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直驱式风力发电系统的设计与仿真 0 风力发电系统的研究 随着人口的增加和人类对传统能源的开发和使用，传统能源面临着脆弱的危机。人们应该找到使用其他能源的方法。风能是一种无污染的可再生能源,它取之不尽,用之不竭,且没有常规能源(如煤电,油电)与核电会造成环境污染的问题。随着风力发电技术的成熟及新技术的应用,风力发电的成本越来越低,发电的可靠性也越来越高,因此对风力发电系统进行研究,开发非常必要。自20世纪80年代以来,风力发电技术经历了从恒速恒频到变速恒频的发展,其间,直接驱动型风力发电系统作为一种新型风力发电系统脱颖而出。永磁同步发电机直接驱动型变速恒频(PMSG-DDVSCF)风力发电系统是一种新型的风力发电系统,它采用风轮直接驱动多级低速永磁同步发电机。通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网,省去了传统双馈型风力发电系统中故障率高的齿轮箱,可以有效地提高风力发电系统的效率和可靠性。 从上世纪末开始,以德国Enercon公司为首的风电机组制造商,推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电系统。在我国,该领域正处于积极研究试验阶段,近年来也取得了很大进展。可以预见,省去齿轮箱的直驱式风力发电系统将成为未来风力发电技术发展的主要发现。本文提出了一种由AC-DC-AC复合变流电路组成的直驱式风力发电系统,该系统具有控制方法简单、成本低、可靠性强、电磁兼容好等优点。 1 系统结构 1.1 永磁同步发电机与风机耦合 系统采用直驱式风力发电结构,由风力机、永磁发电机、不可控整流电路、Boost电路、逆变电路组成。永磁同步发电机直接与风机耦合,将随机的风能转换为频率变化、幅值变化的交流电,经过整流后变为直流电,经过Boost变换器升压,得到稳定的直流电,最后经三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接电网。主电路拓扑结构如图1所示。 1.2 控制能源生产 (1) 升压器控制方案设计 选择三个升压斩波电路并联的形式构成系统Boost变换器,以减少单个电抗器和IGBT器件通过的电流大小,为逆变器提供一个稳定的直流电压,使得逆变器向电网输出一个期望的电流。 由于斩波器输入电压随风速变化而改变,当风速较低时,整流输出直流电压会很低;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。系统设计了该Boost变换器的控制方法,如图2所示。电路采用电压闭环加前馈的复合控制方法,通过改变Boost变换电路开关管的占空比,稳定逆变器输入电压,使系统运行在非常宽的调速范围。 (2) 变压器全并网电流控制 为了实现并网逆变,逆变电路输出必须满足一定条件,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。为此本文采用SVPWM调制方式对该电路进行控制,该调制方式是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种调制策略。其基本思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电机定子的理想磁链圆为基准,由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆,并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态,原理如图3所示。利用八个基本矢量可以合成任意角度和模长的参考矢量Uref,以扇区1为例,依平行四边形法则,并求解得: 当Tx,Ty不足时,插入零矢量补足,一般地有: 式中Ts为采样周期;Tx、Ty、T0、T7分别为Ux、Uy、U0、U7的作用时间。 本系统选择两相旋转坐标系中的q轴与电网电动势矢量Ug同轴,即q轴按照矢量Ug定向,Ug(q轴)矢量方向的电流分量Iq定义为有功电流,d轴落后Ug(q轴)90°,d轴方向的电流分量Id定义为无功电流,初始条件下,令q轴与a轴重合,此时的Park变换矩阵为: 其中[ia,ib,ic]T为并网电流矢量;[Ua,Ub,Uc]为逆变器输出的电压矢量;[Uga,Ugb,Ugc]为电网电压矢量;L是每相滤波电感的值。此时有: 通过上面分析,控制d轴电流和q轴电流,即可对并网功率和功率因数进行控制。给出控制框图如图4所示。 给定无功电流指令Id*为0,有功电流Iq*由MMPT(最大功率点跟踪)算法给定,当实际的并网电流Id、Iq大于给定值,则两者比较后的偏差为正,PI输出器的输出将不断增大,参考电压的幅值也越来越大,从而导致并网电流增大。从而导致并网电流Iq、Id逐渐接近给定值,经PI调节器的调节,输出将保持动态恒定。 (3) 风轮叶尖速比法 根据上面逆变器控制框图,系统需要对输出功率进行最大功率点跟踪。这里采用叶尖速比控制方法,控制风轮机叶尖速比始终保持在最佳叶尖值λopt,使系统工作在最佳风能利用曲线上。叶尖速比λ是风轮叶尖速度与风速之比,即: 式中Rw为叶片半径;ωw为风力机叶片旋转角速度;υ为风速。 式(9)表明,要想得到最佳叶尖值λopt,应使风轮叶尖速度跟踪风速变