直驱风力发电变流器及控制研究论文

甘肃机电职业技术学院现代装备制造工程系毕业论文直驱风力发电变流器及控制研究姓名：徐养婷学号：142000847班级：G142701年级：2014级指导老师：杨欣目录摘要1、引言.....................................................12、直驱风力发电变流器的背景和意义...........................22.1、风电变流器系统构成.................................22.2、风电变流器技术特征.................................43、风力发产业的现状及其前景.................................53.1、风力机与风力发电技术的发展史.......................53.2、世界风力发电的现状.................................63.3国内风力发电的现状...................................74、风力发电变流技术的现状与趋势.............................94.1、风力机的变桨距功率调节技术........................114.1.1、风力机的特性曲线............................114.1.2风力机的功率调节..............................124.2、发电机的变速恒频发电技术..........................134.2.1、恒速恒频发电系统............................144.2.2、变速恒频发电系统............................144.3、电力电子变流器系统................................185、对比研究当下各种变流方案................................206、我国乃至当今世界的能源状态..............................257、变流器系统的结构........................................268、变流器的控制系统........................................288.1、风电变流器系统功能................................288.2、风电变流器系统构成................................298.3、风电变流器技术特征................................30小结.......................................................31参考文献...................................................32致谢.......................................................33I摘要直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点难点，它对整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。关键词：恒速恒频变速恒频变流器11、引言随着风电机组单机容量的增大，双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生；从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用pmsg，pmsg不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。pmsg与全功率变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性，与双馈型机组（变流器容量通常为1/3风电机组额定功率）相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求[1-2]。中国风电行业发展迅速，但与国际发展水平还有很大差距，目前主要依靠进口，对外依赖性强；基于pmsg和背靠背双pwm变流器的直驱型风电系统是一种发展很快的技术，具有优良的性能，国外大型风电厂商已有成熟的直驱风电产品，国内在理论研究与产品性能方面，都还亟需提高与改进，因此很有必要对其涉及的关键技术进行研究。22、直驱风力发电变流器的背景和意义变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。变流器提供多种通信接口，如Profibus,CANopen等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。图2.1变流器工作原理框2.1、风电变流器系统构成3变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整流模块、逆变模块、输入/输出滤波器、有源Crowbar电路、控制器、监控界面等部件。变流器主回路系统包含如下几个基本单元：转子侧逆变器、直流母线单元、电网侧整流器。原理图如下：图2.2配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成，自身集成有并网控制系统，用户无须再配置并网柜，提高了系统集成度，节约了机舱空间，柜中还可提供现场调试的220V电源。控制系统由高速数字信号处理器（DSP）、人机操作界面和可编程逻辑控制器（PLC）共同构成。整个控制系统配备不间断电源（UPS），便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。上述各功能分配到控制柜、功率柜、并网柜中：控制柜：控制柜主要对采集回的各种模拟数字信号进行分析,发出控制指令,控制变流器的运行状态控制柜主要由主控箱、PLC、滤波器、电源模块等组成。功率柜：主要负责转子滑差能量的传递。功率柜主要由功率模块、有源Crowbar等构成。并网柜：主要用于变流器与发电机系统和电网连接控制、一些控制信号的采集以及二次回路的配置。并网柜主要由断路器、接触器、信号采集元件、UPS、加热器、信号接口部分等构成。4图2.3变流器控制结构框2.2、风电变流器技术特征风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。53、风力发产业的现状及其前景风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一[1]。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究3.1、风力机与风力发电技术的发展史风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段[4]。随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、6大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。3.2、世界风力发电的现状目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表1所示，截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%[5]。2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（GreenpeaceInternational）发表了一份标题为“风力12（WindForce12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世