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直驱永磁风力发电系统并网逆变器的控制人：指导老师：2013年6月18日直驱永磁风力发电系统并网逆变器的控制研究的背景与意义研究内容及研究工作进展结论研究的背景和意义：能源和环境问日益严重。促使了全世界对绿色电力的狂热追求，风能以其取之不尽、用之不竭、无污染的众多优点而得到人们的认可。但是由于风能具有不稳定和随机性，风力发电发出的电能是电压，频率随机变化的交流电，必须采用有效的电力变换措施后才能够将风电送入电网。为了改进风力发电机发电系统的运行性能，近年来发展了基于交-直-交变流器的变速风力发电系统。在交-直-交变速风力发电系统中，逆变器的控制技术是关键，国内外纷纷展开这方面的研究工作。显然对于直驱永磁风力发电系统并网逆变器的研究是非常重要的。论文主要内容简介：风力发电及逆变器控制的重要性，以及目前的发展研究状况；对直驱永磁风力发电系统组成结构及各部分原理进行详细阐述及逆变器装置的介绍；提出风力发电系统并网逆变器的控制策略；风力发电的重要性风是人类最熟悉的一种现象，风无处不在。太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力分布不均。在不均的压力作用下，空气沿着水平方向运动就形成了风。风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此是取之不尽用之不完的。世界能源消耗量在随着全球经济的快速发展而持续增加，以前人们用的最多的能源即化石能源的储备量正每况愈下，据统计，全球的煤炭仅仅能再开采216年，天然气55年，石油34年。在能源严重缺乏的限制下实现经济和大自然的可持续发展己成为中国乃至世界迫在眉睫需要解决的问题。逆变器在风力发电系统中的重要性在风力发电系统中,风机已实现国产化,国产风电机组单机容量己达1.5兆瓦、2兆瓦甚至更高,但其轴承,变流器及控制系统等核心技术仍然依靠国外厂家。变流器是风力发电系统中的一个重要部件,它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，而逆变器的控制技术是控制技术中的核心关键技术之一,研制适用于风电转换的高可靠性，高效率及供电性能良好的风力发电逆变系统,是风力发电技术的研究重点。风力发电目前的发展状况国外发展状况：风力发电在新能源和可再生能源行业中增长最快，平均年增长率高达40%左右国，意大利德国年增长率高达50%以上。德国风电量已经占全国总发电量6%，丹麦风电已经超过25%。世界积累的风力发电设备越有190000多台，总装机容量9000多万千瓦,欧洲占75%。国内发展状况：我国风能资源存储量居世界首位，总的可开发利用的风能总量为2.53亿千瓦，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三，仅仅路上可开发的装机容量就达到2.5亿千瓦。我国对风能资源的状况做了深入的勘探调查，我国风能资源分布很广，在东南沿海，山东，辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9m/s，内陆地区，如内蒙古的北部，甘肃，新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区域，风速达到6.3m/s，在这些地区有很好的开发利用条件。这几年我国的交通条件得到了极大的改善，电网覆盖程度有了很大的提升，许多风力资源丰富地区已置于电网的覆盖之下，也为建设大型风电场提供了有利条件。为了促使我国风电产业的发展，国家纪委一直研究和制定新的可再生能源政策，一些政策已经开始出台并且实施，这些必将有利推动我国风电事业的发展。对逆变器在风力发电系统中应用现状而对于独立运行的逆变器而言，它的拓扑和控制策略方面的研究已经很多，并且现在已经有了很多很成熟的电路已经用于很多产品中，而用作并网功能的，因其特殊的功能要求，还是不是一个成熟的领域。我国对于并网逆变器的研究起步较晚，这和国外发达国家相比，具有着一定的差距.目前主要有几个研究方向：即逆变器的拓扑结构研究；并网逆变器控制策略研究；逆变器输出侧滤波器结构；孤岛效应检测和保护的研究；工作模式的无缝切换技术的研究；同步锁相技术的实现等。直驱永磁风力发电系统组成结构及各部分原理阐述整个风力发电系统由风力机、传动系统、永磁同步发电机、整流器、逆变器、控制器等构成，风轮将风能转变为机械能，发电机由风轮带动再将机械能转变为电能，并经电能变换装置的转换来满足用户需求，控制器对相关电能参数进行调节，最终实现并网或对负载供电。风轮：将风能转变为机械能发电机：由风轮带动再将机械能转变为电能整流器：是把交流电转换成直流电的装置，可用于供电装置及侦测无线电信号等。逆变器：直流变交流的作用，与整流相对应，把直流电变成交流电称之为逆变。变压器：变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。滤波器：滤波器（filter）是指减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件。是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。风轮吸收功率的影响因素和原理：风力发电机组的输出功率主要受三个因素的影响即风速Vw，桨距角β和高速特性数λ（λ=V/Vw=ωr/Vw，V=2πrn/60vw；即λ与风轮转速n有关）风力机功率Pr为：Pr=0.5ρπCp（β，λ）r2Vw3,其中λ=ωr/Vw=2πrn/60vw.式子中Pr是风轮吸收的功率，ρ是空气密度，r是风轮半径，λ是速比，是叶尖速度与风速之比。ω是风轮角速度。Cp（β，λ）是风能利用系数，最大值是贝兹极限59.3%，Cp曲线如下图所示：Cp（β，λ）曲线是保持桨距角β不变的风力机性能变化，如左图，只要使得风轮的速比λ=V/Vw=λopt不变，即风轮叶尖速度V(相应的转速n)与风速Vw同步增减，就可维持机组在最佳效率Cpmax下运行。变转速控制就是使风轮跟随风速的变化而相应改变其旋转速度，以保持基本恒定的最佳速比λopt.逆变器的拓扑结构风力发电机组的控制策略风力发电机组的变速恒频控制策略为实现风能的最大利用和功率的最大输出及稳定，变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。转速控制策略的低于额定风速时,为了保持在最佳叶尖比下工作，必须根据风速的变化随时调节发电机转子的转速，一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制。为实现对最佳转矩-转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制和直接速度控制两种方法。风力机的机械转矩为：Ta=0.5ρπCT(λ，β)r3v2式子中，Ta为风力机的机械转矩；r为风轮桨叶半径；CT(λ，β)为优化转矩系数；β为桨距角，低速时为定值；λ为叶尖速比，λ=ωar/v，ωa为叶尖速度；ρ为空气质量密度；v为风速。而发电机转矩的期望值与转速的关系为：T*=Koptω2所谓间接速度控制就是利用T*=Koptω2的关系控制转矩的，因风力机的转速不是直接被控制的，因此称之为间接速度控制。直接速度控制是将任一给定时刻所需的最佳发电机的转速设置为风速的函数，通过转矩观测器来预测风力发电机的机械传动转矩加以控制。发电机参考转速的设定式子为式中，ω*为发电机转速的参考值；Tm为转矩的观测值发电机转矩的设定式为：Te=Koptω2-Bω(式中，B为系统的摩擦转矩系数)间接风速控制和直接速度控制的速度控制策略如图3-39所示。图中系统的给定ωopt与有效风速V之间的关系可用下式的叶尖优化速比得到间接速度控制策略直接控制策略风力机随风速的三次方获得能量，因此在风速大幅度，快速变化时，控制曾益也应变化，风力机的转速控制实为跟踪控制，对应最大能量捕获的转速值就是系统的输入，由于机械转矩滞后于电磁转矩，所以在动作上有一个感应滞后环节。