综述及引言(1).doc

1 引言
1.1 本毕业设计的背景意义
1.1.1 设计的背景
随着全球能源消耗速度的持续增长，常规能源资源日益枯竭。风力发电(简称风电)以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。风电技术的发展主要体现在并网型风电机组的大型化和其控制技术的提高上。在风力发电系统中，风力发电机与电网并网运行时，要求风电频率与电网频率保持一致，由此将风力发电系统分为恒速恒频风力发电系统（CSCF）和变速恒频风力发电系统（VSCF）。
恒速恒频风力发电系统，是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变，从而得到和电网频率一致的恒频电能。无论风速怎么变化，通过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率的恒定。此种发电方式具有无法实现最大风能的捕获，风力转换效率不高，并网运行时会潜在地影响到电力系统的稳定运行等缺点[1]。
由于生产实际中，风速时时发生变化，因此为实现不同风速下高效发电，普遍采用变速恒频的发电方式。变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟。目前具有实用价值的变速恒频风力发电系统主要有直驱永磁同步风力发电系统(Direct—drive permanent magnet synehronous generator，D—PMSG)和双馈感应发电系统(Doubly fed induction generator，DFIG)[2]。
采用永磁风力发电机，可以提高发电机效率，增大电机容量，减少体积，因为发电机采用的永磁结构，省去了电刷和集电环等易耗机械部件，提高了系统的可靠性。与此同时因其不通过齿轮箱升速，发电机输出的电压频率随转速变化而变化，通过交一直一交变流器并网，能在电网侧得到频率恒定的电压，从而成为目前性能最优、可靠性和性价比最高的风力发电式。其基本工作原理：将风能转化为幅值和频率变化的交流电再经整流之后变为直流然后经逆变器变换为三相频率恒定的交流电送入电网。
1.1.2设计的意义
直驱式风电系统采用全功率传输模式，因此必须采用全功率变换器。基于电力电子技术的功率变换器是风力发电变流系统主电路中必不可少的主要装置，通过控制变换器来实现发电机与电网之间的柔性连接，及其对发电机转速的调节[3]。全功率变流器分成两部分：发电机侧变流器和电网侧变流器。网侧变流器与电网直接相连，为直驱风力发电系统提供稳定的直流电容电压，实现并网电流控制（网侧单位功率因数正弦波电流控制）；发电机侧变流器控制永磁同步电机的转速，使发电机追踪最佳转速，运行在最优功率曲线上，以便获得最大的功率。全功率变流器作为永磁直驱系统与电网的接口，其结构的选取对PMSG变速恒频运行性能至关重要。
1.2永磁风力发电系统综述
1.2.1永磁直驱风力发电系统组成
在永磁直驱型风电系统中,风力机直接连接PMSG,因此改善了风电系统由于使用增速齿轮箱而导致的运行噪音及机械损耗大、风能利用率低等运行性能。永磁直驱型风电系统还具有运行可靠性及风能转化效率高、机组整体重量小以及维护成本降低很多等优势。永磁直驱型风电系统通常包含风力机、PMSG、变流器、变压器、控制及保护系统等[4]。其中全功率变流器又可分为发电机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。PMSG的主要工作过程为：发电机定子绕组中频率、幅值变化的交流电通过整流器转换为直流电，接着通过逆变器，转换成符合并网要求的恒频恒压交流电。

图1-2-1永磁直驱型风电系统基本结构图
1.2.2永磁直驱风力发电系统的拓扑结构
永磁同步发电机通过全功率并网变换器(电机侧变换器和电网侧变换器)接入电网，不同的并网变换器拓扑结构决定了永磁同步风力发电机组具有不同的控 制策略[6]。根据变换器拓扑结构不同，主要可分为以下几种[5.7]：
1、 不可控整流器接晶闸管逆变器
采用晶闸管作为逆变器的开关管，可以通过控制触发角,改变直流侧电压，进而对风机转速进行连续调节,实现最大风能捕获。其器件成本低、能用于大功率场合，但是晶闸管逆变器工作时需吸收无功功率，并对电网产生很大的谐波污染，因此需要补偿器补偿无功及谐波。

图1-2-2不控整流器+晶闸管逆变器拓扑结构
2、不控整流后接DC/DC变换再接逆变器[1.5-7]
不可控整流器和Boost升压斩波电路配合联合控制,可以实现电网侧并网逆变器输入直流母线电压不随永磁同步发电机发出电压频率和幅值变化而变化,因此风速的变化不会影响并网逆变器输入的直流母线电压。机侧连接二极管整流桥，能量只能由发电机到电网单向流通，机侧变换器结构中省去了多个功率开关器以及驱动电路，提高系统可靠性与稳定性[3]。中间的直流斩波环节，其作用是可以校正输入侧的功率因数，提高发电机的运行效率。通过调节直流斩波器可以保持直流侧电压的稳定，同时可以对永磁同步电机的转矩和转速进行控制，保持变速恒频运行实现最大风能捕获。

图1-2-3不控整流后接升压环节和电压型PWM逆变器拓扑结构
3、背靠背双PWM变流器
系统由机侧变流器、直流侧电容以及网侧变流器三部分组成，可以实现能量的双向流动。发电机定子通过双 PWM 变流器与电网连接，该系统可以将频率和幅值均变化的交流电转换成频率和幅值符合并网要求的电能送入电网[8]。PWM整流器可以实现网侧电流接近正弦波，功率因数近似为1，并可实现四象限运行，具有较快的动态响应，能量双向流动，直流母线电压可控制和抗负载扰动能力强等优点。双背靠背PWM变流器，能实现对永磁风力发电系统有功功率和无功功率解耦控制，实现最大功率点追踪，以便最大效率利用风能。

图1-2-4背靠背双PWM变流器拓扑结构
1.2.3永磁直驱风力发电系统变流器的控制技术
直驱永磁同步风力发电系统的主要控制对象是发电机侧整流器和电网侧逆变器[2]。机侧变换器主要实现最大功率点跟踪（MPPT）控制，网侧变换器有两个基本控制要求：一是要保持直流母线电压稳定；二是实现实现网侧单位功率因数正弦波电流控制。根据控制目标选取合适的控制策略显得尤为重要。
机侧控制策略主要有矢量控制(VC)，直接转矩控制(DTC)两种[9]。机侧整流器最常用的控制策略为：基于转子磁场定向的矢量控制，采用转速外环、电流内环以及使d轴电流为零的控制策略。
网侧根据电流控制方式不同可分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制通过控制网侧变换器的电网电流，具有快速电流响应、强的鲁棒性等特点，是目前广泛应用的一种控制技术[3]。根据矢量定向和控制变量的不同，逆变器的控制策略可归纳为如下四类：①基于电压定向的矢量控制（VOC）；②基于电压定向的直接功率控制（V-DPC）；③基于虚拟磁链定向的矢量控制（VFOC）；④基于虚拟磁链定向的直接功率控制（VF-DPC）.
对于三相全桥逆变器期望输出电压为正弦波，通常可以采用正弦脉宽调制技
术(SPWM)，以频率远远高于期望输出波形频率的等腰三角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，确定载波和调制波相交点为开关管的通断时刻，从而在逆变器输出端获得在正弦调制波半个周期内一系列幅值相等、宽度不等的矩形波。为了提高直流母线电压的利用率，通常采用电压空间矢量调制(SVPWM)技术[11]。
1.3永磁风力发电系统控制器研究现状
近几年永磁直驱型风力发电得到了快速发展,而变流器是风电系统的重要组成部分,是将风能转化为可并网的优良电能的关键。根据不同变流器的控制目标选取不同的控制策略和控制方法，是近来研究并网型永磁风力发电系统的一个热点。
文献[4]建立了永磁直驱型风电系统PMSG，双PWM变流器等各部分的的数学模型，将SVPWM控制技术原理应用于双PWM变流器控制中，使双PWM变流器具
有直流侧电压利用率高、开关损耗小、输出电流谐波少等优点。研究永磁直驱型风电系统双PWM变流器控制策略,包括机侧PWM变流器控制策略和网侧PWM变流器控制策略。机侧PWM变流器釆用转速外环、电流内环的双闭环控制策略,网侧PWM变流器采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。在MATLAB/SIMULINK仿真环境下搭建永磁直驱型风电系统PMSG、双PWM变流器、电网等各部分的仿真模型以及并网仿真模型。并网性能仿真结果显示，双PWM变流器控制策略实现了
风电系统的最大功率点追踪及单位功率因数输出。
文献[10]选择三相电压型PWM整流器(VSR) 作为研究对象，提出了一种基于模糊控制和分数阶控制的模糊分数阶PIλDμ控制器，与常规整数阶PID控制器相比，其设计过程更加灵活；模糊控制可以跟踪误差信号，在线实时改变控制器PIλDμ参数，改善控制效果，提高系统的鲁棒性。
文献[5]研究了永磁直驱风力发电系统的核心电能变换器(PWM变换器)的控制策略，采用了基于网侧电压定向的矢量控制算法，控制上采用电压、电流双闭环控制，检测电网同步角用作坐标变换。分别采用间接电流控制和直接电流控制策略,详细分析两者在电流控制性能上的差别。接着研究了永磁直驱风力发电系统中永磁同步发电机的速度控制策略，为实现最大风能追踪，采用了基于电机转子磁场定向的矢量控制算法、id = 0电流矢量控制策略，在此基础上，利用最优转矩法进行最大风能追踪的仿真。结果表明，最大风能追踪控制策略是有效的。