本科生畢業(yè)設計說明書題目2MW直驅式風力發(fā)電控制系統(tǒng)研究2MW直驅式風力發(fā)電機控制系統(tǒng)研究摘要本文首先對風力發(fā)電的現(xiàn)狀以及前景展望作了簡要的介紹，并主要對2MW直驅式風力發(fā)電機的變流電路作了詳細的分析。具體研究內容如下研究了陣風、漸變風和隨機風的數(shù)學模型，介紹了風能轉換基本原理、風力機模型和槳距角控制策略。并由風能利用系數(shù)與槳距角、葉尖速比的關系曲線，詳細闡述最大風能捕獲原理。介紹了直驅式各種變流電路和變流方式及其優(yōu)缺點，重點研究了2MW直驅式風力發(fā)電機的變流主電路，并分別研究其整流升壓逆變部分。分析了同步電機的數(shù)學模型，進行了CLARK變換和PARK變換以此來研究定子方程和轉子方程。同時也進行了同步電機的矢量控制分析，把直流電機的控制思想移植到交流電機上，把交流電機當直流電機來控制。關鍵字風力發(fā)電；直驅式同步發(fā)電機；變流電路；矢量控制STUDYONCONTROLSYSTEMOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINEABSTRACTTHISPAPERFIRSTLYHASABRIEFINTRODUCTIONOFTHESTATUSANDPROSPECTSOFWINDPOWER,ANDTHENANALYZESCURRENTCIRCUITOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINEINDETAIL,SPECIFICSTUDIESAREASFOLLOWS1THEMATHEMATICALMODELOFGUST,RAMPCHANGEOFWINDSPEEDANDRANDOMCHANGEOFWINDSPEEDHASBEENSTUDIED,ANDTHEBASICPRINCIPLESOFWINDENERGYCONVERSION,WINDTURBINEMODELANDTHEPITCHCONTROLSTRATEGYHASBEENDESCRIBEDTOOWITHPOWERCOEFFICIENTANDPITCHANGEL,THISARTICLEELABORATESMAXIMALWINDENERGYCAPTURINGPRINCIPLE2INTRODUCEDADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFDIRECTDRIVECURRENTCIRCUITS,THENMAINLYMADEASTUDYONCURRENTCIRCUITOF2MWDIRECTDRIVEWINDTURBINE,ANDMADEARESEARCHONCURRENTCIRCUIT,BOOSTCIRCUITANDINVERTERCIRCUITOFITRESPECTIVELY3ANALYZEDMATHEMATICALMODELOFSYNCHRONOUSMOTORANDSTUDYTHESTATORANDROTOREQUATIONSWITHCLARKANDPARKTRANSFORMEQUATIONSALSOCONDUCTEDASYNCHRONOUSMOTORVECTORCONTROLANALYSIS,USEDCONTROLIDEASOFTHEDCMOTORTOSTUDYACMOTORANDCONTROLLEDACMOTORSASDCMOTORSKEYWORDWINDPOWERGENERATIONDIRECTDRIVESYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMCURRENTCIRCUITVECTORCONTROL目錄摘要IABSTRACTII第一章緒論111課題背景112風力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀213風電的未來發(fā)展趨勢414國內外風電發(fā)展現(xiàn)狀6141世界風電概述6142國內風電概述9第二章風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理及其空氣動力學模型和原理1121風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理1122風力機模型12221空氣動力學模型12222風速模型13223風能轉換原理15224定變槳距發(fā)電機組和槳距角控制模型1723最大風能捕獲原理20第三章直驅式并網(wǎng)系統(tǒng)中的變流部分研究2331永磁直驅式同步發(fā)電機并網(wǎng)方式2332直驅式風電系統(tǒng)中的各種變流電路2433直驅式并網(wǎng)型風電系統(tǒng)的變流方式2734變流器主電路研究以及工作原理29341主電路的結構29342主電路的工作原理30343整流部分的電路的工作原理30344升壓斬波電路以及恒壓輸出原理32第四章永磁同步電機的數(shù)學模型及矢量控制3641基本坐標變換關系3642三相靜止坐標系下永磁同步電機基本方程3843同步旋轉坐標系下永磁同步電機數(shù)學模型4044永磁同步發(fā)電機的矢量控制技術42441永磁同步發(fā)電機的電流控制策略42442單位功率因數(shù)控制策略44第五章總結與展望47參考文獻48致謝50第一章緒論11課題背景能源是人類文明歷史發(fā)展賴以存在和發(fā)展的重要物質基礎，在過去的很長時間里，以煤炭、石油、天然氣等為主的化石能源極大地推動了人類歷史的發(fā)展。長久以來，在大量使用化石燃料發(fā)展經濟的同時，造成了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，如大氣污染、水污染、臭氧層破壞、物種瀕危、綠色屏障銳減、地荒漠化、酸雨侵害、溫室效應、垃圾積留、人口激增等問題，國際上概括為“3P”和“3E”問題POPULATION（人口）、POVERTY（貧窮）、POLLUTION（污染）、ENERGY（能源）、ECOLOGY（生態(tài)）、ENVIRONMENT（環(huán)境）。隨著經濟快速發(fā)展和人口的不斷增長，能源需求與日俱增，加快了能源的消耗，導致了以石化燃料為主的不可再生能源面臨資源枯竭的嚴峻形勢。據(jù)專家統(tǒng)計，如果按照現(xiàn)在的技術水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可供開采200年，預測已探明的石油儲量僅能開采40年，天然氣能開采60年1。與此同時，日益嚴重的環(huán)境污染問題也需巫待解決，因此，我們當下正面臨著能源危機和環(huán)境保護兩方面巨大的壓力。從人類長遠的發(fā)展來看，走可持續(xù)的發(fā)展道路，大力開發(fā)利用新能源、發(fā)展可再生能源，已經成為人類社會發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略舉措。可再生能源主要有太陽能、水能、風能、海洋能、氫能、地熱能以及核能等。由于具有可再生、無污染、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點，風力發(fā)電成為當前的研究熱點之一。風能是由于地球表面大量空氣在不停地流動而產生的動能，約有2的太陽輻射能轉變?yōu)轱L能。據(jù)官方統(tǒng)計，全球共有風能資源約43L09MW，其中可用的風能資源大概為2L07MW，達到全球能源需求總量的15倍以上2。與傳統(tǒng)發(fā)電方式比較，風力發(fā)電具有很多自身的優(yōu)點，具體表現(xiàn)如下可再生清潔能源。風能是一種綠色無污染可再生潔凈能源，基本上不消耗資源，更不會污染環(huán)境，具有火力發(fā)電無法比擬的優(yōu)點。可靠性高。目前，大中型風力發(fā)電機組的可靠性從20世紀80年代的50提高到98，超過了火力發(fā)電，而且機組壽命也超過了20年。運行維護簡單。由于采用了微機技術，現(xiàn)代大中型風力機具有很高的自動化水平，具有風機自診斷功能，其安全保護也越來越完善，不僅可以實現(xiàn)單機獨立控制，而且也能實現(xiàn)多機群體控制和遠程遙控，完全可以做到無人值守，必要時，只需進行定期的維護，避免了火力發(fā)電存在的大修問題。實際的占地面積小。根據(jù)統(tǒng)計的結果，變電、監(jiān)控和機組等建筑僅占傳統(tǒng)火力發(fā)電廠使用土地面積的1，其余的場地仍可供其他方面使用。發(fā)電方式多樣化。風力發(fā)電不僅可并網(wǎng)運行，也可和太陽能發(fā)電、柴油發(fā)電、水利發(fā)電等其他能源組成互補系統(tǒng)向電網(wǎng)供電，同時也可獨立運行。這樣，為解決邊遠供電困難或無電地區(qū)的用電問題，提供可能性。正是因為風力發(fā)電具有如此多的優(yōu)點，歐美各國早就重視風能的發(fā)展，他們通過立法或實行各種優(yōu)惠政策積極激勵、扶持和推進風力發(fā)電的發(fā)展。最近這些年，風力發(fā)電在亞洲國家以及其他地區(qū)國家發(fā)展非常迅速。據(jù)估計，世界范圍內每年可開發(fā)的風能約為53萬億KWH。全球風電總裝機容量在2020年可能達到1231億KW，其中我國風電裝機容量占014，可達17億KW。12風力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀按照控制方式來劃分，風電系統(tǒng)可分為恒速恒頻系統(tǒng)（CSCF）和變速恒頻系統(tǒng)（VSCF）兩大類。CSCF系統(tǒng)的特點是，不管風速怎么變化，始終維持風力機轉速為恒定值，這個值一般是同步速，從而實現(xiàn)恒定發(fā)電頻率，其中，發(fā)電機大多數(shù)為同步發(fā)電機或感應發(fā)電機。當風速不斷變化時，風機葉尖速比不可能一直持在最佳值狀態(tài)，也就不能實現(xiàn)風能最大捕獲的目的，導致風能轉換效率比較低。由于CSCF系統(tǒng)還是一種剛性的耦合系統(tǒng)，在風速突變時，風力機的葉輪將要承受巨大的扭力和風力摩擦，時間久了，將會造成嚴重的磨損。為了使機械轉速保持不變，風力同樣會在風機主軸、齒輪箱、電機等部件上產生巨大的機械應力，這些都會減短風機的使用壽命。在并網(wǎng)運行時，將會給穩(wěn)定運行的電力系統(tǒng)帶來潛在的影響。在VSCF風電系統(tǒng)中，當風速不斷的變化時，風機始終能夠保持在最佳葉尖速比，從而提高風能的轉換率，通過恰當?shù)目刂撇呗詮亩a生恒定頻率的電能。相對于CSCF發(fā)電系統(tǒng)，VSCF風能的利用率較高，各個部件受到的機械應力得到了顯著的下降，降低了運行的噪聲。近年來，由于引入了電力電子裝置，變流機組的控制靈活性提高了，使得機組性能符合了電網(wǎng)公司的高標準，從而進一步提高了電力系統(tǒng)調節(jié)的靈活性和暫態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定性。由于具有以上種種優(yōu)點，VSCF發(fā)電系統(tǒng)己經開始逐漸地取代了CSCF發(fā)電系統(tǒng)，在2004年和2005年，在全球所安裝的所有風電機組中，92的風電機組應用了VSCF系統(tǒng)，并且這個比值還在不斷上升。目前，VSCF型風電機組主要可分為兩種基于雙饋感應發(fā)電機的齒輪驅動型機組和基于永磁同步發(fā)電機的直驅型機組345，基本結構圖分別如圖11和圖12所示。圖11雙饋型機組結構圖圖12直驅型機組結構圖在雙饋風力發(fā)電機中，發(fā)電機轉子與風力機之間通過齒輪箱藕合相連，發(fā)電機定子三相繞組與電網(wǎng)直接相連，轉子繞組三相接頭與電網(wǎng)之間通過背靠背變換器相連。通過控制轉差功率，發(fā)電機可在次同步、同步、超同步三種工況下運行，同時，電機也有較寬的轉速調節(jié)范圍和較強的網(wǎng)側功率控制能力。一般，在雙饋風力發(fā)電機組中，選取的變流器通常是部分功率變流器。由于僅僅輸送轉差功率，通常使用機組容量的1/31/2倍作為變流器容量，價格和成本比全功率變流器要低許多，因此具有一定的誘惑力。正因為具有那么多優(yōu)勢，在風力發(fā)電行業(yè)中，變速恒頻雙饋型風電機組應用非常廣泛。從21世紀初開始，雙饋型風電機組占有的市場比例已高于CSCF風電機組，并且從此成為了大規(guī)模并網(wǎng)風電機組的主流機型6。但是，在工作過程中，雙饋型風電機組的缺點開始顯現(xiàn)出來了。首先，齒輪箱的成本很高，并且由齒輪箱自身導致的噪聲問題和漏油問題都不能得到完全地解決，能量轉換效率還是較低，系統(tǒng)的可靠性也得不到保證；其次，必須按時對雙饋電機中的電刷和滑環(huán)進行維護，大量的檢修工作在某種程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。電機在低負荷下工作時，效率不高，尤其是電機的單機容量越來越大，引發(fā)問題將更加明顯。由于不需要齒輪箱，直驅型風電系統(tǒng)機組巨大的發(fā)展空間逐漸展現(xiàn)出來了。目前，永磁直驅風電機組的裝機容量約占風電裝機總容量的十分之一，這個比例仍在不斷提高。近年來隨著海上風電場的開發(fā)，25兆瓦容量以上的永磁同步力發(fā)電機使用越來越廣泛。國外對直驅永磁發(fā)電機組的設計己經十幾年了。在1997年，德國就生產了功率為600KW的永磁風力發(fā)電機。我國對直驅風電機組的研發(fā)技術比較落后，可發(fā)展非?？臁Ｄ壳?，湘電集團和金風科技早就開始獨立制造了直驅永磁同步風力發(fā)電機。由于直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)省去了容易出故障的齒輪箱，風力機與發(fā)電機轉子直接連接，二者轉速相等，所以發(fā)電機的輸出端電壓和頻率隨風速的變化而變化。若要實現(xiàn)風電機組并網(wǎng)，需要經全功率ACDCAC變流器以保證機電壓的幅值、相位、頻率、相序與電網(wǎng)保持一致。直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)具有如下特點78風力機直接驅動低速永磁同步交流電機，電機轉速范圍與風力機轉速很好地匹配，無增速齒輪箱，機組結構得到簡化，減少發(fā)電機的維護工作并降低噪聲污染，而且切入風速較低，低風速時具有更高的效率。永磁發(fā)電機結構比較簡單、采用永磁體勵磁，不需要從電網(wǎng)吸收無功來建立勵磁電壓，因此損耗小、效率高、可靠性高，轉子永磁體的極數(shù)很多，一般有幾十極甚至上百極，遠遠多于普通交流同步發(fā)電機的極數(shù)，所以永磁發(fā)電機轉子半徑很大，但軸向長度卻相對較短，呈圓盤形狀。采用全功率變流器可以實現(xiàn)系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率的解耦控制，方便地調節(jié)功率因數(shù)，提高了系統(tǒng)運行可靠性。但其缺點是需要兩個全功率變流器來實現(xiàn)ACDCAC變換，增大了投資。制約直驅式風力發(fā)電機單機容量的主要因素是變流器的額定容量和成本價格，但隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變流器成本將會逐漸降低，與其他系統(tǒng)所采用的升速齒輪箱結構相比，直驅式風電系統(tǒng)具有很大的競爭優(yōu)勢。相比于其他風力發(fā)電機，省略齒輪箱的直驅機提升了能量轉換效率，全容量變流器改善了并網(wǎng)特性，但是風電機組的出力仍受自然風速的限制。作為風力發(fā)電的原動力，風能的隨機性與不可控性直接導致風電場成為不穩(wěn)定的間歇性電源，因此，對直驅式風力發(fā)電機進行研究。13風電的未來發(fā)展趨勢隨著風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展，風電技術也在不斷的升級換代。具體發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面風力發(fā)電機組單機容量不斷增長國際上3MW以上的變速變槳距風電機組己經研發(fā)出來了，5MW的風電機組正在試驗運行當中。目前，芬蘭WINWIND公司己經研發(fā)出來了11MW風電機組，該公司的3MW風電機組已經安裝完成，2010年該公司將開發(fā)出11MW的風電機組。德國ENERCON公司己經批量生產18MW的直驅型風電機組，45MW的原型機正在試驗當中9。變槳距調節(jié)方式迅速取代失速功率調節(jié)方式失速調節(jié)是通過風力機葉片在高風速下氣流與葉片之間產生的分離失速從而限制功率增加的一種調節(jié)方式。它的缺點是需要葉尖剎車裝置，風電機組的動態(tài)載荷比較大。優(yōu)點是由于輪轂與葉片之間沒有運動部件，所以不需要復雜的程序控制，在失速過程中的功率波動也比較小。變槳距功率調節(jié)是根據(jù)功率信號控制風力機葉片的槳距角，從而改變氣流攻角來限制輸出功率。它的優(yōu)點是輸出功率穩(wěn)定，機組的啟動性能好、結構受力?。蝗秉c是由于增加了變槳距裝置，因而增加了故障概率，它的程序控制比較復雜。目前，變槳距調節(jié)方式在兆瓦級以上的風電機組中應用比較普遍。變速恒頻迅速取代恒速恒頻為了獲得最大的風能利用效率，變速恒頻并網(wǎng)方式是通過控制發(fā)電機的旋轉速度，進而控制葉尖比，使其達到最佳值。重要的是，變速恒頻與恒速恒頻相比，變速恒頻風電機組在運行時增加了“網(wǎng)間友善”，因此目前兆瓦級以上的風電機組大多采用變速恒頻的方式。無齒輪箱系統(tǒng)的市場份額迅速擴大齒輪傳動不僅產生噪聲、降低風電轉換的效率和增加維護的成本，而且還是機械故障產生的主要原因。直驅式風電系統(tǒng)由于解決了齒輪箱的問題，提高了系統(tǒng)的效率和運行的可靠性，日益受到人們的青睞，在市場中所占的份額越來越大；2004年德國所安裝的風電機組中有409采用了無齒輪箱的系統(tǒng)10。海上風電場的發(fā)展隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，陸地風電的發(fā)展需要占用大量的土地，對周圍人民群眾的日常生活產生了不利的影響，同時海上風力資源相當豐富。因此，發(fā)展海上風電事業(yè)已經是一種新的趨勢。由于海上和陸地上的風電機組采用不同的葉尖速比，同時海上風力發(fā)電機組比陸地上的風力發(fā)電機組對噪聲的要求更低，所以采用較高的葉尖速比速度可以降低機艙的成本和重量。國外對海上風力發(fā)電機場的建設做了很多工作，并開發(fā)出了海上風能資源測試設備和海上風電場的安裝平臺。14國內外風電發(fā)展現(xiàn)狀141世界風電概述表11全球風電累計裝機容量年份累計裝機容量（MW1996年61001997年76001998年101201999年135602000年173202001年238202002年310902003年392232004年474302005年589612006年740522007年938352008年1202962009年1585052010年1953642011年2374702012年283730表12全球風電新增裝機容量年份新增裝機容量（MW）1996年12801997年15001998年25201999年34402000年37602001年65002002年72702003年81332004年82072005年115312006年150912007年197832008年264612009年382092010年358022011年410002012年46108丹麥是世界上最早使用風力發(fā)電的國家，也是風電發(fā)展最為迅速、技術最為先進的國家之一，擁有世界風電制造領頭羊企業(yè)VESTAS（維斯塔斯），截至2010年3月，其產品累計裝機容量達到39705MW，占世界總裝機量的236。據(jù)全球風能理事會（GWEC）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1996年至2009年這十幾年中，全世界風電累計裝機平均增長速度達到了286，顯示出了快速、持續(xù)增長的強勁勢頭。2009年，全球風電累計裝機容量達到了158GW，且當年累計增速達到了319，比常年平均水平提高了33個百分點，具體數(shù)據(jù)詳見表13。僅2009年一年內，全球風電新增裝機容量達3834萬KW，增長率高達42，比19962009年期間的平均值高出了10多個百分點（見表14）。隨著風電產業(yè)的快速發(fā)展，使之不但成為世界新能源發(fā)電的主要力量，而且在拉動經濟增長和創(chuàng)造就業(yè)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。截至2009年底，世界上已有100多個國家開始發(fā)展風電，風電累計裝機量超過100萬KW的國家達17個，位于前十名的國家分別是美國、中國、德國、西班牙、印度、意大利、法國、英國、葡萄牙以及丹麥。新增裝機位于前十名的國家分別是中國、美國、西班牙、德國、印度、意大利、法國、英國、加拿大和葡萄牙。在累計裝機排名中，中國以微弱的優(yōu)勢超過德國，排在了第二位，但與第一名的美國差距還很大。德國排名第三，西班牙位列第四。近年來，風電的發(fā)展仍然主要集中在歐洲、北美洲以及亞洲地區(qū)，在2009年全球3834萬KW的新增裝機量中，亞洲、北美和歐洲占據(jù)了絕大部分，作為全球最主要的風電市場，這三大洲的風電裝機的增長有力地推動了全球風電產業(yè)的發(fā)展。凡是風電裝機量排名靠前的國家，都是由其本國著名的風電設備制造企業(yè)作為技術支撐。由于風力發(fā)電市場競爭激烈，個別知名廠商先后被并購，一些大型跨國公司也開始介入風力發(fā)電行業(yè)。如表15所示。VESTAS,GE,GAMESA,ENERCON以及SIEMENS等傳統(tǒng)知名品牌，在世界累計市場份額中占了67，居于主導地位。但在2009年，新增市場份額中的比例己經下降到47。華銳、金風、東汽和SUZLON等一批新興企業(yè)，在世界風電市場的競爭中開始嶄露頭角盡管在全世界累計市場份額僅有145，然而在2009年這一年的新增市場份額中已占據(jù)30以上。表13世界風電整機裝備制造業(yè)分布序號企業(yè)名稱當年新增MW累計MW1VESTAS丹麥4766129397052362GEWIND美國4741128229311363華銳中國3510955658344ENERCON德國322187197381175金風中國2727745315326GAMESA西班牙254669192251147東汽中國2475673765228SUZLON印度2421659671579SIEMENS德國226561112136710REPOWER德國129735489429其他企業(yè)合計703119026331156總計3700310001684461000前十名29969810142115844142國內風電概述我國風電雖然發(fā)展很快，但是目前開發(fā)程度還比較低，至2009年底，只開發(fā)利用了不到2600萬KW，不到可開發(fā)量的2，尚有十分豐富的潛在資源能夠開發(fā)利用。我國風電的發(fā)展現(xiàn)狀有如下特點第一，國內市場增長迅速、風電場建設速度加快。中國首座風力發(fā)電場是山東榮成風電場，1986年5月安裝了3臺VESTAS55KW風電機，此后發(fā)展較慢，直至2003年國家發(fā)改委推行風電特許權項目，才促進了我國風電的迅速發(fā)展，連續(xù)多年呈倍數(shù)增長。2009年我國除臺灣省外其他地區(qū)共新增風電機組10129臺，其裝機容量達1380萬KW，已經超過美國成為了全球當年新增裝機量最多的國家；累計風電裝機量已達2580萬KW，排名由2008年的第四位上升至目前的第二位。其中并網(wǎng)風電機組達2268萬KW,累計發(fā)電量達516億KWH。政府規(guī)劃要求截至2015年將達到9000萬KW,2020年要達到15億KW1112。第二，風電制造產業(yè)發(fā)展迅速、國內自主研發(fā)進程加快。自2003年以來，國家連續(xù)推行風電特許權招標這一項目，正確采取了政府支持和市場機制相結合的方式，有力地促進了風電事業(yè)的發(fā)展。華銳風電、金風科技、國電聯(lián)合動力、東方汽輪機、上海電氣以及通用電氣、歌美颯、維斯塔斯、蘇司蘭、西門子等一大批國內外大型制造業(yè)和投資商紛紛涌入中國風電制造業(yè)市場。此外，還有一批中小型制造企業(yè)在成長中，依托其良好的研發(fā)基礎，表現(xiàn)出了較強的發(fā)展實力，如南車和湘電集團等。截至2009年底，國外風電制造廠商僅占據(jù)了我國209的市場份額，其余均為國內的自主品牌。第三，我國的風電發(fā)展得到了政府和社會的大力支持。為了大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)風力發(fā)電，國家發(fā)改委從2003年起推行風電特許權這一項目，每年一期，通過招標的方式選擇投資商和開發(fā)商。這是國家發(fā)展風電的一個重要舉措，它明確風電不參與電力市場競爭，還對規(guī)定的上網(wǎng)電量承諾固定電價。在2006年，我國實施了可再生能源法，確立了可再生能源發(fā)展的法律地位和基本制度和政策框架。國家發(fā)改委、財政部、國家能源局等政府部門還研究制定了有關配套政策，支持包括風電在內的可再生能源的發(fā)展。根據(jù)我國新能源產業(yè)振興規(guī)劃，至2020年我國風電總裝機容量預計達到15億KW，將打造七個千萬千瓦級風電基地酒泉、哈密、蒙西、蒙東、河北、江蘇和吉林。第二章風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理及其空氣動力學模型和原理21風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)控制結構復雜，涉及的控制問題也比較繁瑣，為了研究和分析的方便將其分成能量管理系統(tǒng)和偏航管理系統(tǒng)。能量系統(tǒng)包括將風能轉換成機械能的風力機、將風力機傳遞的機械能轉化成頻率變化的電能的發(fā)電機和將發(fā)電機的電能轉化成電網(wǎng)要求的電能的變流器。偏航管理系統(tǒng)包括風力機的變槳操作系統(tǒng)、偏航操作的電機控制系統(tǒng)、解纜操作系統(tǒng)和剎車操作系統(tǒng)等。從下圖21中可以看到整個直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的結構組成，其中包括從風力機捕獲風能，然后驅動發(fā)電機發(fā)電，再到將可變電能轉換成電壓、頻率恒定的電能輸送到電網(wǎng)等部分構成的主系統(tǒng)；為了保障主系統(tǒng)按照人們設置的模式安全、可靠、高效、經濟的運行的控制系統(tǒng)。圖21永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的結構框圖能量管理系統(tǒng)風力機、永磁同步發(fā)電機、穩(wěn)壓電容器、耗能電阻、整流逆變裝置等部分構成了能量管理系統(tǒng)，其主要功能就是把不同形式的能量進行轉化，也即是把風能轉換為電能。以下將詳細介紹各個組成部分的功能。風力機它是將風能轉換成機械能的裝置，包括槳葉、輪轂，傳動軸等，其輸出的機械能通過傳動裝置傳送給發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機將機械能轉化成電能的裝置，主要包括定子和轉子部分。變流器它的形式是背靠背的PWM，可以分成整流器和逆變器兩部分，整流器將發(fā)電機輸入的交流電轉換成直流電，其中間直流環(huán)節(jié)的電容器起濾波和穩(wěn)壓作用，逆變器再將直流電逆變成頻率、大小不變的交流電輸送到電網(wǎng)。耗能電阻它起兩方面的作用，一方面防止發(fā)電機發(fā)出的電對電容器造成過充而損壞電容器；另一方面當風速過大時，發(fā)電機輸出的電壓有可能過高，這時接入耗能電阻可以消耗一部分電能，從而避免了電壓的進一步升高。偏航控制系統(tǒng)風向風速儀、異步電機、抱閘裝置等部分共同構成了偏航控制系統(tǒng)。它的主要作用就是對風，使風力機槳葉掃掠面與風向垂直，從而保證風力機能更多地獲取風能。風向風速儀將測得的風向、風速等信息傳送給主控系統(tǒng)。異步電機主要執(zhí)行偏航操作、側風操作、解纜操作等命令。偏航操作可分為自動偏航和手動偏航，自動偏航就是風向發(fā)生變化時，步進電機根據(jù)主控指令自動旋轉，使得風力機槳葉掃掠面對準風向，來捕獲最大的風能。手動偏航就是通過人為控制實現(xiàn)對風的操作；側風操作就是為了避免風速過大對風力機造成損壞而設置的操作，也即是當風速超過限定風速時，步進電機旋轉使得槳葉掃掠面與風向平行，這樣風力機受的風力就很小了；解纜操作就是在對風過程中，假如風力機的轉動方向始終朝一個方向，勢必會造成電纜的過度纏繞，甚至扯斷電纜，為了避免這種情況發(fā)生，當風力機朝一個方向旋轉規(guī)定圈數(shù)后，它會朝反方向旋轉若干圈從而保證了電纜的安全性。此外，除了偏航控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)以外，風力發(fā)電系統(tǒng)還包括主控制系統(tǒng)、故障保護系統(tǒng)、可視化操作系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都是通過主控制系統(tǒng)進行協(xié)調控制的，保證了風電系統(tǒng)安全、高效、經濟的運行。22風力機模型221空氣動力學模型風力機由葉片、輪轂、傳動軸和聯(lián)軸器等中間傳動裝置構成。風力機將風能轉化為機械能，本文的重點是研究風電機組的電氣特性，因此使用簡化的氣動力模型來描述風機的輸出功率、轉速與風速的關系，其中可控參數(shù)為槳距角和葉尖速比。為了表示風輪運行速度的快慢，定義葉尖圓周線速度與來流風速之比為葉尖速比（21）RN2其中，N為風輪轉速（轉分）；R為風輪半徑（M）；為上游風速（M/S）；為風輪旋轉角速度（RAD/S）。風力機的機械轉矩TW與風速的關系可以表示為（22）/,5023CP對應的機械功率為（23）,32PWCRTP其中，為空氣密度；R為風力機葉輪半徑；為槳葉的槳距角；為葉尖速比；CP為風力機的功率系數(shù)。已知，（24）06854016573021IECIP其中，則風能利用系數(shù)CP是葉尖速比和槳距角的函1813I數(shù)，可表示為CP,。在直驅式風電系統(tǒng)中，由于沒有齒輪箱，風力機通過傳動軸直接驅動發(fā)電機旋轉，因此二者轉速相同，即，傳動部分采用單質量塊模型。G傳動系統(tǒng)數(shù)學模型為（25）JBTDMEWT其中，J為機組的等效轉動慣量，為轉動粘滯系數(shù)，TE為電磁轉矩，為發(fā)電機轉速。222風速模型風速是空氣在單位時間內移動的距離，風速模型相對于風力發(fā)電機是相對獨立的，同一地點的風速隨海拔高度而有差別。對風速進行數(shù)據(jù)處理和分析過程中要以下方WV的公式測風高度H0處的風速VW0進行修正（26）0HW其中，H為風力機輪轂的高度，單位為M；風速的單位為M/S；為高度修正系數(shù)，通常在010040范圍內，實際工程計算中近似可取1/7。采用風速四分量模型可以更好地模擬風速隨時間不斷變化的基本特性，四個分量分別為基本風、陣風VWG、漸變風VWR和隨機噪聲風VWN?；撅L風電機組的輸出功率主要是由基本風決定的，基本風風速可以由風電場測風所得的威布爾分布參數(shù)近似確定，該分量為常數(shù)，不隨時間變化。（27）KAV1其中，A和K分別為威布爾分布的尺度參數(shù)、形狀參數(shù)；1為伽馬函數(shù)。K1陣風陣風可以反映風速在某一時刻突然變化的特性，通常用陣風來考察風電系統(tǒng)在較大的風速擾動下的動態(tài)特性。（2GCOSWGTTVT108）其中，；、分別為陣風GWGTTV1MAXCOS2COS1MAXWVGT1的最大值、周期及啟動時間。漸變風漸變風用來描述風速的漸變特性。（2RWRRAMPTTVT2X109）其中，；為漸變風的最大值；、RRWRRAMPTTV212AX1MAXWRVRT1分別為漸變風起始時間和終止時間。RT2隨機噪聲風隨機噪聲風可以反映風速的隨機變化特性。（210）IINIWTOSIVSC2211其中，；是02的隨機變量；21II3422IIIVFKI是地表粗糙系數(shù)，一般取0004；F是擾動范圍，單位是；是相對高度的平均NK2M風速；為幅值波動參數(shù)，取值范圍052。實際作用在風力機上的風速可以用上述四種風速分量的疊加和表示W(wǎng)V（211）WNRGV四種風速分量和合成風速的仿真曲線如圖22所示。其中，基本風風速為6M/S；陣風在4S時啟動，8S時結束，最大值為2M/S；漸變風4S時啟動，8S時達最大值2M/S；隨機風幅值波動參數(shù)為1。223風能轉換原理德國物理學家貝茲（BETZ）于1926年建立了風力機的氣動理論。貝茲理論假定風輪是理想的，即沒有輪轂，且由無限多葉片組成，氣流通過風輪時也沒有阻力。此外，假定氣流經過整個掃風面是均勻的，氣流通過風輪前后的速度方向為軸向。理想風輪的氣流模型如圖23所示。圖23中，是風力機上游風速；是通過風輪時的實際風速；是風力機下游的1VV2V風速；上游風速的氣流截面積為，下游風速的氣流截面積為。1SS根據(jù)能量守恒原理，風輪獲得的機械能是由空氣動能的降低而轉化得到的，所以必定小于，又因為，自然界中的空氣流動可認為是不可壓縮的，由2V1VV，可知大于。21S21S圖22理想風輪的氣流模型風作用在風輪上的力為（212）21VSF風輪吸收的功率為（213）21P從上游至下游的風能變化為（214）21VSE由能量守恒定律可知，,所以得出P（215）21V所以，作用在風輪上的力和轉化功率是（216）21VSF（217）224P因為上游風速為給定值，所以P可以看做是以為變量的函數(shù)，如果要求求出1VV功率P的最大值，就對上式求導（218）212234SDV令，則可得出（舍）；（其對應著最大功率）。把代02DVP12V312V312V入上式，可以得出風力機獲得的最大功率是（219）31MAX278SVP將上式除以氣流通過風輪掃掠面時具有的動能，可以得到風力機的理論最大效率（220）593027163MAXAXSV0593即為貝茨理論的極限值，它說明風力機從自然界中所獲得的能量是有限的，理論上的最大值為0593，其損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉動能。實際運行中風力機的風能利用系數(shù)是小于0593的，用表示，可以寫為,值越大，PC5930PCP表示風力機對風能的利用率也越高，風力機的效率也就越高。對實際應用的風力機來說，風能利用系數(shù)主要受風輪葉片的氣動和結構設計以及制造工藝水平的限制，而且還隨所采用的風力機和發(fā)電機的形式而異。所以，風力機實際能得到的功率為（221）3150SVCPPM224定變槳距發(fā)電機組和槳距角控制模型風力發(fā)電機組經歷了由定槳距到變槳距最后到變速的不斷升級換代的發(fā)展過程。定槳距風力發(fā)電機組及其特點20世紀80年代中期開始進入風力發(fā)電市場的定槳距風力發(fā)電機組，主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基木的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)距角在安裝時己經固定，而發(fā)電機的轉速由電網(wǎng)頻率限制。所以，只要在允許的風速范圍內，定槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在運行過程中對風速變化引起輸出能量的變化不作任何控制的。這就大大簡化了控制技術和相應的伺服傳動技術，使得定槳距風力發(fā)電機組能夠在較短時間內實現(xiàn)商業(yè)化運行。圖23所示為定槳距風力發(fā)電機組。圖23定槳距風力發(fā)電機組變槳距風力發(fā)電機組及其特點20世紀90年代后，風力發(fā)電機組的可靠性已經不是問題，變槳距風力發(fā)電機組開始進入風力發(fā)電市場。采用全槳變槳距的風力發(fā)電機組，起動時可以對轉速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著改善。風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機構，作為變槳距系統(tǒng)，它自身已組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了液壓比例閥或電液伺服閥，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。變速風力發(fā)電機組及其特點由于變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以下運行時的效果仍不理想，到了20世紀90年代中期，基于變槳距技術的各種變速風力發(fā)電機組開始進入風電場。變速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)與定速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風力發(fā)電機組是把風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉速和功率控制的。變速風力發(fā)電機組（如圖24所示）的主要特點是低于額定風速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風力發(fā)電機組具有最高的風能轉化效率；高于額定風速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定，特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問題后，達到了高效率、高質量地向電網(wǎng)提供電能的目的?？梢哉f，風力發(fā)電機組的控制技術從機組的定槳距恒速運行發(fā)展到基于變槳距技術的變速恒頻運行，已經基本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電能到理想地向電網(wǎng)提供電能的最終目標。圖24變速恒頻風力發(fā)電機組槳距角控制模型變速恒頻風電機組可以按需求靈活調節(jié)槳距角。一般地，當風速小于額定風速時，調整槳距角保持在零度不變，等同于定槳距風力機。當風速大于額定風速時，保持電磁轉矩恒定不變，通過調節(jié)槳距角使風電機組的輸出功率維持在額定功率。圖25槳距角控制環(huán)節(jié)由式可知，槳距角的大小直接影響著值，在變槳距風/,5023CPWRTPC力發(fā)電系統(tǒng)中，槳距角控制系統(tǒng)十分重要?？刂茦嘟堑姆椒ㄓ泻芏啵梢酝ㄟ^測量實時風速和功率作為輸入信號設計槳距角控制器，也可以將風力機實際轉速與參考轉速的偏差量作為輸入信號調節(jié)槳距角。公式如下（222）KDT1其中，為調節(jié)裝置的慣性時間常數(shù)（包括測量環(huán)節(jié)的延遲效應），K為增益系數(shù)，為轉速偏差?？刂瓶驁D如圖25所示。0變槳距調節(jié)方式在目前的風力發(fā)電機組中得到廣泛應用，在額定風速以上時通過調節(jié)風輪葉片的槳距角來降低風能利用率，使轉速保持在額定值不變，以保證風機輸出額定功率。23最大風能捕獲原理變速恒頻風力發(fā)電機的主要特點就是在風速在一定范圍內變化時，系統(tǒng)可以按最佳效率運行，捕獲最大風能，同時發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器可以輸出恒定頻率的交流電。因此，如何實現(xiàn)對風力發(fā)電機的最大功率輸出進行控制，成為提高系統(tǒng)效率的關鍵。風能利用系數(shù)由葉尖速比和槳距角決定。為了提高風力機的效率，需要調PC節(jié)或以盡可能提高的值。由圖26可以看出，改變槳距角或葉尖速比都可以改變的值。當槳距角PC為0時，隨著的增加，值在不斷變化，當標OPT81時達到最大值048。OPT為PC對應槳距角下的最佳葉尖速比。當大于或小于OPT時，都會偏離，引起機組PMAXP效率的下降。對于一臺確定的風力機，在槳距角不變時總有一個對應著最佳功率系數(shù)的最佳葉尖速比OPT，此時風力機的轉換效率最高（如圖26所示）。換而言之，對MAXPC于一個特定的風速，風力機只有運行在一個特定的轉速下才會有最高的風能轉換效率。風速不同時（），風機轉速功率輸出曲線，如圖27所示，風12345VV機輸出最大功率點構成了最大功率曲線。在最佳功率曲線上運行的風機將會輸出不同風速下的最大輸出功率，其值OPTPMAXP是（223）3MAXKP其中，。2MAX3POTCRSK圖26風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系PC圖27風機功率特性曲線從圖27中可以看出，在相同的風速下，發(fā)電機的轉速不同其輸出的功率也不相同，只有在風速變化時，調節(jié)發(fā)電機的轉速使風力機在最佳葉尖速比運行，這樣風力機就會沿著最佳功率曲線運行，因此實現(xiàn)了最大風能捕獲。OPTP風力機在不同風速下輸出的最大功率減去發(fā)電機的空載損耗，就得到了發(fā)電MAXP機的最大電磁功率，如下式所示（224）0MAXPE其中，為空載損耗，為電磁功率。0PEP發(fā)電機組輸出有功功率（225）11FECUE其中為發(fā)電機定子端輸出的有功功率，為定子銅耗；為定子鐵耗。1P1FEP依據(jù)最佳功率曲線來調節(jié)發(fā)電機的轉速，使風力機保持最佳葉尖速比運行，這樣就捕獲了最大風能，由上述兩式可得到發(fā)電機的有功功率指令。（226）10310MAXFECUFECUMKP控制發(fā)電機有功功率的輸出，就可以在不同風速下捕獲對應的最大的風能。第三章直驅式并網(wǎng)系統(tǒng)中的變流部分研究31永磁直驅式同步發(fā)電機并網(wǎng)方式風力發(fā)電機組可以用多極永磁發(fā)電機直接連接風力發(fā)電機，從而避免了增速齒輪箱帶來的諸多不利因素，這就是直接驅動型風力發(fā)電機組。直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)與非直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)相比最大的進步就是省去了增速齒輪箱，這不僅節(jié)約了成本、降低了噪聲，而且還提高了系統(tǒng)的運行可靠性，這是風力發(fā)電事業(yè)的一大進步。直驅風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖31所示。永磁直驅式風力發(fā)電機組的發(fā)電機軸直接連接在風輪上，轉子的轉速隨著風速的變化而變化，因而其交流電的頻率和幅值也隨之變化，經過大功率的電力電子變流器，將頻率、幅值不定的交流電整流成直流電，再由逆變器變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電輸出后并入電網(wǎng)。直驅式風電機組相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組由于傳統(tǒng)系統(tǒng)部件的減少，提高了機組的可靠性，降低了噪聲和維護成本。因此，直驅式風電系統(tǒng)逐漸代替了非直驅式風電系統(tǒng)。圖31直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)雖然直接驅動與采用ACDCAC變流器相結合的變速恒頻方式有一定的優(yōu)勢，但是也存在以下缺點采用的多級低速永磁同步發(fā)電機，電機的直徑太大，制造成本高；隨著機組的容量的增大，給電機設計、加工制造帶來很大的困難。永磁同步發(fā)電機的并網(wǎng)方式主要有自動準同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)兩種。自動準同步并網(wǎng)滿足風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值與電網(wǎng)對應相電壓的瞬時值完全一致時稱為準同步并網(wǎng)，在這種條件下，并網(wǎng)瞬間不會產生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊；同步發(fā)電機的起動與并網(wǎng)過程如下當發(fā)電機在風力發(fā)電機的帶動下轉速接近同步轉速時，勵磁調節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓接近。在風力發(fā)電機的轉速幾乎達到同步轉速，發(fā)電機的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同，并且斷路器兩端的電位差為零或者很小時，控制斷路器合閘并網(wǎng)；同步發(fā)電機并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)一致。自同步并網(wǎng)自動準同步并網(wǎng)的優(yōu)點是合閘時沒有明顯的電流沖擊，缺點是控制與操作相對復雜。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時要求迅速將備用發(fā)電機投入使用，由于此時電網(wǎng)電壓和頻率出現(xiàn)不穩(wěn)定，故自動準同步法很難實現(xiàn)操作，這時往往采用自同步法實現(xiàn)并聯(lián)運行。自同步并網(wǎng)的方法是，同步發(fā)電機的轉子勵磁繞組先通過限流電阻短接，使發(fā)電機中無勵磁磁場，當原動機將發(fā)電機轉子拖到同步轉速附近（差值小于5）時，將發(fā)電機并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定子、轉子之間的電勵磁作用下，發(fā)電機自動牽入同步；由于發(fā)電機并網(wǎng)時，轉子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中不存在感應電動勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調節(jié)和校準，控制比較簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降的現(xiàn)象。32直驅式風電系統(tǒng)中的各種變流電路在直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)中，其變流技術種類繁多、方案靈活、代表了風力發(fā)電技術嶄新的發(fā)展方向。由于直驅式風電系統(tǒng)不需要升速齒輪箱，節(jié)約了成本、降低了噪聲、提高了系統(tǒng)的效率，是未來發(fā)展的主要方向。并網(wǎng)的基本思路是通過整流環(huán)節(jié)將發(fā)電機輸出的交流電變成直流電，最后經過逆變環(huán)節(jié)轉換成符合電網(wǎng)要求的交流電并入電網(wǎng)?？梢栽谥虚g環(huán)節(jié)通過控制系統(tǒng)的無功和有功，以實現(xiàn)最大風能的利用和最大功率的跟蹤。直驅式風電系統(tǒng)的電力電子變流電路有多種拓撲結構。每種不同的拓撲結構都有不同的特點，它們的系統(tǒng)控制方法也不盡相同。不控整流晶閘管逆變器型拓撲結構如圖32所示，由于晶閘管逆變器的優(yōu)點是功率等級比較高、成本也比較低且可靠性也不錯，關鍵是其技術比較成熟，所以在早期的系統(tǒng)中大多采用晶閘管變流技術。其缺點主要是工作時吸收了大量的無功功率，因此會產生很大的諧波電流，所以必須對其進行無功補償。圖32不控整流晶閘管逆變器型不控整流直流側電壓變化的PWM電壓源型如圖33所示，該結構的基本變流思路為首先經過整流環(huán)節(jié)將發(fā)電機輸出的交流電轉化成直流電，再由逆變器轉化成符合電網(wǎng)要求的交流電；該變流方案由于提高了開關頻率，從而減少了對電網(wǎng)的諧波污染。通過控制系統(tǒng)輸出的有功和無功，使其在最佳的葉尖速比狀態(tài)下工作，從而達到捕獲最大的風能的目的。圖33不控整流直流側電壓變化的PWM電壓源型由于發(fā)電機輸出的交流電幅值和頻率都不穩(wěn)定，經過不控整流后輸入給逆變器的直流電也是幅值也是變化的。為了使電網(wǎng)電壓的頻率和幅值恒定，可以通過調節(jié)PWM逆變器實現(xiàn)。當風速比較低的時候，由于給逆變器輸入的電壓過低不能達到并網(wǎng)的要求，因此必須提高逆變器的調制深度，當調制深度加深以后就會使逆變器的峰值過高、運行的效率降低以及傳導損耗增大等。解決的方法是注入諧波或采用SVPWM（空間矢量脈寬調制）進行控制。但是這兩種方法都不能徹底解決問題。不控整流直流側電壓穩(wěn)定的PWM的電壓源型該拓撲結構如圖34所示，即在圖33的基礎上加一個DCDC（直流升壓）環(huán)節(jié)所得到的。通過這個升壓環(huán)節(jié)可以解決由于PWM逆變器輸入電壓過低所引起的PWM逆變器運行特性差的缺點；BOOST的主要作用是升壓和穩(wěn)壓，同時在發(fā)電機的輸出側BOOST環(huán)節(jié)也能夠實現(xiàn)對其進行功率因數(shù)的校正。由于不控整流器是非線性的，其輸入側電流有嚴重的畸變，諧波含量也比較大等原因，從而使發(fā)電機的轉矩發(fā)生振蕩、因數(shù)降低。這種情況可以通過功率因數(shù)校正技術，來改變開關管的占空比，使發(fā)電機的電流保持正弦，并使與輸出的電壓同步。圖34不控整流直流側電壓穩(wěn)定的PWM的電壓源型從圖34可以看出，整個系統(tǒng)增加了一級BOOST電路將直流輸入電壓的等級提高。他的優(yōu)點是控制比較簡單，開關利用效率也高。并且經過逆變器輸出的電壓比較穩(wěn)定、諧波含量低、逆變效率好等優(yōu)點；在實際應用中，大功率直驅式風電系統(tǒng)多采用這種結構。不控整流器電流源型該系統(tǒng)采用電流源逆變器，與電壓源逆變器相比，電流源逆變器具有四象限的運行能力、系統(tǒng)運行更加可靠、不存在擊穿故障等優(yōu)點。缺點是逆變器和負載之間相互影響比較多，并聯(lián)或者帶多個負載不容易實現(xiàn)以及動態(tài)響應慢。綜合效率、成本和暫態(tài)響應，電壓源PWM逆變器更具有優(yōu)勢。電流源逆變器還處在實驗室階段，其拓撲結構如圖38所示。圖35不控整流器電流源型33直驅式并網(wǎng)型風電系統(tǒng)的變流方式目前適用于直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)中的變流方案很多，一般將主電路分為電壓源型和電流源型。由于電壓源型逆變器在技術、成本以及控制等方面都比電流源型逆變器具有很大的優(yōu)勢，并且實際應用的變流器以電壓源型居多，所以本文主要對電壓源逆變器進行研究。目前比較主流的變流方案主要有以下三種類型雙PWM變流電路該電路采用PWM整流和PWM逆變的形式，即雙PWM變流電路。其電路拓撲結構如圖36所示。圖36雙PWM變流主電路拓撲結構從圖36中可以看出，在該電路的拓撲結構中，整流和逆變都采用PWM調制方式。該電路可以實現(xiàn)能量向電網(wǎng)回饋，以及功率的雙向流動；在整流環(huán)節(jié)，可以通過控制整流橋中各個功率器件，實現(xiàn)輸入電流正弦波；在逆變環(huán)節(jié)，可以通過對功率器件的控制實現(xiàn)輸出的電流相位與電網(wǎng)電壓相位保持一致，以實現(xiàn)功率因數(shù)接近于1的目標。其缺點是這種電路拓撲結構要求永磁同步發(fā)電機發(fā)出的交流電要高于并網(wǎng)電壓，所以在風速比較低的情況下不能正常工作。不控整流升壓斬波PWM逆變型變流電路該電路在整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，在中間直流環(huán)節(jié)采用升壓斬波以提高整流環(huán)節(jié)輸入的直流電，最后在逆變環(huán)節(jié)采用PWM逆變三相橋逆變，最后并入電網(wǎng)。該電路的拓撲結構如圖37所示。圖37不控整流升壓斬波PWM逆變型變流電路在這種變流電路的拓撲結構中，由于中間有升壓斬波的存在，所以對發(fā)電機輸出的電壓沒