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永磁同步风⼒发电系统的组成、⼯作原理及控制机理永磁同步风⼒发电系统的系统基本组成、⼯作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风⼒发电系统主要采⽤如下结构组成：风⼒机（这⾥概括为：叶⽚、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。
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。
就空间位置⽽⾔，变流器和风机总控系统⼀般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。
2.⼯作原理：系统中能量传递和转换路径为：风⼒机把捕获的流动空⽓的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风⼒机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化⽽变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电⽹同步的可控电能并馈⼊电⽹，从⽽最终实现直驱系统的发电并⽹控制。
3.控制模式：风⼒发电机组的控制系统是综合性控制系统。
它不仅要监视电⽹、风况和机组运⾏参数，对机组运⾏进⾏控制。
⽽且还要根据风速与风向的变化，对机组进⾏优化控制，以提⾼机组的运⾏效率和发电量。
风⼒发电控制系统的基本⽬标分为三个层次：分别为保证风⼒发电机组安全可靠运⾏，获取最⼤能量，提供良好的电⼒质量。
控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运⾏主控制器、功率输出单元、⽆功补偿单元、并⽹控制单元、安全保护单元、通讯接⼝电路、监控单元。
具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、⾃动最⼤功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、⾃动解缆、并⽹和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
⼀、系统运⾏时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个⽅⾯：⾃动对风、⾃动解缆和风轮保护。
1)⾃动对风正常运⾏时偏航控制系统⾃动对风，即当机舱偏离风向⼀定⾓度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，⾃动对风停⽌。
2)⾃动解缆当机舱向同⼀⽅向累计偏转2~3圈后，若此时风速⼩于风电机组启动风速且⽆功率输出，则停机，控制系统使机舱反⽅向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不⾃动解绕；若机舱继续向同⼀⽅向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障⾃动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，⾃动停机，等待⼈⼯解缆操作。
风力发电机变流器及其低电压穿越概述导语：本文从三种典型风电系统出发，包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。
根据齿轮箱结构及发电机类型，讨论了目前的风电系统结构，并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。
1 引言近年来随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业，其相关技术发展很快，从失速型到变速恒频风电系统，从有齿轮箱到直接驱动型风电系统，我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长。
为提高风能利用效率，降低风电成本，风电机组单机容量大型化是风电技术发展的大趋势，采用变速变桨距调节技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征；在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机（doubly-fed induction generator，dfig）的双馈型风电系统市场份额最大，使用永磁同步发电机（permanent-magnet synchronous generator，pmsg）的直驱型系统发展很快。
随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了新的风电并网规则，对低电压穿越与无功支持等功能进行了规定，我国也将会有类似的规则出台［1-3］。
本文从三种典型风电系统出发，包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。
根据齿轮箱结构及发电机类型，讨论了目前的风电系统结构，并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。
对作为风力发电与电网接口的风电变流器进行了说明，随着风电机组单机容量的增大，大功率多电平变流器将会得到较多应用；对风电系统低电压穿越及无功功率支持等进行了分析。
针对风电系统发电机、变流器和低电压穿越能力等，介绍了不同风电公司的相关产品与技术。
2 几种典型风力发电系统风力发电系统，根据发电机转速，可以分为失速型与变速恒频型，其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型；根据传动链组成，可以分为有齿轮箱和直接驱动型，有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。
全功率风机变流器介绍一、全功率变流器控制原理全功率风力发电系统主体电路结构，如图1所示。
发电机的输出端连接变流器的机侧，变流器的网侧输出经升压变后，连接电网。
图1全功率风力发电系统主体电路结构。
随着风速的变化，发电机的转速也变化，因此发电机输出的电压幅值和频率是变化的，而电网的电压幅值和频率是恒定的。
为了将发电机输出的频率和幅值变化的交流电送入到电网，变流器起到中间纽带环节的作用。
首先将发电机输出的交流电经机侧变流器部分整流成直流电，再经由网侧变流器部分逆变成交流电送入电网。
图2为全功率风力发电功率控制原理图，风机总控依据当前的风况，通过变桨和偏航控制叶片吸收的机械能，获得发电机的转矩量。
然后将转矩量值下发给变流器。
变流器根据总控下发的转矩指令，控制对发电机电能的抽取，从而控制并网电流大小。
总控依据当前风况，下发发电机转矩指令。
变流器响应转矩指令，控制并网功率。
图2 功率控制原理图对于机侧的变流器部分，在无速度传感器控制技术的基础上，采用基于定子电流定向的复合矢量控制技术，实现最大转矩电流比矢量控制的控制性能。
图3为发电机的控制矢量图。
图3 发电机控制矢量图对于网侧的变流器部分，采用电流解耦控制技术及并网电流对称控制技术。
通过对并网电流的解耦，将并网电流分解为有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制。
同时为实现三相并网电流的对称控制，将负序的有功电流和无功电流控制为零。
控制结构框图如图4所示。
*dc图4 网侧变流器控制框图根据机侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图5为机侧变流器的主体电路结构，图6为转换为数学模型的机侧控制框图。
V图5 机侧变流器主体电路结构图6机侧变流器控制数学模型框图根据网侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图7为网侧变流器的主体电路机构，图8为为转换为数学模型的网侧控制框图。
V0图7 网侧变流器主体电路结构图8 网侧变流器控制数学模型框图全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略如图9所示。
第２８卷第４期２００８年４月电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶ０１．２８Ｎｏ．４Ａｐｒ．２００８够Ｊ＾永磁直驱风电系统变流器拓扑分析胡书举１．２，李建林１，许洪华１（１．中国科学院电工研究所，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要：永磁直驱风电系统变流器为永磁同步发电机和电网的接口。
对其常用的拓扑进行了详细的分析和说明，包括不控整流＋逆变器、不控整流＋ＤＣ／ＤＣ变换＋逆变器、背靠背双ＰＷＭ变换器等拓扑，对其工作原理、应用和优缺点进行了介绍和对比，并针对风电机组对大功率变流器的需求．对大功率拓扑结构的特性和应用进行了详细的介绍。
不控整流＋Ｂｏｏｓｔ变换＋并网逆变器和背靠背双ＰＷＭ变换器２种拓扑是目前的优选方案。
多电平变换器因其优良的性能将具有良好的发展前景。
关键词：直驱式风电系统；永磁同步发电机；变速恒频；双ＰＷＭ变换器；多电平变换器中图分类号：ＴＭ７６４文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７（２００８）０４—００７７—０５Ｏ引言在目前的变速恒频风电系统中。
使用双馈感应发电机ＤＦＩＧ（Ｄｏｕｂｌｙ．．ＦｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）的双馈式系统占据主流地位。
而使用永磁同步发电机ＰＭＳＧ（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＧｅｎｅｒａｔｏｒ）的直驱式系统也正在得到越来越多的应用。
双馈式系统，其变流器容量只占系统额定功率的３０％（滑差功率）左右，电机高速运行，体积和重量较小，因而具有较低的成本；直驱式系统需要全功率变流器，变流器容量即为系统额定功率。
所需的低速ＰＭＳＧ体积和重量较大，因而具有较高的成本［１１。
但是双馈式系统需要增速齿轮箱，大量应用表明，齿轮箱是风电系统中最容易发生故障的组件之一，并且维护复杂，噪声较大；永磁直驱式风电系统采用低速ＰＭＳＧ，结构简单，不收稿日期：２００７一０３—１９；修回日期：２００７—０７—１８基金项目：中国博士后科学基金项目（２００６０３９００９２）需要齿轮箱，机械损耗小，效率高，便于维护，不需要外部励磁。
金风 1.5MW Freqcon 变流器1.引言变流器系统是金风直驱风电机组重要部件，也是永磁直驱机组故障率较高的部分，它的运行工况很大程度上决定机组可利用率，日常维保工作中变流器系统是重中之重，本人从事永磁直驱风电机组运维工作多年，针对变流器系统总结了一些现场维保经验，分享给大家，希望对现场全功率机组变流器运维工作有一些帮助。
关键词：IGBT功率模块、变流板、ACS510变频器2、1.5MW Freqcon 变流器组成及作用2.1 Freqcon变流器组成变流器主柜由五部分组成，即低压柜、主控柜、IGBT1柜、IBGT2柜、制动柜。
Freqcon变流器冷却方式为强迫风冷。
柜体内设计自动控制加热除湿装置，保证机组在-30℃环境下功能模块安全启动运行。
2.2 Freqcon变流器作用金风1.5MW Freqcon变流器I型采用风冷形式散热，适用于1.5MW直驱永磁风力发电机组。
Freqcon变流器采用IGBT功率控制单元，结合PWM控制技术实现风力发电机与电网之间功率传递和能量转换。
机侧采用全控形式IGBT功率模块，利用SPWM技术实现机组输出功率控制，保证机组结合实时风速获取最大风能，实现机组高效率运行。
网侧变流器采用三相四线制拓扑结构，利用控制脉冲交错并联技术，结合LCL滤波电路，实现高质量电能输出。
3、Freqcon变流器系统部件介绍3.1 变流器功率模块Freqcon变流器网侧和机侧共有13个IGBT功率模块，一组直流母线系统、一套Chopper制动斩波装置。
其中IGBT编号1~6#为网侧逆变电路功率模块，位于IBGT1柜内；IGBT7#为Chopper制动斩波电路使用，位于制动柜内；IGBT编号8~13#为机侧整流电路功率模块，位于IGBT2柜内。
3.2 变流控制器Freqcon变流器核心控制部分位于控制柜体内，主要由变流控制器和PLC模块共同组成。
变流控制器又称变流板（后文中均称变流板），是整个变流器控制核心部件。
永磁直驱风力发电系统及变流器控制措施摘要：随着我国经济水平以及工业化、机械化水平的不断提高，社会公众的日常生活与工厂生产对于能源的需求越来越大。
但我国的能源消费与能源储备却逐渐呈现不匹配的趋势，传统能源不仅存在着环境污染等问题，也在消耗中逐渐面临紧缺的危机。
因此，我国社会对于新能源的开发十分重视，在众多新能源之中，风力发电作为高效方便且有一定操作性的能源得到了广泛关注，本文也将结合金风科技生产的发电系统对于永磁直驱风力发电系统以及相关的变流器进行深入研究。
关键词：风力发电；永磁直驱风力发电系统；变流器引言：在众多新能源开发中，风能作为清洁有效且又具有操作性的能源在我国的部分地区得到了深入的研发，而在风力发电系统中，永磁直驱风力发电系统是我国目前研发的风力的最新科研成果之一，它具有稳定且安全的发电系统、对于风能资源的利用率和发电效率也十分高，除此之外，永磁直驱风力发电系统还具有简单方便的操作方式等特点，因此成为了我国风力发电系统的首选，甚至出口海外。
一、永磁直驱风力发电系统在我国的能源分布中，传统能源分布十分不均，且资源日益稀缺。
因此，各式的新能源作为传统能源的替代品，在我国的能源消费中逐步占据有利地位。
而在我国的新能源种类中，研究人员对于风能的开发取得了一定的进展，本文也将进行主要探讨。
在风力发电中，主要包含风力机和发电机两大部分，而我国的风力发电系统正是在这两部分的基础上进行的相关研究。
在传统的风力发电系统中，大多采用异步式发电机，这种发电机在进行风力发电时耗费的风能大，资源转换利用率低，在使用方面并不方便[1]。
而永磁直驱风力发电系统相较于传统的风能发电系统，减去了累赘繁重的部件，扩大了系统容量，不仅提高了资源的转换率，更有助于减少在整个转换过程中的能耗，也因此成为了我国目前风力发电的首选。
二、永磁直驱风力发电系统的优点在我国工业现代化转型的过程中，我国的风力发电系统也经历着转型，和传统的风力发电系统相比，永磁直驱风力发电系统在许多方面都有着独特的优势。
一种新型的风力发电全功率变流器陈杰;龚春英;陈家伟;张方华;严仰光【摘要】Abstract A novel full-size power converter which consists of a machine side auto-transformer rectifier unit (ATRU) and grid side Z-source inverter(ZSI)is proposed in this paper. The power converter owns the merits of simple structure, high reliability, and high efficiency, which could cater for the off shore wind turbines where high reliability is required. The operational principle of the ATRU and ZSI is briefly introduced. Some design rules are concluded based on the feasibility analysis of applying ATRU to variable speed wind turbines. Then, the relationship between input voltage and dc link voltage of ZSI is carefully discussed, which decides the design requirements of PMSG and inverter A control strategy including the functions of maximum power point tracking (MPPT) function and dc link voltage stabilizing is devised for the wind energy conversion system (WECS), based on the proposed full-scale power converter, and the input voltage feed forward control method is adopted for the ZSI. to improve the dynamic performance of do link peak voltage. Finally, a simulation case is implemented, and the simulation results show the correctness and feasibility of the proposed power converter and its control strategy.%提出了一种新型的风力发电全功率变流器，由电机侧自耦调压整流器（ATRU）和网侧z源逆变器（ZSI）组成，具有结构简单、可靠性高、转换效率高等优点，为风力发电系统提供了一种可选的解决方案。
永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制近年来,风力发电技术取得了显著的进步,并逐渐成为新能源应用技术中的一个重要分支。
本文以安徽省“十五”科技攻关项目和国家“十一五”科技支撑项目为依托,对风力发电应用技术中的永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制技术进行研究。
在永磁同步风力发电机的数学模型、永磁同步风力发电机模拟器、永磁同步风力发电机的控制策略及其控制性能、永磁同步风力发电机无速度传感器控制、永磁同步风力发电机参数辨识、永磁同步直驱系统实验室模拟、直驱系统用全功率风机变流器的控制时序及全功率风机变流器的网侧、机侧变流器的协调控制等方面进行了深入研究,并获得了一些具有创新意义的科研成果。
本文主要研究内容及创新点可概括如下:1、针对直驱系统采用的永磁同步风力发电机的电气结构和论文研究关注的重点,建立了三相和六相永磁同步风力发电机的数学模型,并重点分析了各自的特点。
根据理论分析的模型方程,利用Matlab/Simulink建立了永磁同步风力发电机的通用仿真模型,并采用具体电机参数,给出了相关的仿真结果,三种模型的建立为后续针对永磁同步风力发电机控制策略和无速度传感器控制方法的研究建立了理论和仿真平台。
2、提出了一种兆瓦级永磁同步风力发电机模拟器:根据兆瓦级永磁同步风力发电机的数学模型,可获取不同转速状态下的发电机定子电压和定子电流方程,通过控制三相电压型PWM变流器来近似模拟发电机的这种定子输出电压和电流特性,可达到验证全功率风机变流器带载特性和带载能力的目的,文中详细给出了发电机模拟器的控制系统设计并仿真验证了所提方案的可行性。
3、对永磁同步风力发电机的常规矢量控制策略进行了详细的研究:分析了在实际工程应用的永磁同步直驱系统中,单纯采用常规的永磁同步发电机矢量控制方法的不足,结合实际的兆瓦级永磁同步风力发电机参数,文中提出了一种永磁同步风力发电机的复合矢量控制策略。
此策略的提出使得当直驱系统中的永磁同步发电机运行在不同的工况时,对其控制可实现不同矢量控制策略的切换运行,从而提高整个系统的运行稳定性和提高发电机的发电效率。
直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术周志钢;厉伟;董文忠【摘要】在风力发电系统中,变流器是实现能量高效、稳定转换的关键.研究了直驱永磁风力发电系统的控制原理,建立了双PWM变流器机侧和网侧的数学模型.机侧变流器采用转子磁场定向矢量控制方式,网侧变流器采用电网电压定向矢量控制方式,实现有功和无功功率的完全独立解耦控制.仿真和试验结果表明:该控制策略可有效地实现最大风能捕获,维持直流母线电压稳定,实现发电机组的平滑并网,具有良好的动态响应.【期刊名称】《东北电力技术》【年(卷),期】2015(036)008【总页数】5页(P37-41)【关键词】风力发电;双PWM变流器;矢量控制;独立解耦【作者】周志钢;厉伟;董文忠【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳 110870;兴城市广播电视台,辽宁葫芦岛 125100【正文语种】中文【中图分类】TM46;TM614随着可再生能源的发展，风力发电在能源结构中所占的比例不断提高。
由于直驱永磁风电机组运行高效稳定、故障率低等优势，从而在兆瓦级风电机组中得到广泛应用，并已经成为主流机型［1］。
本文针对直驱永磁风力发电系统双PWM全功率变流器的机侧和网侧控制技术展开研究。
机侧变流器对永磁同步发电机的控制实现最大风能功率追踪，网侧变流器［2］通过输出并网控制，实现直流母线电压稳定，输出功率独立解耦控制。
在Matlab/Simulink环境下对直驱永磁风力发电系统进行仿真建模，通过对仿真和试验结果分析，验证了控制策略的可行性和有效性。
直驱永磁风力发电系统［3］由风力机、永磁同步发电机、双PWM变流器、控制系统等组成，其拓扑结构如图1。
风力机通过齿轮箱和联轴器与发电机相连，经过双PWM整流逆变环节后通过发电机定子将电能传输给电网。
风力机是一种将截获流动的空气所具有的动能转换为拖动发电机旋转的机械能的装置。
风力机将风能转换成有用输出功率为式中:ρ为空气密度;S为桨叶扫掠的有效截面积;V为风速;Cp为风能利用系数，一般Cp＜0.593。
1.3风力发电变流器技术电力电子变流器(系统)是风力发电机组与电网的核心中间环节,堪称风力发电系统的重中之重。
在风机控制器的统筹管理下,变流器要实现发电机组的最大风能捕获(MPPT );同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能,向电网输送高品质电能。
并且受限于风电机组的空间尺寸与本钱,变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。
这对变流器系统的电磁性能、构造及平安易用性等设计研究均提出了较高要求。
1.3.1变流器拓扑与控制以永磁直驱式风力发电系统为例,整个风机系统的控制框图如图1.4所示。
其中,变流器的控制主要包括PMSG的(电机侧)PWM整流控制技术与电网侧PWM 逆变器控制技术。
电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制,实现电机转速调节,使其具备最大风能捕获功能,已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解辅控制,保持机组运行在变速恒频发电状态;同时,配合输出滤波器来保证电能质量,并对电网故障进展实时检测,以实现LVRT功能气图1.4风机系统的控制框图对于直驱式风电变流器系统,变流器拓扑常见的有如下几种[3 ]。
图1.5 二极管不控整流+逆变如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器,如图1.8。
利用PWM(脉宽调制)技术不但使电流波形得到很好的控制,而且PWM变流器可以四象限运行。
采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路,发电机可以在很宽的风速X围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。
特别是双PWM 构造的变流器中,能量可以双向流动,使发电机控制的灵活性得到极大提高,通过釆用更多的先进控制策略,极大的提高了系统整体性能。
随着可控半导体功率器件技术的不断开展,双PWM背靠背变流器构造得到越来越广泛的应用。
1.3.2变流器构造设计正如前文所述,由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件(如风沙、严寒、沿海及海上等),同时受限于变流器有限的安装维护空间,对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛,这就对变流器的构造设计与生产提出了更高要求。
第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略5.1 全功率变流器风电机组的工作原理......................................................................5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 ............................................................5.1.2同步发电机 ....................................................................................................5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 ................................................................5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 ............................................................5.2 全功率变流器风电机组变流器..............................................................................5.2.1 电机侧变流器控制策略 ...............................................................................5.2.1 电网侧变流器控制策略 ...............................................................................5.1 全功率变流器风电机组的工作原理5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。
