1、永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 電氣學(xué)院新型電機(jī)大作業(yè)一、 引言風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)狀概要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，隨著全球化石能源的枯竭和供應(yīng)緊張以及氣候變化形勢的日益嚴(yán)峻，世界各國都認(rèn)識(shí)到了發(fā)展可再生能源的重要性，風(fēng)能作為清潔可再生能源之一，受到了各國的高度重視，世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也因此得到了迅速發(fā)展。中國風(fēng)能資源十分豐富：陸上和近海可供開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量分別為2.53億千瓦和7.5億千瓦,具有發(fā)展風(fēng)能的潛力和得天優(yōu)厚的優(yōu)勢。在未來的能源市場上，充分開發(fā)和挖掘這一潛力和優(yōu)勢，將有助于持續(xù)保持本國的能源活力和維持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在開發(fā)利用風(fēng)能的過程中

2、，風(fēng)電場的建設(shè)是其必須的環(huán)節(jié)，而風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用又是建設(shè)風(fēng)電場的重中之重。中國風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。屬于風(fēng)能資源較豐富的國家。“十一五”期間，中國的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。  從自然環(huán)境來看，我國居于非常有利的優(yōu)勢地位。我國地域廣闊，海岸線長、風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國平均風(fēng)能密度大約為100 W/m2，風(fēng)能總量為3226 GW，其中可供開發(fā)利用的陸上風(fēng)能總量大約為253 GW。在我國東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙和河西走廊，以及我國東北、西北、華北、海南及西青藏高原等部分地區(qū)，每年的年平均風(fēng)速在3 m/s以上時(shí)間近40

3、00 h，一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在67 m/s以上，對于風(fēng)力發(fā)電來說，具有很大的開發(fā)價(jià)值和廣闊的利用空間。按“十一五”發(fā)展規(guī)劃，至2010年我國風(fēng)電裝機(jī)總量將突破10 GW。  風(fēng)力發(fā)電問題近年來已成為電力行業(yè)研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)電發(fā)展的過程中，直驅(qū)永磁同步電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。二、 風(fēng)電機(jī)組的特性原理2.1常用風(fēng)電機(jī)組類型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)從風(fēng)機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行發(fā)展到基于變槳距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并概述了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。A 普通三

4、相同步發(fā)電系統(tǒng)早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是采用普通三相同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過齒輪箱連接，風(fēng)力機(jī)采用定槳距控制技術(shù)，發(fā)電機(jī)通過斷路器直接與電網(wǎng)連接，這就是所謂的剛性連接。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，己被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度，因此把它用于到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用效果并不太理想。該系統(tǒng)需要調(diào)速機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁機(jī)構(gòu)對同步發(fā)電機(jī)的頻率、電壓和功率進(jìn)行有效的控制，否則可能會(huì)造成無功振蕩與失步，重載下尤為嚴(yán)重。普通三相同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)

5、構(gòu)示意圖如圖2-1所示: 圖2-1 三相同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖B 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是變速運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的一種，由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等構(gòu)成。雙饋電機(jī)的定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個(gè)變頻器連接到電網(wǎng)，使得機(jī)組可在較大速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超同步速度時(shí)，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)輸送能量;而當(dāng)運(yùn)行在亞同步速度時(shí)，電網(wǎng)通過變頻器向轉(zhuǎn)子輸送功率。直流側(cè)電容器的作用是維持直流母線電壓恒定。與恒速風(fēng)力機(jī)不同，其功率控制方式為變槳距控制，即槳葉節(jié)距角隨著風(fēng)速的改變而改變，從而使風(fēng)力機(jī)在較大范圍內(nèi)按最佳參數(shù)運(yùn)行，以提高風(fēng)能

6、利用率。相比于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)，雙饋電機(jī)的優(yōu)勢在于:降低輸出功率的波動(dòng)和機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力;不需要無功補(bǔ)償裝置;可以追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率;控制轉(zhuǎn)子電流;就可以在大范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)差率、有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可提高電能質(zhì)量;變頻器容量僅占發(fā)電機(jī)額定容量的25%左右，與其它全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。而其缺點(diǎn)在于控制方式相對復(fù)雜，并且價(jià)格較昂貴，其結(jié)構(gòu)圖如圖2-2： 圖2-2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖C 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，所以發(fā)電機(jī)的輸出端電壓、頻率隨風(fēng)速的變化而變化。要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)

7、，需要保證機(jī)組電壓的值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速永磁同步交流電機(jī)產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成的噪聲污染，在低風(fēng)速時(shí)具有更高的效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠(yuǎn)多于普通交流同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，因此這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓盤形狀，為了簡化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量，采用永磁電機(jī)是具有較大的優(yōu)勢仁。風(fēng)電系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部交流電經(jīng)整流逆變裝置轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，因此需要采用大功率的電力電子器件。工GB

8、T(絕緣柵極雙極型晶體管)是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-3：圖2-3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2風(fēng)機(jī)特性研究風(fēng)力機(jī)的種類很多，目前大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的風(fēng)力機(jī)絕大多數(shù)都是水平軸、下風(fēng)向式、三葉片。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電過程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。在這個(gè)過程中，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的過程起了相當(dāng)重要的作用，它直接決定了最終風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。但不管采用什么形式的風(fēng)力機(jī)，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為

9、機(jī)械能。德國科學(xué)家貝茨（Betz）于1926年建立了著名的風(fēng)能轉(zhuǎn)化理論，即貝茨理論。貝茨假設(shè)風(fēng)輪是理想的，既沒有輪轂，且有無限多葉片組成，氣流通過風(fēng)輪時(shí)也沒有阻力；此外假定氣流經(jīng)過整個(gè)掃風(fēng)面是均勻的，氣流流過風(fēng)輪的速度方向?yàn)檩S向。理想風(fēng)輪的氣流模型如圖2-4所示。 圖2-4理想風(fēng)輪的氣流模型其中，v是風(fēng)輪上游的風(fēng)速，是通過風(fēng)輪的風(fēng)速，是風(fēng)輪下游的風(fēng)速。通過風(fēng)輪的氣流上游截面積為，下游截面積為。根據(jù)理論和能量的轉(zhuǎn)化，一定有，根據(jù)貝茨理論，則有設(shè)S為風(fēng)輪平面面積，為空氣密度，則風(fēng)能作用于槳葉上的力為 （2.1）由此計(jì)算槳葉接收的功率為： (2.2)由上游至下游的動(dòng)能變化： （2.3）因能量守恒，則

10、 （2.4）可以求得： （2.5） （2.6）由于槳葉前風(fēng)速是認(rèn)為給定的，故對P微分求其最大值，P是的函數(shù)，則有 若令其為0，解得 代入P的表達(dá)式，可求出P的最大值： （2.7）由此，除以氣流通過掃風(fēng)面S所具有的動(dòng)能，得到風(fēng)輪的理論最大效率： （2.8）這就是著名的貝茨定理，它說明理想的最佳條件下，對風(fēng)能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化為了旋轉(zhuǎn)動(dòng)能而損耗在槳葉背面也就是說，實(shí)際風(fēng)力機(jī)的效率必定小于0.59，所以在實(shí)際的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中，就是要最大限度地接近該風(fēng)能的最大利用數(shù)值。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T與風(fēng)速v的關(guān)系可以表示為: （2.9）其中是反應(yīng)轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。轉(zhuǎn)化機(jī)械功率為： (2.10)風(fēng)

11、力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為： （2.11）其中R為風(fēng)輪半徑，為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行機(jī)械角速度，為風(fēng)能機(jī)械轉(zhuǎn)化效率，且葉尖速比（表示風(fēng)輪運(yùn)行速度快慢）為 要使得系統(tǒng)獲得最佳的功率輸出系數(shù)，即得到最大,根據(jù)不同的（葉片回轉(zhuǎn)平面與槳葉界面弦長之間的夾角）和值可得出功率系數(shù)近似特性曲線（關(guān)系見圖2.3），求得，所以的取值是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制的關(guān)鍵。 圖2-5 與葉尖速比以及槳距角的關(guān)系2.3最大風(fēng)能追蹤根據(jù)貝茲(Betz)定理，風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械功為: （2.11）其中，為風(fēng)能利用系數(shù)，為空氣密度，S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積，V為上游風(fēng)速葉尖速比可以用下式表示： （2.12）其中，為風(fēng)輪的角速度，為電網(wǎng)頻率，為風(fēng)輪半徑。

12、對某一確定的風(fēng)力機(jī)，當(dāng)和V一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)所獲得的機(jī)械功率僅與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)，是槳距角和葉尖速比的函數(shù)，即，某一風(fēng)速下，當(dāng)槳距角一定時(shí)，則僅由葉尖速比決定。在某一風(fēng)速下，總會(huì)有一個(gè)最佳葉尖速比，對應(yīng)了最大風(fēng)能利用系數(shù)，因此，只要控制保持最佳葉尖速比，就能獲得最大風(fēng)能。由式（2.11）和（2.12）可得風(fēng)力機(jī)最大輸出功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下： （2.13） 圖2-6槳距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線 圖2-7系數(shù)曲線 圖2-8風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線如圖2-8所示，是一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性，最佳功率曲線是各風(fēng)速下最大輸出功率點(diǎn)的連線。從中可以看出在同一個(gè)風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的

13、功率，要想追蹤最佳功率曲線，保持最佳葉尖比，即最大限度地獲得風(fēng)能，就必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，在直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，這是最大風(fēng)能捕獲的主要思想。應(yīng)用以上思想，在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，在最大功率輸出方式下。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)的最低風(fēng)力后，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)為優(yōu)化槳距角定漿距運(yùn)行，由變頻器控制系統(tǒng)來控制系統(tǒng)輸出，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大，超過額定轉(zhuǎn)速后，變頻器控制通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基本失效，系統(tǒng)變槳距裝置開始動(dòng)作，調(diào)節(jié)風(fēng)輪受力，減少風(fēng)輪機(jī)械能的獲取，保護(hù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)

14、組，避免因超速和超功率運(yùn)行引起的事故。此時(shí)風(fēng)力機(jī)工作在額定功率輸出模式，輸出穩(wěn)定。通過以上的分析，就可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和最大功率的輸出控制，獲得較為平穩(wěn)的能量，保證了公用直流母線的能量平穩(wěn)獲取和后續(xù)逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量。三、直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)和雙饋風(fēng)機(jī)兩種。兩者的最大區(qū)別在于不同的傳動(dòng)、發(fā)電結(jié)構(gòu)。以下通過分析風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特性來比較兩者的優(yōu)劣勢：性能永磁直驅(qū)式與雙饋式風(fēng)機(jī)比較分析電網(wǎng)兼容性永磁風(fēng)機(jī)更強(qiáng)具有優(yōu)越的低電壓穿越能力，可在電網(wǎng)干擾期間內(nèi)保持接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)沖擊小。可靠性永磁風(fēng)機(jī)更可靠直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)省去了齒輪箱及其部件，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)

15、組的可靠性。防護(hù)等級永磁風(fēng)機(jī)更高機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪轂采用內(nèi)正壓技術(shù)，可有效防止潮濕、鹽霧、沙塵的進(jìn)入，防護(hù)等級高。發(fā)電效率永磁風(fēng)機(jī)更高采用葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，無需電勵(lì)磁，減少了電能損耗；同時(shí)，沒有齒輪箱等中間部件，傳動(dòng)鏈短，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率。維護(hù)成本永磁風(fēng)機(jī)較低采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)，減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件數(shù)量，避免了齒輪箱油的定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)的成本。表3-1 直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)比較表從表3-1可以看出，直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)主要有低電壓穿越能力強(qiáng)，發(fā)電效率高，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見的將來，直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)將會(huì)在風(fēng)電系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 4、 永磁同步風(fēng)力發(fā)

16、電系統(tǒng)的基本組成、工作原理、控制4.1基本組成與工作原理永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上使用的是永磁材料勵(lì)磁，沒有勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組的銅損耗；同時(shí)，發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)通過軸系直接耦合在輪轂上，由葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電，不需要齒輪箱等中間傳動(dòng)部件。永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)背靠背式全功率變頻器系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，通過變頻器控制系統(tǒng)的作用，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變速運(yùn)行。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括槳距控制式風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、背靠背全功率變頻器以及控制系統(tǒng)等四大部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中背靠背全功率變頻器系統(tǒng)又可以分為：發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器（generator-side converter ）、直流環(huán)節(jié)（DC-link）

17、和電網(wǎng)側(cè)變頻器（grid-side converter）。槳距控制式風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器整流后由電容支撐，再經(jīng)電網(wǎng)側(cè)變頻器將能量饋送給電網(wǎng)。圖4-1 直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖4.2永磁同步電機(jī)的控制目前，在永磁交流伺服系統(tǒng)中，零d軸電流矢量控制技術(shù)是最主要的控制方式。零d軸電流矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向，其實(shí)現(xiàn)的前提是必須已經(jīng)準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子磁極空間位置d軸，采用PWM技術(shù)，通過對逆變器功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，使定子合成電流位于q軸上，此時(shí)定子電流d軸分量為零，而永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流成正比，即正比于定子電流幅值，因此，我們只需要控制定子電流

18、大小，就可以達(dá)到控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩的目的。機(jī)側(cè)變流器控制策略采用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法:兩相靜止坐標(biāo)系中的軸與定子a相繞組的法線方向?qū)R;同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向?qū)R，則空載電勢E與q軸對齊。和dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)相量圖如圖4-2所示，其中轉(zhuǎn)子位置角 圖4-2 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)向量圖 由此可以得到永磁同步電機(jī)在心坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別如(4.1)，(4.2)所示 （4.1） （4.2）其中，為電機(jī)端電壓軸分量，為定子電流軸分量，為轉(zhuǎn)子電角速度，為定子電感軸分量，為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電子極對數(shù)。同時(shí)可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下dq軸等效電路圖：

19、 永磁同步電機(jī)的控制策略原理，主要分為兩類:矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，前者是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的，而后者是基于定子磁場定向的，由于兩種控制策略的控制目標(biāo)不同，所以在實(shí)現(xiàn)方法上也各不相同。以下圍繞永磁同步電機(jī)的矢量控制中的零d軸電流控制方法展開討論。同時(shí)，機(jī)側(cè)變流器的控制策略與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式有著密切的關(guān)系。在最大功率運(yùn)行力一式下，為了追蹤最大功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉，控制上一般采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)結(jié)構(gòu);而在額定功率輸出運(yùn)行方式下，電機(jī)要維持額定功率不變，就是要維持額定轉(zhuǎn)速不變，因此此時(shí)控制上常采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，轉(zhuǎn)矩環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)矩指令由轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出來給定。零d軸電流矢量控制的目的就是將d

20、軸電流控制為零。將代入式(4.2)，則永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為: （4.3）由上式可看出，電磁轉(zhuǎn)矩僅與q軸電流成線性關(guān)系，所以我們只要控制了q軸電流，使q軸電流跟隨指令（d軸電流始終跟隨指令），就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨最優(yōu)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩指令已知時(shí)，電機(jī)dq軸電流指令如下： （4.4） 由式（4.2）可得出永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制方程如下： （4.5） 再加入電壓前饋，最終可得控制方程如下： （4.6）其中，為電流調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。由上式得出以下永磁同步電機(jī)控制框圖：由此可得d軸電流矢量控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4-3所示：圖4-4 機(jī)側(cè)變流器控制策略框圖 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙閉

21、環(huán)控制方式，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，其中外環(huán)的速度參考值由最大風(fēng)能追蹤算法得出，速度參考值與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速相比較，得到差額e作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)有功電流參考值。在電流內(nèi)環(huán)的控制中，首先檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度，用霍爾傳感器采樣發(fā)電機(jī)輸出三相電流，再將采上來的三相電流經(jīng)過clark和park變換轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)軸系下的直流分量,它們與指令值的差作為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，通過PI調(diào)節(jié)器跟蹤給定值，PI調(diào)節(jié)器的輸出與發(fā)電機(jī)端電壓的dq旋轉(zhuǎn)軸系下的分量疊加，產(chǎn)生的調(diào)制電壓逆park變換，得到電壓矢量。最后能過SVPWM方法產(chǎn)生PWM波控制變流器各功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。其中

22、，檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度，對進(jìn)行求導(dǎo)即可得到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此可見，通過上述的零d軸電流矢量控制，就可以靈活的獨(dú)立控制發(fā)電機(jī)輸出電流的有功和無功分量，實(shí)現(xiàn)無靜差控制。五、永磁同步風(fēng)力發(fā)電實(shí)例1.65 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)  額定功率        1650 kW 額定電壓        690 V 額定電流 

23、  1534 A 額定功率因數(shù)    0.9 相  數(shù)          3 額定頻率        40 Hz 極  數(shù)          32 額定轉(zhuǎn)速&#

24、160;       150 r/min 轉(zhuǎn)速范圍        0180 r/min 冷卻方法        空水冷卻 絕緣等級        180(H)  防護(hù)等級    &

25、#160;   IP54 中心高          1350 mm 工作制          S1 效  率          97 % 發(fā)電機(jī)總重量 18 t六、總結(jié)隨

26、著能源危機(jī)的不斷加深，能源解決問題變得越來越緊迫，風(fēng)力發(fā)電作為新能源中發(fā)展最早，技術(shù)最全面的技術(shù)受到了人們廣泛的重視，所以風(fēng)能技術(shù)的研究也越來越多。作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一種，永磁直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的方向。通過新型電機(jī)這門課程的學(xué)習(xí)，我知道了在傳統(tǒng)電機(jī)之外還有其他的應(yīng)用非常廣泛的微特電機(jī)，在現(xiàn)代社會(huì)這個(gè)需求日益多元化的時(shí)代，微特電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手，已經(jīng)融入到我們的日常生活之中。此次我論文的主題是直驅(qū)永磁電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是由于在大三暑假的實(shí)習(xí)中參觀了很多永磁電機(jī)制造企業(yè)，很多是我們學(xué)校的校友創(chuàng)辦的，在此過程中對永磁電機(jī)產(chǎn)生了較大的興趣，加

27、之現(xiàn)在化石能源的日益匱乏，風(fēng)電越來越得到重視，永磁電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用的較為成功，所以才有了以直驅(qū)永磁電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用為主題的想法。由于自己的理論學(xué)的不是太深入，好多方面自己搞的也不是太清楚，在此懇請老師批評指正，通過新型電機(jī)課程的學(xué)習(xí)，讓我對我國的電機(jī)事業(yè)有了更為充分的了解，收獲很大。7、 參 考 文 獻(xiàn)1 王承煦，張?jiān)粗?風(fēng)力發(fā)電.機(jī)械工業(yè)出版社. 2003,03月（第一版）2 金萬兵.混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究碩士學(xué)位論文. 遼寧：沈陽工業(yè)大學(xué),20033 張宏杰.混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與研究碩士學(xué)位論文.遼寧：沈陽 工業(yè)大學(xué),20004 徐甫榮. 大型風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng), 風(fēng)力發(fā)電 ,2002,18（2）3038.5 張揚(yáng),李強(qiáng),張曉東.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)綜述.水利電機(jī)械. 29(7). 6 李寧,陳桂.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).高等教育出版社,2006.7 屈莉莉，秦億，楊兆華.PWM高級整流技術(shù)J，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué) 院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，19（2）：22-26.8 鄭存家