构有自己的特点。一般同步发电机的基本转子结构型式有凸极式和隐极式两种。（1）凸极式转子 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图2-2(a)所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极。对水轮发电机来说