直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).pdf

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1、§6直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一、概述1.為什么風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要齒輪箱2.齒輪箱帶來的問題3.如何能夠省去齒輪箱4.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩種典型結(jié)構(gòu)二、不控整流+Boost控制的PMSG工作原理最大功率追蹤原理、控制思路、優(yōu)缺點(diǎn)。三、PWM變換器控制的PMSG工作原理1.PMSG的數(shù)學(xué)模型2.PMSG的矢量控制與最大功率追蹤四、PWM并網(wǎng)變換器的工作原理一、概述1.為什么風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要齒輪箱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較低，一般為幾十r/min~300r/min，而且葉片越長，風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越低。提示：

2、從最佳葉尖速比的角度考慮。ωRλ=optv葉片數(shù)相同的風(fēng)力機(jī)，其葉尖速比相近，在相同的風(fēng)速下，風(fēng)輪的半徑越大，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速須越小，才能保證葉尖速比為最佳葉尖速比。只有在最佳葉尖速比的情況下，風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能才最大。pinEf≈Φ4.44111Nkwmf1=60nnffEEN11N11N對于高額定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，必須采用齒輪箱升速；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量越大，齒輪箱的升速比越大。2.齒輪箱帶來的問題（1）降低效率（2）增加故障率，降低可靠性（3）增加維護(hù)成本3.如何能夠省去齒輪箱pinEf≈4.44111NkwmΦf1=60增

3、大極對數(shù)，就有可能在較低的轉(zhuǎn)速下獲得較高的頻率和輸出電壓。但雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，極對數(shù)增加，轉(zhuǎn)子加工的難度增加，而且體積和成本也增加，所以無法省去齒輪箱。電勵磁的同步發(fā)電機(jī)，盡管可以做到極對數(shù)增加很多，但體積會隨著極對數(shù)的增加而增加得比較快。最適合做成較多極對數(shù)的發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)，實(shí)際上，電動機(jī)也是如此。采用了多極永磁同步發(fā)電機(jī)，可以省掉齒輪箱，由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，稱為直驅(qū)。永磁同步電機(jī)，按氣隙是否均勻，可以分為表貼式（SPMSM）和內(nèi)嵌式（IPMSM）兩大類。都可以做成多極電機(jī)。IPMSMSPMSM永磁體的磁導(dǎo)率接

4、近于真空的磁導(dǎo)率，所以，表貼式是隱極的，交直軸電抗相等，內(nèi)嵌式是凸極的，交直軸電抗不等。4.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩種典型結(jié)構(gòu)直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般形式：風(fēng)速時(shí)刻變化，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)變化，PMSG發(fā)電的頻率和電壓也隨之變化，所以，既不宜將其直接接負(fù)載，也不宜直接接電網(wǎng)。如要接電網(wǎng)，須將這部分變頻變壓的電能變換為恒頻恒壓的電能才可以。先經(jīng)過AC/DC變換，然后再經(jīng)DC/AC變換。目前，差別主要在AC/DC變換上。目前，有兩種典型的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：不控整流+Boost控制的PMSG和PWM整流

5、器控制的PMSG。二、不控整流+Boost控制的PMSG工作原理發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電能，經(jīng)二極管不控整流環(huán)節(jié)變成直流電，整流的電壓取決于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載的大小。網(wǎng)側(cè)變換器則是通過保持直流母線電壓穩(wěn)定而將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能送到電網(wǎng)。且這個直流母線電壓要高于電網(wǎng)線電壓峰值。為了匹配發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與直流母線電壓，需要加一個Boost電路。Boost電路除升壓以外，還能實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤?？刂崎_關(guān)的占空比，可以控制電感電流，即發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率。iloadugaLRigaugbLi+RgbCV?dcugcLiRgc不同風(fēng)速下

6、，占空比與系統(tǒng)直流側(cè)功率關(guān)系：改變Boost電路的占空比，可以改變發(fā)電機(jī)的輸出功率。而且在某一確定風(fēng)速下，有一個可以輸出最大功率的占空比。風(fēng)速不變的情況下，占空比與系統(tǒng)輸出功率的關(guān)系不是簡單的線性關(guān)系。顯然，占空比的控制是最大功率追蹤的關(guān)鍵，但無法采用以前的最佳功率曲線法。而應(yīng)采用尋優(yōu)的方法。最簡單有效的一種尋優(yōu)方法是爬山搜索法。增大或減少占空比，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)發(fā)出的功率。如增大，則繼續(xù)朝這個方向調(diào)整占空比；如減少，則向相反的方向調(diào)整占空比；如向兩個方向調(diào)整占空比，系統(tǒng)的功率都減少，則到達(dá)了最大功率點(diǎn)。適合于優(yōu)點(diǎn)：控制思路簡

7、單，可靠。小轉(zhuǎn)動不足：步長的選擇影響追蹤的效果，動態(tài)響應(yīng)慣量的較慢，風(fēng)速的變化會影響其追蹤的效果。系統(tǒng)。不控整流+Boost控制的PMSG的優(yōu)點(diǎn)和不足：優(yōu)點(diǎn)：不足：電路結(jié)構(gòu)簡單。MPPT的效果較差?？刂坪唵?，無需位置/速度傳低電壓穿越的能力較差。感器，只需少量電流和電壓惡劣風(fēng)況下的控制能力較傳感器可實(shí)現(xiàn)MPPT。差。成本較低，可靠性較高。適合于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或?qū)ο到y(tǒng)效率和性能要求不高的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。三、PWM變換器控制的PMSG工作原理PMSG的控制，采用全控PWM變換器，可以對發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，進(jìn)而有效

8、地進(jìn)行最大功率追蹤。要理解如何對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確有效地控制，首先應(yīng)搞清楚其數(shù)學(xué)模型。1.PMSG的數(shù)學(xué)模型(1)參考方向的規(guī)定采用電動機(jī)慣例，向電機(jī)看過去，電壓與電流符合關(guān)聯(lián)參考方向；電流的參考方向與由它產(chǎn)生的磁通的參考方向符合右手螺旋關(guān)系；磁通與由它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢符合右手螺旋關(guān)系。(2)電壓方程dL