2MW直驱式风力发电控制系统研究 毕业设计论文.doc
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1、 I 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: 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。 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。 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
2、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 毕业设计说明书 II Study on control system of 2MW direct-drive wind turbine Abstract This paper firstly has a brief introduction of the status and prospects of wind power, and then analyzes current circuit of 2MW direct-drive wind turbi
3、ne in detail, Specific studies are as follows: (1)The mathematical model of gust, ramp change of wind speed and random change of wind speed has been studied, and the basic principles of wind energy conversion, wind turbine model and the pitch control strategy has been described too. With power coeff
4、icient and pitch angel, this article elaborates maximal wind energy capturing principle. (2)Introduced advantages and disadvantages of direct-drive current circuits, then mainly made a study on current circuit of 2MW direct-drive wind turbine, and made a research on current circuit, boost circuit an
5、d inverter circuit of it respectively. (3) Analyzed mathematical model of synchronous motor and study the stator and rotor equations with CLARK and PARK transform equations. Also conducted a synchronous motor vector control analysis, used control ideas of the DC motor to study AC motor and controlle
6、d AC motors as DC motors. Keyword: wind power generation; direct-drive synchronous wind power system; current circuit; vector control 毕业设计说明书 III 目 录 摘要 .I Abstract II 第一章 绪论 .1 1.1 课题背景 1 1.2 风力发电系统的研究现状 2 1.3 风电的未来发展趋势 4 1.4 国内外风电发展现状 6 1.4.1 世界风电概述 .6 1.4.2 国内风电概述 .9 第二章 风力发电系统工作原理及其空气动力学模型和原理 .1
7、1 2.1 风力发电系统工作原理 11 2.2 风力机模型 12 2.2.1 空气动力学模型 .12 2.2.2 风速模型 .13 2.2.3 风能转换原理 .15 2.2.4 定变桨距发电机组和桨距角控制模型 .17 2.3 最大风能捕获原理 20 第三章 直驱式并网系统中的变流部分研究 .23 3.1 永磁直驱式同步发电机并网方式 23 3.2 直驱式风电系统中的各种变流电路 24 3.3 直驱式并网型风电系统的变流方式 27 毕业设计说明书 IV 3.4 变流器主电路研究以及工作原理 29 3.4.1 主电路的结构 .29 3.4.2 主电路的工作原理 .30 3.4.3 整流部分的电路
8、的工作原理 .30 3.4.4 升压斩波电路以及恒压输出原理 .32 第四章 永磁同步电机的数学模型及矢量控制 .36 4.1 基本坐标变换关系 36 4.2 三相静止坐标系下永磁同步电机基本方程 38 4.3 同步旋转坐标系下永磁同步电机数学模型 40 4.4 永磁同步发电机的矢量控制技术 42 4.4.1 永磁同步发电机的电流控制策略 .42 4.4.2 单位功率因数控制策略 .44 第五章 总结与展望 .47 参考文献 .48 致谢 .50 毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 能源是人类文明历史发展赖以存在和发展的重要物质基础,在过去的很长时间里, 以煤炭、石油、天然气等
9、为主的化石能源极大地推动了人类历史的发展。长久以来, 在大量使用化石燃料发展经济的同时,造成了严重的环境污染和生态系统的破坏,如 大气污染、水污染、臭氧层破坏、物种濒危、绿色屏障锐减、地荒漠化、酸雨侵害、 温室效应、垃圾积留、人口激增等问题,国际上概括为“3P”和“3E”问题: Population(人口) 、Poverty(贫穷) 、pollution(污染) 、Energy(能源) 、Ecology(生 态) 、Environment(环境) 。随着经济快速发展和人口的不断增长,能源需求与日俱增, 加快了能源的消耗,导致了以石化燃料为主的不可再生能源面临资源枯竭的严峻形势。 据专家统计,如
10、果按照现在的技术水平和采掘速度计算,全球煤炭资源还可供开采 200 年,预测已探明的石油储量仅能开采 40 年,天然气能开采 60 年 1。与此同时,日益严 重的环境污染问题也需巫待解决,因此,我们当下正面临着能源危机和环境保护两方 面巨大的压力。 从人类长远的发展来看,走可持续的发展道路,大力开发利用新能源、发展可再 生能源,已经成为人类社会发展的一项重大战略举措。可再生能源主要有太阳能、水 能、风能、海洋能、氢能、地热能以及核能等。由于具有可再生、无污染、绿色环保 等显著优点,风力发电成为当前的研究热点之一。 风能是由于地球表面大量空气在不停地流动而产生的动能,约有 2%的太阳辐射能 转变
11、为风能。据官方统计,全球共有风能资源约 4.3l09 MW,其中可用的风能资源大 概为 2l07 MW,达到全球能源需求总量的 15 倍以上 2。 与传统发电方式比较,风力发电具有很多自身的优点,具体表现如下: 可再生清洁能源。风能是一种绿色无污染可再生洁净能源,基本上不消耗资源, 更不会污染环境,具有火力发电无法比拟的优点。 可靠性高。目前,大中型风力发电机组的可靠性从 20 世纪 80 年代的 50%提高 到 98%,超过了火力发电,而且机组寿命也超过了 20 年。 运行维护简单。由于采用了微机技术,现代大中型风力机具有很高的自动化水 平,具有风机自诊断功能,其安全保护也越来越完善,不仅可
12、以实现单机独立控制, 毕业设计说明书 2 而且也能实现多机群体控制和远程遥控,完全可以做到无人值守,必要时,只需进行 定期的维护,避免了火力发电存在的大修问题。 实际的占地面积小。根据统计的结果,变电、监控和机组等建筑仅占传统火力 发电厂使用土地面积的 1%,其余的场地仍可供其他方面使用。 发电方式多样化。风力发电不仅可并网运行,也可和太阳能发电、柴油发电、 水利发电等其他能源组成互补系统向电网供电,同时也可独立运行。这样,为解决边 远供电困难或无电地区的用电问题,提供可能性。 正是因为风力发电具有如此多的优点,欧美各国早就重视风能的发展,他们通过 立法或实行各种优惠政策积极激励、扶持和推进风
13、力发电的发展。最近这些年,风力 发电在亚洲国家以及其他地区国家发展非常迅速。据估计,世界范围内每年可开发的 风能约为 53 万亿 kWh。全球风电总装机容量在 2020 年可能达到 1231 亿 kW,其中我 国风电装机容量占 0.14%,可达 1.7 亿 kW。 1.2 风力发电系统的研究现状 按照控制方式来划分,风电系统可分为恒速恒频系统(CSCF)和变速恒频系统 (VSCF )两大类。 CSCF 系统的特点是,不管风速怎么变化,始终维持风力机转速为 恒定值,这个值一般是同步速,从而实现恒定发电频率,其中,发电机大多数为同步 发电机或感应发电机。当风速不断变化时,风机叶尖速比不可能一直持在
14、最佳值状态, 也就不能实现风能最大捕获的目的,导致风能转换效率比较低。由于 CSCF 系统还是 一种刚性的耦合系统,在风速突变时,风力机的叶轮将要承受巨大的扭力和风力摩擦, 时间久了,将会造成严重的磨损。为了使机械转速保持不变,风力同样会在风机主轴、 齿轮箱、电机等部件上产生巨大的机械应力,这些都会减短风机的使用寿命。在并网 运行时,将会给稳定运行的电力系统带来潜在的影响。在 VSCF 风电系统中,当风速 不断的变化时,风机始终能够保持在最佳叶尖速比,从而提高风能的转换率,通过恰 当的控制策略从而产生恒定频率的电能。相对于 CSCF 发电系统,VSCF 风能的利用率 较高,各个部件受到的机械应
15、力得到了显著的下降,降低了运行的噪声。近年来,由 于引入了电力电子装置,变流机组的控制灵活性提高了,使得机组性能符合了电网公 司的高标准,从而进一步提高了电力系统调节的灵活性和暂态、静态稳定性。由于具 有以上种种优点,VSCF 发电系统己经开始逐渐地取代了 CSCF 发电系统,在 2004 年 和 2005 年,在全球所安装的所有风电机组中,92%的风电机组应用了 VSCF 系统,并 且这个比值还在不断上升。 毕业设计说明书 3 目前,VSCF 型风电机组主要可分为两种:基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组 和基于永磁同步发电机的直驱型机组 345,基本结构图分别如图 1.1 和图 1.2 所示
16、。 图 1.1 双馈型机组结构图 图 1.2 直驱型机组结构图 在双馈风力发电机中,发电机转子与风力机之间通过齿轮箱藕合相连,发电机定 子三相绕组与电网直接相连,转子绕组三相接头与电网之间通过背靠背变换器相连。 通过控制转差功率,发电机可在次同步、同步、超同步三种工况下运行,同时,电机 也有较宽的转速调节范围和较强的网侧功率控制能力。一般,在双馈风力发电机组中, 选取的变流器通常是部分功率变流器。由于仅仅输送转差功率,通常使用机组容量的 1/3-1/2 倍作为变流器容量,价格和成本比全功率变流器要低许多,因此具有一定的诱 惑力。 正因为具有那么多优势,在风力发电行业中,变速恒频双馈型风电机组应
17、用非常 广泛。从 21 世纪初开始,双馈型风电机组占有的市场比例已高于 CSCF 风电机组,并 且从此成为了大规模并网风电机组的主流机型 6。但是,在工作过程中,双馈型风电机 组的缺点开始显现出来了。首先,齿轮箱的成本很高,并且由齿轮箱自身导致的噪声 毕业设计说明书 4 问题和漏油问题都不能得到完全地解决,能量转换效率还是较低,系统的可靠性也得 不到保证;其次,必须按时对双馈电机中的电刷和滑环进行维护,大量的检修工作在 某种程度上降低了系统的可靠性。电机在低负荷下工作时,效率不高,尤其是电机的 单机容量越来越大,引发问题将更加明显。 由于不需要齿轮箱,直驱型风电系统机组巨大的发展空间逐渐展现出
18、来了。目前, 永磁直驱风电机组的装机容量约占风电装机总容量的十分之一,这个比例仍在不断提 高。近年来随着海上风电场的开发,2.5 兆瓦容量以上的永磁同步力发电机使用越来越 广泛。国外对直驱永磁发电机组的设计己经十几年了。在 1997 年,德国就生产了功率 为 600 kW 的永磁风力发电机。我国对直驱风电机组的研发技术比较落后,可发展非常 快。目前,湘电集团和金风科技早就开始独立制造了直驱永磁同步风力发电机。 由于直驱式风力发电系统省去了容易出故障的齿轮箱,风力机与发电机转子直接 连接,二者转速相等,所以发电机的输出端电压和频率随风速的变化而变化。若要实 现风电机组并网,需要经全功率 AC-D
19、C-AC 变流器以保证机电压的幅值、相位、频率、 相序与电网保持一致。 直驱式风力发电系统具有如下特点 78: 风力机直接驱动低速永磁同步交流电机,电机转速范围与风力机转速很好地匹 配,无增速齿轮箱,机组结构得到简化,减少发电机的维护工作并降低噪声污染,而 且切入风速较低,低风速时具有更高的效率。 永磁发电机结构比较简单、采用永磁体励磁,不需要从电网吸收无功来建立励 磁电压,因此损耗小、效率高、可靠性高,转子永磁体的极数很多,一般有几十极甚 至上百极,远远多于普通交流同步发电机的极数,所以永磁发电机转子半径很大,但 轴向长度却相对较短,呈圆盘形状。 采用全功率变流器可以实现系统输出有功功率和无
20、功功率的解耦控制,方便地 调节功率因数,提高了系统运行可靠性。但其缺点是需要两个全功率变流器来实现 AC-DC-AC 变换,增大了投资。制约直驱式风力发电机单机容量的主要因素是变流器 的额定容量和成本价格,但随着电力电子技术的飞速发展,变流器成本将会逐渐降低, 与其他系统所采用的升速齿轮箱结构相比,直驱式风电系统具有很大的竞争优势。 相比于其他风力发电机,省略齿轮箱的直驱机提升了能量转换效率,全容量变流 器改善了并网特性,但是风电机组的出力仍受自然风速的限制。作为风力发电的原动 力,风能的随机性与不可控性直接导致风电场成为不稳定的间歇性电源,因此,对直 毕业设计说明书 5 驱式风力发电机进行研
21、究。 1.3 风电的未来发展趋势 随着风力发电技术的不断发展,风电技术也在不断的升级换代。具体发展趋势主 要有以下几个方面: 风力发电机组单机容量不断增长 国际上 3MW 以上的变速变桨距风电机组己经研发出来了,5 MW 的风电机组正在 试验运行当中。目前,芬兰 WinWinD 公司己经研发出来了 1.1 MW 风电机组,该公司 的 3 MW 风电机组已经安装完成,2010 年该公司将开发出 1.1 MW 的风电机组。德国 Enercon 公司己经批量生产 1.8 MW 的直驱型风电机组,4.5 MW 的原型机正在试验当 中 9。 变桨距调节方式迅速取代失速功率调节方式 失速调节是通过风力机叶
22、片在高风速下气流与叶片之间产生的分离失速从而限制 功率增加的一种调节方式。它的缺点是需要叶尖刹车装置,风电机组的动态载荷比较 大。优点是由于轮毂与叶片之间没有运动部件,所以不需要复杂的程序控制,在失速 过程中的功率波动也比较小。 变桨距功率调节是根据功率信号控制风力机叶片的桨距角,从而改变气流攻角来 限制输出功率。它的优点是输出功率稳定,机组的启动性能好、结构受力小;缺点是 由于增加了变桨距装置,因而增加了故障概率,它的程序控制比较复杂。目前,变桨 距调节方式在兆瓦级以上的风电机组中应用比较普遍。 变速恒频迅速取代恒速恒频 为了获得最大的风能利用效率,变速恒频并网方式是通过控制发电机的旋转速度
23、, 进而控制叶尖比,使其达到最佳值。重要的是,变速恒频与恒速恒频相比,变速恒频 风电机组在运行时增加了“网间友善” ,因此目前兆瓦级以上的风电机组大多采用变速 恒频的方式。 无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大 齿轮传动不仅产生噪声、降低风电转换的效率和增加维护的成本,而且还是机械 故障产生的主要原因。直驱式风电系统由于解决了齿轮箱的问题,提高了系统的效率 和运行的可靠性,日益受到人们的青睐,在市场中所占的份额越来越大;2004 年德国 所安装的风电机组中有 40.9%采用了无齿轮箱的系统 10。 海上风电场的发展 毕业设计说明书 6 随着风力发电技术的发展,陆地风电的发展需要占用大量的土地,对周围
24、人民群 众的日常生活产生了不利的影响,同时海上风力资源相当丰富。因此,发展海上风电 事业已经是一种新的趋势。由于海上和陆地上的风电机组采用不同的叶尖速比,同时 海上风力发电机组比陆地上的风力发电机组对噪声的要求更低,所以采用较高的叶尖 速比速度可以降低机舱的成本和重量。国外对海上风力发电机场的建设做了很多工作, 并开发出了海上风能资源测试设备和海上风电场的安装平台。 1.4 国内外风电发展现状 1.4.1 世界风电概述 表 1.1 全球风电累计装机容量 年份 累计装机容量(MW) 1996 年 6100 1997 年 7600 1998 年 10120 1999 年 13560 2000 年
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