直驱式永磁同步风力发电系统.pdf

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1、§6直驱式永磁同步风力发电系统一、概述1.为什么风力发电系统中需要齿轮箱2.齿轮箱带来的问题3.如何能够省去齿轮箱4.直驱式永磁同步风力发电系统的两种典型结构二、不控整流+Boost控制的PMSG工作原理最大功率追踪原理、控制思路、优缺点。三、PWM变换器控制的PMSG工作原理1.PMSG的数学模型2.PMSG的矢量控制与最大功率追踪四、PWM并网变换器的工作原理一、概述1.为什么风力发电系统中需要齿轮箱风力发电系统中，风力机的额定转速较低，一般为几十r/min~300r/min，而且叶片越长，风力机的额定转速越低。提示：

2、从最佳叶尖速比的角度考虑。ωRλ=optv叶片数相同的风力机，其叶尖速比相近，在相同的风速下，风轮的半径越大，风力机的转速须越小，才能保证叶尖速比为最佳叶尖速比。只有在最佳叶尖速比的情况下，风力机吸收的风能才最大。pinEf≈Φ4.44111Nkwmf1=60nnffEEN11N11N对于高额定转速的发电机，必须采用齿轮箱升速；风力发电系统容量越大，齿轮箱的升速比越大。2.齿轮箱带来的问题（1）降低效率（2）增加故障率，降低可靠性（3）增加维护成本3.如何能够省去齿轮箱pinEf≈4.44111NkwmΦf1=60增

3、大极对数，就有可能在较低的转速下获得较高的频率和输出电压。但双馈风力发电机，极对数增加，转子加工的难度增加，而且体积和成本也增加，所以无法省去齿轮箱。电励磁的同步发电机，尽管可以做到极对数增加很多，但体积会随着极对数的增加而增加得比较快。最适合做成较多极对数的发电机是永磁同步发电机，实际上，电动机也是如此。采用了多极永磁同步发电机，可以省掉齿轮箱，由风力机直接驱动发电机，称为直驱。永磁同步电机，按气隙是否均匀，可以分为表贴式（SPMSM）和内嵌式（IPMSM）两大类。都可以做成多极电机。IPMSMSPMSM永磁体的磁导率接

4、近于真空的磁导率，所以，表贴式是隐极的，交直轴电抗相等，内嵌式是凸极的，交直轴电抗不等。4.直驱式永磁同步风力发电系统的两种典型结构直驱式永磁同步风力发电系统的一般形式：风速时刻变化，风力机的转速必须相应变化，PMSG发电的频率和电压也随之变化，所以，既不宜将其直接接负载，也不宜直接接电网。如要接电网，须将这部分变频变压的电能变换为恒频恒压的电能才可以。先经过AC/DC变换，然后再经DC/AC变换。目前，差别主要在AC/DC变换上。目前，有两种典型的直驱式永磁同步风力发电系统：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工作原理发电机发出的交流电能，经二极管不控整流环节变成直流电，整流的电压取决于发电机的转速和负载的大小。网侧变换器则是通过保持直流母线电压稳定而将风力发电系统发出的电能送到电网。且这个直流母线电压要高于电网线电压峰值。为了匹配发电机发出的电压与直流母线电压，需要加一个Boost电路。Boost电路除升压以外，还能实现最大功率追踪。控制开关的占空比，可以控制电感电流，即发电机发出的有功功率。iloadugaLRigaugbLi+RgbCV−dcugcLiRgc不同风速下

6、，占空比与系统直流侧功率关系：改变Boost电路的占空比，可以改变发电机的输出功率。而且在某一确定风速下，有一个可以输出最大功率的占空比。风速不变的情况下，占空比与系统输出功率的关系不是简单的线性关系。显然，占空比的控制是最大功率追踪的关键，但无法采用以前的最佳功率曲线法。而应采用寻优的方法。最简单有效的一种寻优方法是爬山搜索法。增大或减少占空比，实时检测系统发出的功率。如增大，则继续朝这个方向调整占空比；如减少，则向相反的方向调整占空比；如向两个方向调整占空比，系统的功率都减少，则到达了最大功率点。适合于优点：控制思路简

7、单，可靠。小转动不足：步长的选择影响追踪的效果，动态响应惯量的较慢，风速的变化会影响其追踪的效果。系统。不控整流+Boost控制的PMSG的优点和不足：优点：不足：电路结构简单。MPPT的效果较差。控制简单，无需位置/速度传低电压穿越的能力较差。感器，只需少量电流和电压恶劣风况下的控制能力较传感器可实现MPPT。差。成本较低，可靠性较高。适合于小型风力发电系统或对系统效率和性能要求不高的大型风力发电系统。三、PWM变换器控制的PMSG工作原理PMSG的控制，采用全控PWM变换器，可以对发电机的电磁转矩进行有效控制，进而有效

8、地进行最大功率追踪。要理解如何对电磁转矩进行准确有效地控制，首先应搞清楚其数学模型。1.PMSG的数学模型(1)参考方向的规定采用电动机惯例，向电机看过去，电压与电流符合关联参考方向；电流的参考方向与由它产生的磁通的参考方向符合右手螺旋关系；磁通与由它产生的感应电动势符合右手螺旋关系。(2)电压方程dL