风力发电数字控制平台研究

1、风力发电数字控制平台研究1. 技术背景能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速地增长，迅速推动了世界工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量非常有限。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，致使能源危机成为阻碍人类进一步发展的障碍。据估计，煤炭还可以持续328年，石油还可以维持46年，天然气还可以维持56年，天然铀原料还可以维持63年。能源危机的重要表现是能源价格的不断上涨和电力紧张。 另外大量非可再生能源的消耗致使环境恶化，气候变暖。能源危机与环境恶化是人类所面临的两大难题，它们相互矛盾又相互关联的。如何解决这两大矛盾，利用科技手段开发可再生能源。太阳能、风能是可再生的洁净绿色能源，它们不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用之不竭。 风力发电作为一个重要的可再生能源获得了很大的发展，随着技术水平的提高和市场不断扩大，风力发电增长迅速。单机容量不断扩大，国外有实力的企业在开发35MW机组，目前兆瓦机组已经商业化。据欧洲风能协会（Europe Wind Energy As

2、sociation）和美国风能协会(America Wind Energy Association)的统计，截至2003年底止，全世界风电装机容量已达到39.294GW，其中2003年新装机容量为8.133GW，比上一年度增长26 预计在下一个20年内会继续保持两位数的增长势头。欧洲和美国继续主导新增市场份额，尽管市场占有率比上一年的93下降了3个百分点。在欧美以外印度的新增装机达到408MW，遥遥领先于其它国家。EWEA预计，2010年欧洲的风电装机容量将从2003年的28.4GW增加到75GW，到2020年将达到180GW，能够满足欧洲半数以上人的用电需求。在我国，一次能源结构中的主导地位决定了在电力生产中的以煤电为主的格局。从1996年起国家计委启动了发展大型风电的“乘风计划”和发展小型风电的“光明工程”。目前，我国50200W的微型风力发电机组技术已经成熟，并投入批量生产。120KW小型风力发电机组也研制成功，达到了小批量生产阶段。对于中大型风力发电机组截止到2003年底，我国在风能资源丰富的I4个省、市、自治 已建成风电场40余个累计运行风力发电机组1042台 总容量达567

3、02MW(以完成整机吊装作为统计依据)。但在所安装的机组中，原装进口机(除塔架外)占90以上，其余部分主要是与国外厂商合作合资生产的机组完全由国内研制生产的机组数量极少 由于进口设备价格较高，致使我国的风力发电产业发展受到严重影响，这一现实与国家要求进一步降低风电电价形成矛盾。除此之外，进口设备对中国气候条件的不适应以及大量损坏部件得不到及时维修和更换等课题进一步阻碍了中国风电产业的健康发展，因此发展我国大功率风力发电机组国产化是很必要的。2. 风力发电关键技术研究现状 2.1 风力发电系统拓朴结构风力发电机组并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率一致。保持发电机输出频率恒定的方法有两种： 恒速恒频，采取失速调节或者主动失速调节的风力发电机，以恒速运行时，主要采用异步感应发电机。 变速恒频，采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。概括起来风机技术可以分为三类：无电力电子功率变换的系统 电力电子功率变换电路处理部分风机能量的系统 电力电子全功率变换系统。 图1是无电力电子功率变换的系统图示：图1 无功率变换装置Fig. 1. Wind turbine sy

4、stems without power converter but with aerodynamic power control: (a) pitch controlled, (b) stall controlled, and (c) active stall controlled.感应电动机不随转矩而改变，几乎保持固定的速度在12的范围变化。功率是以失速，主动失速和叶片倾角控制限制的，通常使用一个软启动装置，为的消除启动时的启动电流。这种情况下需要一个无功补偿器消除风力发电机所需的无功，通常由电容虑波实现。这种结构由于低成本和高可靠性很有吸引力。非全功率的电力电子风力发电系统，能得到比上面更高的性能，下图是这种结构的配置图2 部分功率变换系统Fig. 2. Wind turbine topologies with partially rated power electronics:(a) rotor-resistance converter and (b) doubly fed induction generator.图2（a）所示的风力发电系统的发电机是绕线转子的感应电动机，一个由

5、电力电子控制的阻抗串联在转子绕组中，使电机的转速可调范围在24%之间。转子阻抗控制功率变换器具有低电压大电流的特性，同时，获得一个保持输出功率固定的一个控制自由度，这种方案同样需要软启动器和无功补偿器。图2（b）方案使用一个中等功率变换器，功率变换器通过一个滑环控制转子电流。如果发电机运行在超同步，电气功率通过电机定子和转子发出，如果发电机运行在亚同步，电功率通过电网提供给转子。30%额定功率的功率变换器可以达到围绕同步速的60%的速度变化范围。进一步说，电力电子功率变换器的功率可以更高，根据要求的故障容量限制和无功的控制能力，可以提高电网的电能质量。这种方案和经典结构比有些昂贵，然而，可以节约齿轮调速装置，同时具有无功补偿和发出的能力，并且可以捕捉更大的风能。是连接在电网和发电机间的全功率变换器，这种结构会在功率变换电路中增加额外的损耗，但是将获取技术性能的提高，下图所示了全功率变换器的拓朴结构 图3 全功率变换器Fig.3 Wind turbine systems with full-scale power converters with active and reactive p

6、ower control: (a) induction generator with gear, (b) synchronous generator with gear, (c) multipole synchronous generator, and (d) multipole permanent magnet synchronous generator.a和b拓朴结构中有齿轮，图3(b)中需要一个小的功率变换器控制同步发电机的励磁图3(c) ，近年来低速永磁多极同步电机应用日益广泛，以其小尺寸，省略易损的齿轮箱，可靠性高，全风速范围变换日益得到重视，MW级机组已开始广泛应用。应用于风力发电电力电子变流器有五种典型电气拓扑结构：l 背靠背式电压源逆变器l 矩阵式电压源变流器l 多电平式电压源变流器l 交交变换器2.2调制技术2.2.2 两电变流器调制策略PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制。 这里相当于基波分量的信号波并不一定是指正弦波，在PWM调制中可以是预畸变的信号波。目前的PWM的实现方式主要有正弦PWM

7、 (SPWM)、准最优PWM、开关损耗最小PWM、电压空间矢量SVPWM ( Space Vector PWM)、选择谐波消去法SHE的SPWM等。三相SPWM。正弦PWM (SPWM)是变流器基本的PWM调制方式，它的缺点是，即输出电压不够高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的倍，在同等的开关频率下，它的开关损耗较大。 准最优PWM准最优PWM也称三相马鞍形PWM，它与正弦波PWM的不同仅在于调制信号，它是在正弦波信号上叠加一个三次波，使之成为鞍形波。这种PWM变流器的特点是: 输出电压较高，较正弦PWM方式直流电压利用率高15，最大调制度M可达0.907 基波频域不存在谐波，即不存在低次谐波干扰。 开关频率与载波频率相同。 仍然为相电压控制方式。 电压空间矢量（SVPWM）电压空间矢量(voltage space-vector)是80年代中期国外学者在交流电机调速中提出，由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概念清晰，算法简单且适合数字化方案。其思路是把互差120度作正弦变化的三相电压看作由一个在空间进行旋转的矢量分解而成，此方法可以把直流利用率m提高到1.1547，因其含有零序分量

8、使直流利用率提高。开关损耗最小PWM也叫两相马鞍形PWM，它的方法是使输出的线电压保持在正弦的条件下，使调制波畸变。这种调制称为线电压调制法。它的优点是开关损耗低，与相电压调制法相比，可以使开关损耗降低1/3，它的输出电压也较高，直流利用率提高15%。2.2.3 多电平调制策略 载波调制方法(carrier-based modulation)载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。载波调制按其采样方法可分为：自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。规则采样又分对称和不对称采样。在载波调制中，对于m电平变流器，常定义幅度调制比和频率调制比分别为： 其中 为载波峰峰值， 为载波频率，为调制波峰值，为调制波频率多电平载波调制由于载波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度1）子谐波脉宽调SHPWM(SubHarmonic PWM)由Carrara提出的SHPWM的基本原理是：对m电平变流器，将m一1个具有相同频率和峰峰值 的三角载波集连续分布。频率为、幅值为 的正弦调制波置于载波集的

9、中间。将调制波与各载波信号进行比较，得到变流器的开关状态。在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案：(1)PD一所有载波具有相同相位。(2)POD一正、负载波间相位相反。(3)APOD一相邻载波间相位相反。SHPWM的最大线性幅度调制比为1。对SHPWM 的研究有如下一些重要结论 对于三相系统，频率比应为取3的倍数。 单相变流器，APOD配置电压谐波最小。 三相变流器，P D配置线电压谐波最小。2）开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switchinq F requency 0ptimal PWM) 由Steinke提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)3）载波相移脉宽调CPSPWM(Carrier Phase Shifting PWM)CPSPWM的基本原理是：多电平变流器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比、频率调制比，但各单元模块的载波间存在一定的相位差，变流器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，使其等效开关频率提高。各单元模块调制方法可以采用单极性、双极性、单极倍频SPWM调制，研究表明，单元模块采用单极倍频SPWM调制时，可获得最小谐波输出电压，这时单元模块两臂的调制信号相位相反，且载波间相位差 =丌n(n为级联单元数)。从控制自由度的角度来看，多电平载波调制方法的变化很多。在载波方面，存在载波类型、幅值、频率、相位、偏移量以及载波间相位关系等自由度；在调制波方面，也存在调制波类型、幅值、频率、是否叠加零序分量以及多相系统中调制波间的相位关系等自由度；还有载波和

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