風(fēng)力發(fā)電雙饋變流器主電路與驅(qū)動電路的研究設(shè)計說明

.41/47目錄設(shè)計總說明IIIDesignGeneralDescriptionV1緒論11.1風(fēng)力發(fā)電簡介11.2風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀21.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介41.3.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)51.3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)62雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組92.1雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理92.2雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點133雙饋變流器的設(shè)計153.1雙饋變流器的工作原理153.2雙饋變流器的組成163.2.1并網(wǎng)開關(guān)163.2.2雙PWM變換器193.2.3預(yù)充電回路293.2.4濾波電路313.2.5低電壓穿越電路353.3總結(jié)384變流器功率單元驅(qū)動電路的設(shè)計394.1驅(qū)動電路概述394.2驅(qū)動電路的性能參數(shù)394.2.1基本工作原理394.2.2驅(qū)動電路的功能414.3驅(qū)動電路的設(shè)計424.3.1驅(qū)動芯片的選取424.3.2外圍電路的設(shè)計454.4總結(jié)495實驗結(jié)果及分析505.1概述505.2滿功率試驗波形記錄及分析516總結(jié)及展望56參考文獻(xiàn)57附錄A1.5MW雙饋變流器主電路58附錄B1.5MW雙饋變流器驅(qū)動電路59附錄C1.5MW雙饋發(fā)電機(jī)額定參數(shù)60附錄D1.5MW雙饋變流器61致謝62風(fēng)力發(fā)電雙饋變流器主電路及驅(qū)動電路的研究設(shè)計設(shè)計總說明：隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,能源消耗的日益增長,環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,迫使人們考慮新能源和可再生能源的開發(fā)和利用問題。目前人類開發(fā)的新能源有：核能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、氫能。風(fēng)能憑借其多方面的優(yōu)點,在新能源的開發(fā)利用中脫穎而出。而風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)是并網(wǎng)變流器,其效率的好壞、可靠性的高低將直接影響系統(tǒng)的性能和投資。在風(fēng)力發(fā)電的初期主要是以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為主,恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單,其主要工作原理為：控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,從而得到頻率恒定的電能。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及可再生能源的迫切需求,風(fēng)力發(fā)電也越來越受到重視,因此風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,近幾年在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中提出了變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要有直驅(qū)式和雙饋式。直驅(qū)式主要由永磁同步發(fā)電機(jī)直接聯(lián)接葉片,使葉片與發(fā)電機(jī)之間取消齒輪箱,成為無齒輪箱的直接驅(qū)動型。因為使用全功率變流器,使得系統(tǒng)調(diào)速范圍寬,風(fēng)能利用率高；同時因為是直驅(qū)系統(tǒng),省去了齒輪箱,使傳動效率提高,可靠性提高,成本降低。直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過全功率變流器與電網(wǎng)相連,在低電壓穿越方面較雙饋式機(jī)組實現(xiàn)簡單,且暫態(tài)沖擊較小。然而直驅(qū)式的變速恒頻系統(tǒng)也有其缺點,如變流器需按100%額定功率設(shè)計,成本偏高。雙饋試發(fā)電系統(tǒng)采用雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)定子側(cè)通過并網(wǎng)開關(guān)與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過交直交變流器與電網(wǎng)相連,由變流器向轉(zhuǎn)子提供可控的勵磁電流,實現(xiàn)定子側(cè)零沖擊并網(wǎng)及有功、無功解耦控制。雙饋發(fā)電機(jī)體積小,重量輕、所需變流器容量小、供電質(zhì)量高等特點,使其依然成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主力機(jī)型。從國際風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢來看,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大,陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主力機(jī)型單機(jī)容量在1.5MW、2MW,近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型單機(jī)容量多為3MW以上,雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流機(jī)型。因此提出對雙饋式變流器進(jìn)行研究設(shè)計。目前國內(nèi)裝機(jī)以雙饋式風(fēng)電機(jī)組為主,20XX,我國新增風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量中,雙饋式風(fēng)電機(jī)組占82%以上。而1.5MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組是市場占有量最大的變速恒頻風(fēng)電產(chǎn)品。因此本課題以北京科諾偉業(yè)"1.5MW雙饋變流器"為背景對變流器進(jìn)行研究設(shè)計。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)將由葉片吸收的風(fēng)能,經(jīng)齒輪箱升速后轉(zhuǎn)換為電能,雙饋變流器對發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能變頻、濾波并將其并入電網(wǎng)。變流器風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間核心的能量轉(zhuǎn)換單元。本論文中研究設(shè)計的1.5MW雙饋變流器是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成工頻50Hz,690V的交流電,然后經(jīng)過升壓變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本論文主要圍繞雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙PWM變流器及其驅(qū)動控制技術(shù)進(jìn)行討論和研究。本文首先介紹國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展、研究現(xiàn)狀,并分析恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電系統(tǒng),接著介紹雙饋電機(jī)的運行特點。在變速恒頻的基礎(chǔ)上,分析交直交變流器的運行原理,通過對直驅(qū)式永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋式異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理進(jìn)行分析和比較,提出研究雙饋變流器的意義,最后對雙饋變流器的主電路及驅(qū)動電路進(jìn)行原理分析及設(shè)計。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；恒速恒頻；變速恒頻；雙饋變流器；驅(qū)動電路Thedesignofwindpowergenerationdoubly-fedconvertermaincircuitanddrivecircuitDesignGeneralDescription：Withtherapiddevelopmentofindustry,theincreasingofenergyconsumptionandthegrowingseriousenvironmentalpollution,peopleareforcedtoconsidernewandrenewableenergydevelopmentandutilization.Atpresent,thehumanityhavedevelopnewenergy:nuclearpower,solarenergy,windenergy,biomassenergy,geothermalenergy,oesandhydrogen.Windenergy,owningmanyadvantageshasstoodoutinthedevelopmentandutilizationofnewenergy.Thecoretechnologyofwindpowerisinverters,itsefficiencyandreliabilitywilldirectlyaffectthesystemperformanceandinvestment.Intheearlytimeofwindpower,constantspeedconstantfrequencywindturbine-basedisthemainlymeasure,ingeneralconstantspeedconstantfrequencygenerationsystemisrelativelysimple,themainworkingprinciple:controllingthegeneratorspeedisconstant,resultinginaconstantfrequencypower.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnologyandtheurgentneedforrenewableenergy,windpowergenerationobtainmoreandmoreattention,sowindpowertechnologyhasbeenrapiddevelopmentinrecentyearsinthefieldofwindpowerintheproposedvariablespeedconstantfrequencygeneratingsystem.Butthevariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemaredirectdrivinganddouble-fed.Directdrivingmainlybythepermanentmagnetsynchronousgeneratordirectconnectingleaves,leadingtoagearlessdirectdrivetypebetweentheabolitionoftheleafandthegeneratorgearbox.Becausetheuseoffullpowerconverter,makingthesystemawidespeedrange,highefficiencyofwindpower;Atthesametimeasitisdirectdrivingsystem,eliminatingthegearbox,sothattransmissionefficiency,increasedreliability,lowercosts.Direct-drivingvariablespeedconstantfrequencysynchronousgeneratorwindpowergenerationsystemthroughfullpowerconverterconnectedtothegrid,comparingwiththedouble-fedmachinetoachieveamoresimpleandlesstransientshocksinlowvoltageacross.However,directdrivingvariablespeedconstantfrequencysystemalsohasitsdisadvantages,suchastheconvertermustdesignedbasing100%ofratedpower,sothecostismore.Double-fedgenerationsystemusesadouble-fedinductiongenerator,thegeneratorstatorandCAPEoffthegridbyconnectingtherotorthroughtheLCIconverterconnectedtothegridbytheconvertertoprovideacontrolledrotorexcitationcurrenttoachievezeroimpactonthestatorsideofthegridandtheactiveandreactivedecouplingcontrol.Doubly-fedgeneratorpossessessmallsize,lightweight,smallcapacityrequiredconverters,powerqualityandadvancedfeatures,makeitremainsasthemainmodeloflargewindturbines.Fromthedevelopmentofinternationalwindpowertechnologytrend,windturbineunitcapacityisincreasing,landstand-alonewindturbinecapacityofthemainmodels1.5MW,2MW,offshorewindturbine'smainmodelfortheunitcapacityofmorethan3MW,double-fedVSCFwindturbineisthecurrentlymainstreamoftheinternationalwindpowermarketmodels.Thereforeproposetoresearchanddesignthedouble-fedinverter.CurrentlyinstalledinDFIGbasedonwindturbineinChina,in2009installedcapacityofnewwindturbine,DFIGwindturbinesaccountedfor82%ormore.But1.5MWDFIGwindturbineownsthelargestmarketshareofvariablespeedconstantfrequencywindpowerproducts.Therefore,theissuebasedonBeijingCoronaLimitedCorporation1.5MWdoubly-fedconverterasthebackgroundresearchontheconverterdesign.Windturbinebladeabsorbedfromthewind,thegearboxincreasesthespeedandconvertedtoelectricalenergy,double-fedinverterchangethegeneratorfrequency,filteringthem,thensendthemintothegrid.Converterbetweenthecoreandgridwindturbineenergyconversionunit.Thispaperstudiesthedesignofthe1.5MWdoubly-fedconverteristoconvertelectricalenergygeneratedbywindturbinesintopowerfrequency50Hz,690VAC,andthenthroughthestep-uptransformerwillbetransportedtothepowergrid.Doubly-fedwindpowersystemandthedrivingcontroldoublePWMconverteraremainlydiscussedandstudiedinthisthesis.Firstly,thispaperintroducesthedevelopmentofwindpowertechnologyathomeandabroad,researchingstatusandanalysisatconstantspeedconstantfrequencyelectricsystem,VSCFsystem,thenintroducesthecharacteristicsdoubly-fedmachineoperation.AnalysestheoperationprincipleofAC-DC-ACconverteronthebasisofvariablespeedconstantfrequency,throughputforwardthesignificanceofresearchingdoubly-fedconverterbyanalyzingandcomparingthebasicworkingprinciplesofdirectdrivingtypepermanentmagnetsynchronousmotorwindpowersystemsanddoubly-fedtypeasynchronousmotorwindpowersystems,finallydesignandanalysesitsmaincircuitanddrivecircuit.Keywords:windpower;Constantspeedconstantfrequency;Variablespeedconstantfrequency;Doubly-fedconverter;Drivingcircuit.1緒論1.1風(fēng)力發(fā)電簡介地球上可供人類使用的化石燃料是極其有限和不可再生的。據(jù)聯(lián)合國能源署報告,按可開采儲量預(yù)計,煤炭資源可供人類用200年,天然氣資源可用50年,石油資源可用30年?？茖W(xué)家預(yù)計,21世紀(jì)的最主要能源將是核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、氫能和可燃冰。世界風(fēng)能總量為,大約是世界總能耗的3倍。如果風(fēng)能的1%被利用,則可以減少世界3%的能源消耗,風(fēng)能用于發(fā)電,可產(chǎn)生世界總電量的8%~9%。風(fēng)能是一種無污染的可再生能源,它取之不盡,用之不竭,分布廣泛。隨著人類對生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要,風(fēng)能的開發(fā)日益受到重視,風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源。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。其蘊藏量巨大,全球風(fēng)能資源總量約為,其中可利用的風(fēng)能為。中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣,僅陸地上的風(fēng)能儲量就有約2.53億千瓦,開發(fā)利用潛力巨大。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,風(fēng)能市場也在迅速發(fā)展。20XX全球風(fēng)能裝機(jī)總量為9萬兆瓦,20XX全球風(fēng)電增長28.8%,20XX底全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量已超過了12.08萬兆瓦,相當(dāng)于減排1.58億噸二氧化碳。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展,風(fēng)能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。風(fēng)力發(fā)電是近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項目之一,發(fā)展速度非?？?。1997~20XX,全球風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長率達(dá)26.1%,目前全球風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到5000萬千瓦左右,相當(dāng)于47座標(biāo)準(zhǔn)核電站。"十五"期間,中國的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。20XX,中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到260萬千瓦,成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場之一。20XX以來,中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài)勢。20XX中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到719.02萬千瓦,新增裝機(jī)容量增長率達(dá)到108.4%,累計裝機(jī)容量躍過1300萬千瓦大關(guān),達(dá)到1324.22萬千瓦。XX、新疆、XX、XX、XX等地風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。進(jìn)入20XX下半年以來,受國際宏觀形勢影響,中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度趨緩。為有力拉動內(nèi)需,保持經(jīng)濟(jì)社會平穩(wěn)較快發(fā)展,政府加大了對交通、能源領(lǐng)域的固定資產(chǎn)投資力度,支持和鼓勵可再生能源發(fā)展。作為節(jié)能環(huán)保的新能源,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)贏得歷史性發(fā)展機(jī)遇,在金融危機(jī)肆虐的不利環(huán)境中逆市上揚,發(fā)展勢頭迅猛。截止到20XX初,全國已有25個省份、直轄市、自治區(qū)具有風(fēng)電裝機(jī)。中國風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊,預(yù)計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展,同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風(fēng)電裝機(jī)的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化,風(fēng)電成本可望再降。因此風(fēng)電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風(fēng)電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點,市場前景看好。1.2風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀風(fēng)力機(jī)用于發(fā)電的設(shè)想,始于1890年丹麥的一項風(fēng)力發(fā)電計劃。1918年,丹麥己擁有風(fēng)力發(fā)電機(jī)120臺。第一次世界大戰(zhàn)后,出現(xiàn)了現(xiàn)代高速風(fēng)力機(jī)。1931年,蘇聯(lián)采用螺旋槳式葉片建造了一臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。隨后,各國相繼建造了一大批大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前,風(fēng)能的利用形式主要是發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電在新能源和可再生能源行業(yè)中增長最快,年增長達(dá)到35%。圖1-1所示為1996—20XX全球風(fēng)電總裝機(jī)容量。德國,丹麥及西班牙是世界上風(fēng)能利用最好的三個國家,德國風(fēng)電已占總發(fā)電量的3%,丹麥風(fēng)電已超過總發(fā)電量的10%。圖1-11996-20XX全球風(fēng)電總裝機(jī)容量到20XX底,世界累計的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備總裝機(jī)容量為6800萬千瓦,歐洲占60%。我國風(fēng)能資源豐富,儲量為32億千瓦,可開發(fā)的裝機(jī)容量約2.5億千瓦,居世界首位。目前,在XX、XX、XX、新疆等地已建成26個風(fēng)電場。盡管我國近幾年風(fēng)力發(fā)電增長都在50%左右,但裝備制造水平與裝機(jī)總?cè)萘颗c發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘績H占全國電力裝機(jī)的0.11%,風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?。根?jù)WWEA統(tǒng)計截至到20XX6月,我國風(fēng)電裝機(jī)容量僅次于美國,排名世界第二。事實上根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會的最新統(tǒng)計,截至到20XX底,中國風(fēng)電裝機(jī)容量已名列世界第一。但在技術(shù)上,我國風(fēng)電多采用引進(jìn)國外技術(shù)或與國外公司聯(lián)合開發(fā)的模式,自主研發(fā)的能力較落后,滿足不了我國風(fēng)電的蓬勃發(fā)展的需求。在一些重要原材料及核心電控系統(tǒng)設(shè)計方面,與國外仍有較大差距,因此在該領(lǐng)域加強(qiáng)基礎(chǔ)領(lǐng)域的科研投資,具有重大的現(xiàn)實意義。從國際風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢來看,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大,陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主力機(jī)型單機(jī)容量在1.5MW、2MW,近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型單機(jī)容量多為3MW以上,雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流機(jī)型。國家科技部在"十五"期間的"863攻關(guān)計劃"中支持了兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的科技攻關(guān)工作,自主研制的1MW雙饋機(jī)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)己投入試運行。由北京科諾偉業(yè)科技和中國科學(xué)院電工研究所共同研制的1MW雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)和變流器樣機(jī)已經(jīng)在XX玉門風(fēng)電場成功并網(wǎng)運行。這些項目的成功證明我國已初步掌握了雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)和控制規(guī)律。盡管目前雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍占風(fēng)力發(fā)電市場主流,然而直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其固有的優(yōu)勢也逐漸受到關(guān)注。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),它采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動多級低速永磁同步電機(jī)發(fā)電,然后通過功率變換電路將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng),省去了傳統(tǒng)雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的我國難以自主生產(chǎn)且故障率較高的齒輪箱這一部件,系統(tǒng)效率大為提高,有效地抑制了噪聲。無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效的減少由于齒輪箱問題而造成的機(jī)組故障,可有效提高系統(tǒng)運行可靠性和壽命,大大減少了維護(hù)成本,得到了市場的青睞。20XX是我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展的一年,東方汽輪機(jī)、新疆金風(fēng)科技股份等迅速發(fā)展各自的風(fēng)電業(yè)務(wù),各地風(fēng)電場風(fēng)起云涌,機(jī)組功率等級從1MW發(fā)展到2.5MW。目前國內(nèi)裝機(jī)以雙饋式風(fēng)電機(jī)組為主,20XX,我國新增風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量中,雙饋式風(fēng)電機(jī)組占82%以上。1.5MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組是市場占有量最大的變速恒頻風(fēng)電產(chǎn)品。原定的中長期規(guī)劃：20XX全國的風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦,2020年達(dá)到3000萬千瓦,但就現(xiàn)在的發(fā)展情況,20XX底全國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳淹黄?000萬千瓦,2020年則可達(dá)8000萬千瓦乃至1億千瓦。1.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程,通常由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)組成。其中風(fēng)輪完成風(fēng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,齒輪箱將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電轉(zhuǎn)速,發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,電控系統(tǒng)完成最大功率跟蹤。其中電控系統(tǒng)是整個風(fēng)電機(jī)組的核心控制單元,對系統(tǒng)的性能、效率及電能質(zhì)量有著重要影響。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能有兩種處理方式：可以直接給負(fù)載供電或并入電網(wǎng)；也可以通過儲能設(shè)備進(jìn)行蓄能,再由電能變換單元將儲能設(shè)備輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電再供給負(fù)載或并網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、電能變換單元和控制系統(tǒng)組成,如圖1-2所示。圖1-2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖風(fēng)速與風(fēng)向是隨機(jī)變化的,為了能最大效率的吸收風(fēng)能,要求風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速能夠隨著風(fēng)速的變化作出相應(yīng)變化,以使風(fēng)輪保持最佳的葉尖速比。根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速的控制方式不同,發(fā)電機(jī)組通?？煞譃閮煞N。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是較為簡單的一種,另一種發(fā)電系統(tǒng)是變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng),這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻系統(tǒng)中的風(fēng)輪可以實現(xiàn)變速運行,可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比,因而提高了風(fēng)力機(jī)的運行效率,從風(fēng)中獲取的能量可以比恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)高很多。與恒速恒頻相比,風(fēng)電的轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴。以下分別簡要介紹恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運行時,為減少發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能對電網(wǎng)的污染,要求風(fēng)力發(fā)電的頻率保持恒定,為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電中,控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,從而得到頻率恒定的電能。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1-3所示。圖1-3恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單,所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種:同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。前者運行于由電機(jī)極對數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速,后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速運行。〔1同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機(jī)絕大部分是三相同步電機(jī),輸出連接到臨近的三相電網(wǎng)或輸配電線。三相電機(jī)一般比相同額定功率的單相電機(jī)體積小、效率高而且便宜,所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下,才考慮采用單相電機(jī)?！?感應(yīng)發(fā)電機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)也稱為異步發(fā)電機(jī),有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統(tǒng)中一般采用鼠籠型異步電機(jī),它的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)相同。轉(zhuǎn)子采用鼠籠型結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁,沒有滑環(huán)和電刷,因而結(jié)構(gòu)簡單、堅固,基本上無需維護(hù)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)組的特點是:〔1結(jié)構(gòu)簡單,適合在野外缺少維護(hù)的環(huán)境下工作；〔2由于轉(zhuǎn)速不變,無法進(jìn)行最大功率點的跟蹤控制,發(fā)電效率較低；〔3當(dāng)風(fēng)速快速躍升時,由于轉(zhuǎn)速不變,風(fēng)能將通過風(fēng)葉傳遞給主軸,齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件,產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力,引起這些部件的疲勞損壞,所以要求這些部件的機(jī)械強(qiáng)度足夠高,增加了成本；〔4這種風(fēng)電機(jī)組在正常運行時無法對電壓進(jìn)行控制,不能像同步發(fā)電機(jī)一樣對電壓提供支撐能力,不利于電網(wǎng)故障時的系統(tǒng)電壓恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定；〔5恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能隨風(fēng)速的波動而敏感的波動,若風(fēng)速急劇變化,可能會引起風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電能質(zhì)量問題,如電壓閃變、無功變化等,在工程中一般采用靜止無功補償器<SVC>來進(jìn)行無功調(diào)節(jié),采用軟啟動來減小發(fā)電機(jī)的啟動電流。隨著電力電子技術(shù)特別是變頻調(diào)速技術(shù)的不斷完善,更多的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),受當(dāng)時控制技術(shù)和電力電子器件的限制,隨著電力電子器件和控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展,特別是在矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制理論出現(xiàn)以后,變速恒頻發(fā)電技術(shù)應(yīng)用成為可能。它將電力電子技術(shù)、矢量變換技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)控制之中,獲得了一種全新的、高質(zhì)量的電能獲取方式。風(fēng)力機(jī)采取變速運行,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化,通過其他方法來得到恒頻電能。目前看來最有前景的當(dāng)屬電力電子學(xué),這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成,即發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。發(fā)電機(jī)可以是市場上已有的通用電機(jī),如同步發(fā)電機(jī)、鼠籠型感應(yīng)電機(jī),繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)等,也可以是近年來研制的新型發(fā)電機(jī)如磁場調(diào)制發(fā)電機(jī),無刷雙饋發(fā)電機(jī)等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)允許風(fēng)力機(jī)根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點:〔1由于采用電力電子變頻器,變速恒頻風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜；〔2通過對最大功率點的跟蹤,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出,提高了發(fā)電效率；〔3風(fēng)輪機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),減少了力矩的脈沖幅度以及對風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力,降低機(jī)械強(qiáng)度要求；〔4風(fēng)輪機(jī)的加速減速對風(fēng)能的快速變化起到了緩沖作用,使輸出功率的波動減??；〔5通過一定的控制策略<如SVPWM控制>對風(fēng)電機(jī)組有功、無功輸出功率進(jìn)行解耦控制,可以分別單獨控制風(fēng)電機(jī)組有功、無功的輸出,具備電壓的控制能力。最后兩點非常有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。綜合上述特點,變速恒頻發(fā)電機(jī)組適合用于大功率,通常大于1MW的系統(tǒng)。目前,主流的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為基于永磁同步發(fā)電機(jī)<PermanentMagneticSynchronousGenerator,PMSG>的直接驅(qū)動型機(jī)組和基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)<Double-fedInductionGenerator,DFIG>的齒輪驅(qū)動型機(jī)組兩類。1.永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)直接與全功率變流器相連,經(jīng)變流器輸出電能再經(jīng)升壓變壓器升壓后直接并入電網(wǎng)。該系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1-4圖1-4直驅(qū)型永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)三相永磁直驅(qū)同步電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成,在轉(zhuǎn)子上裝有特殊材料形狀的永磁體,用以產(chǎn)生恒定磁場,沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組,接可控的變頻電源。在新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里,采用永磁同步發(fā)電機(jī)直接聯(lián)接葉片,能使葉片與發(fā)電機(jī)之間取消齒輪箱,成為無齒輪箱的直接驅(qū)動型。因為使用全功率變流器,使得系統(tǒng)調(diào)速范圍寬,風(fēng)能利用率高；同時因為是直驅(qū)系統(tǒng),省去了齒輪箱,使傳動效率提高,可靠性提高,成本降低。直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過全功率變流器與電網(wǎng)相連,在低電壓穿越方面較雙饋式機(jī)組實現(xiàn)簡單,且暫態(tài)沖擊較小。采用永磁同步電機(jī)的變速恒頻系統(tǒng)也有缺點,如變流器需按100%額定功率設(shè)計,成本偏高；永磁同步電機(jī)價格昂貴,體積重量大,運輸、吊裝困難。2.雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)目前在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是雙饋型變速恒頻交流勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)采用雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)定子側(cè)通過并網(wǎng)開關(guān)與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過交直交變流器與電網(wǎng)相連,由變流器向轉(zhuǎn)子提供可控的勵磁電流,實現(xiàn)定子側(cè)零沖擊并網(wǎng)及有功、無功解耦控制。該系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見下圖1-5：圖1-5雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用該系統(tǒng)時,由于雙饋異步感應(yīng)電機(jī)的特性,其定子繞組直接接到電網(wǎng)上,轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接,能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流動。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率,可以使定子頻率恒定,實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于這種變速恒頻控制是通過對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行控制實現(xiàn)的,轉(zhuǎn)子回路流動的功率是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率,因而可以將發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速設(shè)計在整個轉(zhuǎn)速運行范圍中間。如果系統(tǒng)運行的轉(zhuǎn)差范圍為士0.3,則最大轉(zhuǎn)差功率僅為發(fā)電機(jī)額定功率的30%左右,因此該系統(tǒng)交流勵磁變流器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分,可以大大降低成本。雙饋型變速恒頻交流勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)除了可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變流器的容量外,還可實現(xiàn)有功、無功的解耦控制,可實現(xiàn)電網(wǎng)要求輸出相應(yīng)的感性和容性無功功率,這種無功控制的靈活性對電網(wǎng)非常有利。但是因為輪轂和發(fā)電機(jī)之間增加了高增速比齒輪箱,效率和可靠性有一定降低,價格相對較昂貴,且需經(jīng)常維護(hù)。但是由于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積小,重量輕、所需變流器容量小、供電質(zhì)量高等特點,使其依然成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主力機(jī)型。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求變流器具有雙向能量流動的特性,同時要有良好的輸入和輸出特性,以減少諧波對電網(wǎng)造成的污染。隨著電力電子技術(shù)和電力電子器件的發(fā)展,已經(jīng)有很多類型的變流器符合這一要求,所以雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)下市場的主流。2雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2.1雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理〔1雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本原理同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行時,其輸出端電壓的頻率與發(fā)電機(jī)的極對數(shù)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有著嚴(yán)格固定的關(guān)系,即:式中：f——發(fā)電機(jī)輸出電壓頻率,Hz；P——發(fā)電機(jī)的極對數(shù)；n——發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,r/min。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速運行時,同步發(fā)電機(jī)不可能發(fā)出恒頻電能,由電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以知道,繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子嵌有三相對稱繞組,根據(jù)電機(jī)原理可知,在三相對稱繞組中通入對稱三相交流電,則將在電機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與所通入的交流電的頻率及電機(jī)的極對數(shù)有關(guān),即：〔2-1-1式中——n2為繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度〔r/min；——p為電機(jī)的極對數(shù)；——f2為繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組通入的三相對稱交流點頻率〔Hz。由式〔2-1-1可知,改變頻率f2即可改變n2,而且若改變通入轉(zhuǎn)子三相電流的相序,還可以改變此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向。因此,若設(shè)n1為對應(yīng)于電網(wǎng)頻率為50Hz〔f1=50Hz的雙饋發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,而n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度,則只要維持常數(shù),則雙饋電機(jī)定子繞組的感應(yīng)電勢,如同在同步發(fā)電機(jī)時一樣,其頻率將始終維持f1不變。雙饋電機(jī)的滑差率,則電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應(yīng)為：〔2-1-2上式表明,在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時,只要在轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組中通入滑差率〔即f1s的電流,則在異步電機(jī)的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢?！?雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理在雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)通過并網(wǎng)開關(guān)與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過雙向變流器與電網(wǎng)相連,這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較突出的優(yōu)點是變流器容量較小<通常為25%~40%>,還能滿足風(fēng)力機(jī)的調(diào)速范圍的要求,在采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院笠部蓾M足電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。圖2-1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖圖2-1為風(fēng)力發(fā)電變流器的系統(tǒng)簡圖,其工作原理為：系統(tǒng)正常運行時,斷路器Q1閉合,電網(wǎng)電壓通過預(yù)充電電阻R1給雙PWM變換器直流母線充電,當(dāng)直流母線的電壓達(dá)到設(shè)定值后,主接觸器Q3閉合,預(yù)充電電阻從電路中切出,變流器開始并網(wǎng)發(fā)電,直流母線電壓此時為1100V。當(dāng)發(fā)電機(jī)從定子側(cè)輸出電能,檢測電路檢測并網(wǎng)接觸器Q2兩端的電壓、頻率、相位相等時,并網(wǎng)接觸器閉合,將定子電能輸送到電網(wǎng)?？諝鈹嗦菲鱍1做為整個系統(tǒng)的保護(hù)器件,實時檢測電網(wǎng)的故障信息,當(dāng)電網(wǎng)出線過壓、過流、短路時,斷路器能夠及時切斷發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的連接,從而有效的保護(hù)了雙饋電機(jī)不受損壞?！?雙饋式風(fēng)電機(jī)組的運行工況雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由外部風(fēng)輪機(jī)拖動旋轉(zhuǎn),通過轉(zhuǎn)軸吸收從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能,根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速區(qū)域和轉(zhuǎn)子側(cè)滑差功率<簡稱"轉(zhuǎn)差功率">的傳遞方向,常規(guī)雙饋異步電機(jī)可工作在四種狀態(tài)下,即次同步電動、次同步發(fā)電、超同步電動、超同步發(fā)電,在每種運行狀態(tài)下雙饋電機(jī)定子側(cè)的功率P1,轉(zhuǎn)差功率P2以及轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率Pmec的正負(fù)都不一致,下面對各種運行工況下電機(jī)能量的傳遞方向進(jìn)行分析：對于定子側(cè)的功率P1,向電網(wǎng)輸出電能時為正,從電網(wǎng)吸收電能時為負(fù)；對于轉(zhuǎn)差功率P2,向電網(wǎng)饋送電能時為正,從電網(wǎng)吸收電能時為負(fù)；對于機(jī)械功率Pmec,電機(jī)吸收機(jī)械功率時為正,輸出機(jī)械功率時為負(fù)。①次同步電動圖2-2次同步電動工況下能量流動圖此時,電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差率s>0,并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向一致,起驅(qū)動作用,所以當(dāng)雙饋電機(jī)工作在次同步電動的工況時,定子側(cè)通過電網(wǎng)吸收功率P1,轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率P2,電機(jī)向外輸出機(jī)械功率Pmec。②次同步發(fā)電圖2-3次同步發(fā)電工況下能量流動圖此時,電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差率s>0,并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相反,起制動作用,所以當(dāng)雙饋電機(jī)工作在次同步發(fā)電的工況時,定子側(cè)向電網(wǎng)輸出功率P1,轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器從電網(wǎng)吸收功率P2,電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸吸收機(jī)械功率Pmec。③超同步電動圖2-4超同步電動工況下能量流動圖此時,電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差率s<0,并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向一致,起驅(qū)動作用,所以當(dāng)雙饋電機(jī)工作在超同步電動的工況時,定子側(cè)通過電網(wǎng)吸收功率P1,轉(zhuǎn)子通過電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率P2,電機(jī)向外輸出機(jī)械功率Pmec。④超同步發(fā)電圖2-5超同步發(fā)電工況下能量流動圖此時,電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差率s<0,并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相反,起制動作用,所以當(dāng)雙饋電機(jī)工作在超同步發(fā)電的工況時,定子側(cè)向電網(wǎng)輸出功率P1,轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋送轉(zhuǎn)差功率P2,電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸吸收機(jī)械功率Pmec。上面共討論了雙饋異步電機(jī)在四種情況下的運行特性,但是由于在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,雙饋異步電機(jī)運行于發(fā)電狀態(tài),因此我們需要考慮的僅僅是②,④兩種發(fā)電運行情況,即次同步發(fā)電和超同步發(fā)電狀態(tài)。2.2雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點〔l柔性連接當(dāng)遭遇陣風(fēng)時,風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速增加,將陣風(fēng)的能量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的動能,增加的動能通過控制系統(tǒng)的控制回饋電網(wǎng),從而實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)的柔性連接,減少了陣風(fēng)對系統(tǒng)軸上的機(jī)械應(yīng)力?！?變流器成本低雙饋電機(jī)系統(tǒng)所使用的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻電源只調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差能量,在調(diào)速范圍比較小的情況下,轉(zhuǎn)差能量相對于整個電機(jī)的容量是比較小的,和定子側(cè)直接變頻系統(tǒng)相比,所需變頻器容量大大減小,降低了系統(tǒng)的造價?！?機(jī)組功率因數(shù)可調(diào)雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流幅值和相位來補償定子側(cè)無功功率,實現(xiàn)定子側(cè)功率因數(shù)等于1,甚至可以得到超前的功率因數(shù)?！?電網(wǎng)友好型通過系統(tǒng)控制,風(fēng)電機(jī)組可以動態(tài)調(diào)整無功功率,補償電網(wǎng)波動。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)跌落時,可實現(xiàn)低電壓穿越功能,并在跌落期間為系統(tǒng)提供動態(tài)無功補償。在電網(wǎng)發(fā)生擾動時,雙饋電機(jī)系統(tǒng)可以通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)頻率的方法來迅速改變轉(zhuǎn)速,充分利用轉(zhuǎn)子動能,以達(dá)到釋放或吸收能量,補償電網(wǎng)擾動的目的?？傊?雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高、變頻裝置容量小、投資省等優(yōu)點,有廣闊的市場與發(fā)展前景。由于風(fēng)能是一種劇烈變化的隨機(jī)性很強(qiáng)的可再生能源,所以在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)差功率處于不斷變化的狀態(tài),對于網(wǎng)側(cè)變換器來說,實際上就是其負(fù)載的變化非常劇烈,這就要求網(wǎng)側(cè)變換器要在劇烈的負(fù)載變化過程中保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。直流側(cè)電壓的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)調(diào)節(jié)速度對風(fēng)電系統(tǒng)的運行特性至關(guān)重要。隨著雙饋電機(jī)應(yīng)用的發(fā)展,為了適應(yīng)各種不同應(yīng)用場合的需要,尤其是雙饋型風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的需要出現(xiàn)了多種不同的雙饋電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言,由于其轉(zhuǎn)子能量的雙向流動性,需要轉(zhuǎn)子變流器為雙向變流器。目前可用于雙饋電機(jī)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可分為循環(huán)變流器、交直交變流器和矩陣變換器三種類型。為解決上述常規(guī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的問題,一種由交直交變流器流勵磁的雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)被提出。系統(tǒng)控制方案的實施是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路實現(xiàn)的,流過轉(zhuǎn)子回路的功率是雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率,該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分,而且可以雙向流動,因此可以大大降低變流器的體積和重量,并提高了系統(tǒng)效率。采用雙饋發(fā)電方式,突破了機(jī)電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運行的傳統(tǒng)觀念,使原動機(jī)轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)輸出頻率限制,而發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響,原動機(jī)與發(fā)電機(jī)電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接,從而一舉解決了常規(guī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的諸多問題?；谏鲜鰞?yōu)點,由雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風(fēng)力發(fā)電方面的研究熱點和必然的發(fā)展趨勢。本文以雙饋發(fā)電機(jī)為研究基礎(chǔ),對其構(gòu)成的交直交變流器系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計。3雙饋變流器的設(shè)計3.1雙饋變流器的工作原理用于變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)的變流器應(yīng)具有以下性能：1.為了實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并盡可能的減少勵磁變頻器容量,需要發(fā)電機(jī)在選定的同步轉(zhuǎn)速上下運行,發(fā)電機(jī)的勵磁繞組的能量將雙向流動,所以要求用于雙饋發(fā)電機(jī)的變換器應(yīng)該具備功率雙向流動的能力。2.為確保發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量符合電網(wǎng)要求,要求勵磁電流要諧波小且諧波頻率高,即所選用的勵磁用變頻器要有優(yōu)良的輸出特性。因此變換器輸出勵磁電壓應(yīng)具有SPWM<正弦脈寬調(diào)制>波形。3.為了防止作為非線性負(fù)載的變頻器對電網(wǎng)的諧波電流污染,要求變頻器有良好的輸入特性,即輸入正弦電流,接近單位功率因數(shù)。目前,符合上述條件可用于雙饋發(fā)電機(jī)交流勵磁的裝置有交交循環(huán)變換器、矩陣變換器、交直交雙變換器,通過對比各個變換器的特點性能,選用了交直交雙PWM變換器作為雙饋發(fā)電機(jī)的交流勵磁裝置。在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,電壓源型交直交變流器是應(yīng)用較為廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時電流源型變流器在電力拖動領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛,尤其在一些大功率變流場合,電流型變流器因其通常采用晶閘管器件,具有較大的電流密度,因此在大功率傳動場合也得到了較為廣泛的應(yīng)用。但電流源型交直交變流器也存在著其明顯的不足之處,當(dāng)采用方波調(diào)制時變流器的輸出含有較豐富的低次諧波,并且由于雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感的作用能夠產(chǎn)生威脅到電機(jī)絕緣安全的尖峰電壓,為此在大多數(shù)此類變換器中在其輸出端裝有并聯(lián)電容器,用于吸收尖峰電壓,當(dāng)采用PWM調(diào)制時也需要在其輸出端并聯(lián)電容器用于吸收紋波電流,但這容易造成濾波電容和電機(jī)漏感之間諧振,控制較為復(fù)雜。相對于電流源型背靠背變流器而言,電壓源型背靠背變流器控制較為簡單。雙饋變流器的核心部分是雙PWM交直交變換器,如圖3-1所示,它是由兩個完全相同的電壓型三相PWM變換器通過直流母線連接而成,在雙饋風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)運行過程中,這兩個PWM變換器的工作狀態(tài)是經(jīng)常變換的,通常不以他們工作于整流或逆變的狀態(tài)來區(qū)分它們,而是按照他們的位置分別稱為電網(wǎng)側(cè)PWM變換器和電機(jī)側(cè)PWM變換器,即電網(wǎng)側(cè)變換器和電機(jī)側(cè)變換器。交直交變換器能夠滿足系統(tǒng)能量雙向流動的要求,當(dāng)電機(jī)處于次同步工況時,電機(jī)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收能量；當(dāng)電機(jī)處于超同步工況時,電機(jī)轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋送能量。圖3-1交直交變換器在具體的運行控制中,這兩個PWM變換器各司其職。其中,電網(wǎng)側(cè)變換器的任務(wù)主要有兩個,一是保證其良好的輸入特性,即輸入電流的波形接近正弦,諧波含量少,功率因數(shù)符合要求,理論上電網(wǎng)側(cè)PWM變換器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù),這就為整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了一個途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定,直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個PWM變換器正常工作的前提,是通過對輸入電流的有效控制實現(xiàn)的。機(jī)側(cè)變流器的作用主要是給電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵磁分量的電流,從而調(diào)節(jié)電機(jī)定子側(cè)所發(fā)出的有功功率,使電機(jī)運行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上,實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤運行。在這種交直交的結(jié)構(gòu)中,兩部分變換器之間的直流母線電容使兩部分變流器實現(xiàn)了解藕,這使得兩部分變換器可以獨立地分開控制而不會相互干擾。這種結(jié)構(gòu)使得這種變換器自身具有對電網(wǎng)故障較強(qiáng)的適應(yīng)能力。3.2雙饋變流器的組成雙饋變流器整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,其主回路系統(tǒng)包含如下幾個基本單元：并網(wǎng)開關(guān)、雙PWM變換器、濾波電路、低電壓穿越電路。并網(wǎng)開關(guān)1.空氣斷路器空氣斷路器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋電機(jī)與電網(wǎng)線路連接的核心保護(hù)器件,對整個系統(tǒng)起到保護(hù)的作用。在空氣斷路器的選擇時應(yīng)注意以下幾個方面：①額定電流大??；②分?jǐn)嗄芰?；③過電流脫扣器帶或不帶接地故障保護(hù)；④過流脫扣器；⑤3極和4極之分；⑥固定式和抽屜式,固定式主回路母排連接方式,抽屜式否是帶導(dǎo)向框架；⑦操作機(jī)構(gòu)及其電壓等級；⑧第一級輔助脫扣器電壓等級；⑨第二級輔助脫扣器電壓等級；⑩輔助端子個數(shù)?！?斷路器的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電中連接電機(jī)與電網(wǎng)的斷路器是整個風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心器件,因此其結(jié)構(gòu)性能也比普通的斷路器要復(fù)雜,額定工作電流最大可達(dá)6300A?？諝鈹嗦菲髦饕射摪逯瞥?可分為抽出式和固定式兩種結(jié)構(gòu)。固定式的斷路器尺寸比抽出式精巧,一般應(yīng)用在故障或日常維護(hù)時允許停電的場合；抽出式一般應(yīng)用于故障或日常維護(hù)時僅允許短暫停電的場合,以及作為備用電源的雙回路,但僅采用一個斷路器。本系統(tǒng)中,空氣斷路器選擇的是固定式。固定式斷路器及抽出式斷路器結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示：a.固定式b.抽出式圖3-2斷路器結(jié)構(gòu)〔2空氣斷路器的作用①控制作用。根據(jù)電力系統(tǒng)運行的需要,將部分或全部電氣設(shè)備,以及部分或全部線路投人或退出運行。②保護(hù)作用。當(dāng)電力系統(tǒng)某一部分發(fā)生故障時,它和保護(hù)裝置、自動裝置相配合,將該故障部分從系統(tǒng)中迅速切除,減少停電范圍,防止事故擴(kuò)大,保護(hù)系統(tǒng)中各類電氣設(shè)備不受損壞,保證系統(tǒng)無故障部分安全運行?？諝鈹嗦菲髦饕羞^載、過壓、欠壓保護(hù)功能?！?空氣斷路器總的并網(wǎng)電流空氣斷路器前端接入電網(wǎng),后端分別接電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,當(dāng)系統(tǒng)工作在1.5MW滿功率發(fā)電工況時,取電網(wǎng)電壓為690V,則此時空氣斷路器總并網(wǎng)電流為:〔3-2-1若按照機(jī)組功率因數(shù)為0.9,并當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落10%時,空氣斷路器總并網(wǎng)電流有效值為：〔3-2-2所以可選取額定電流為1600A的空氣斷路器,能滿足系統(tǒng)最大工況時額定電流的大小。2.并網(wǎng)接觸器〔1并網(wǎng)接觸器的工作原理接觸器是一種自動化的控制電器。接觸器主要用于頻繁接通或分?jǐn)嘟?、直流電?具有控制容量大,可遠(yuǎn)距離操作,配合繼電器可以實現(xiàn)定時操作,聯(lián)鎖控制,各種定量控制和失壓及欠壓保護(hù),廣泛應(yīng)用于自動控制電路。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,并網(wǎng)接觸器主要功能是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否并網(wǎng)運行。當(dāng)定子端輸出的電壓、頻率、相位與電網(wǎng)的電壓、頻率、相位相等時,并網(wǎng)接觸器才被允許閉合,實現(xiàn)電能的并網(wǎng)發(fā)電。在電路設(shè)計中,往往在接觸器的兩端設(shè)置有電壓檢測電路,用于檢測接觸器兩端的電壓、頻率以及相位是否匹配?！?并網(wǎng)接觸器電流等級的選取由雙饋電機(jī)的參數(shù)可知,其同步轉(zhuǎn)速為1500r/min,當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)1.5MW滿功率發(fā)電時,此時的轉(zhuǎn)速為1800r/min,所以轉(zhuǎn)差率為：〔3-2-3此時定子側(cè)輸出的有功功率為：〔3-2-4令發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電功率因數(shù)為0.9時,并認(rèn)為變流器并網(wǎng)功率因數(shù)為1,則由發(fā)電機(jī)側(cè)提供的無功功率為：〔3-2-5再考慮到電網(wǎng)電壓跌落10%,則發(fā)電機(jī)定子側(cè)線路上最大的電流有效值為：〔3-2-6據(jù)此,并網(wǎng)接觸器額定電流應(yīng)大于1312A,并留有一定余量。3.網(wǎng)側(cè)變換器主接觸器考慮已知1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速為2000r/min,此時轉(zhuǎn)差率為：〔3-2-7可以得轉(zhuǎn)子側(cè)輸出有功功率為：〔3-2-8由于電網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)功率因數(shù)恒為1,所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率與電網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率相等?？紤]到電網(wǎng)電壓跌落10%時,變流器電網(wǎng)側(cè)輸出交流線路上的最大電流有效值為：〔3-2-9據(jù)此,應(yīng)該選取額定電流大于349A的主接觸器<電網(wǎng)側(cè)接觸器>并留有一定余量。雙PWM變換器電壓源型的雙PWM變換器基本結(jié)構(gòu)框圖如下圖3-3所示,主要包括IGBT組成的三相逆變橋〔包括機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)、直流支撐電容、放電電阻、吸收電容。以下針對各器件的性能及參數(shù)進(jìn)行分析。圖3-3雙PWM變換器框圖〔1IGBT的性能參數(shù)表3-1交流〔AC電壓直流〔DC母線電壓選擇器件耐壓單相交流≦230VAC350VDC600V三相交流380V-460VAC600VDC<最大可達(dá)900VDC>1200V三相交流575V-690VAC750VDC<最大可達(dá)1100VDC>1700V1300VDC<最大可達(dá)1800VDC>2500V1500VDC<最大可達(dá)2100VDC>3300V2500VDC<最大可達(dá)3000VDC>4500V三相2.3kVAC3300VDC<最大可達(dá)4500VDC>6500V三相4.16kVAC5900VDC6.5kV串或三電平三相6.6kVAC9.4kVDC多電平①耐壓的選取因為大多數(shù)IGBT模塊工作在交流電網(wǎng)通過單相或三相整流后的直流母線電壓下,所以通常IGBT模塊的工作電壓〔600V、1200V、1700V均對應(yīng)于常用電網(wǎng)的電壓等級?？紤]到過載,電網(wǎng)波動,開關(guān)的過程引起的電壓尖峰等因素,通常電力電子設(shè)備選擇IBGT器件耐壓都是直流母線電壓的一倍。如果結(jié)構(gòu)、布線、吸收等設(shè)計較好,就可以使用較低耐壓的IGBT模塊承受較高的直流母線電壓。表3-1根據(jù)交流電網(wǎng)或直流母線電壓列出了選擇IGBT耐壓的參考值。根據(jù)表3-1的參數(shù),1.5MW雙饋變流器直流母線電壓為1100V,所以應(yīng)選取1700V的IGBT。②電流的選擇半導(dǎo)體器件具有溫度敏感性,因此IGBT模塊標(biāo)稱電流與溫度的關(guān)系比較大。隨著殼溫的上升,IGBT可利用的電流就會下降,一般的IGBT模塊是按殼溫℃來標(biāo)稱其最大允許通過的集電極電流〔。對于所有的IGBT芯片來說,當(dāng)℃時,這個電流值通常是一個恒定值,但隨著的增加,這個可利用的電流值下降較快。需要指出的是：IGBT參數(shù)表中標(biāo)出的是集電極最大直流電流,但這個直流電流是有條件的,首先最大結(jié)溫不能超過150℃,其次還受安全工作區(qū)〔SOA的限制,不同的工作電壓、脈沖寬度,允許通過的最大電流不同。同時,一般的廠商也給出了2倍與額定值的脈沖電流,這個脈沖電流通常是指脈沖寬度為1ms的單脈沖能通過的最大通態(tài)電流值,即使可重復(fù)也需足夠長的時間。在電力電子設(shè)備中,選擇IGBT模塊時,通常是先計算通過IGBT模塊的電流值,然后根據(jù)電力電子設(shè)備的特點,考慮到過載、電網(wǎng)波動、開關(guān)尖峰等因素考慮一倍或者多倍的安全余量來選擇相應(yīng)的IGBT模塊。但嚴(yán)格的選擇,應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用情況,計算耗散功率,通過熱阻核算其最高結(jié)溫不超過規(guī)定值來選擇器件。③根據(jù)開關(guān)頻率選擇不同的IGBTIGBT的損耗主要由通態(tài)損耗和開關(guān)損耗組成,不同的開關(guān)頻率,開通損耗和通態(tài)損耗所占的比例不同。而決定IGBT通態(tài)損耗的飽和壓降和決定IGBT開關(guān)損耗的開關(guān)時間〔,又是一對矛盾,因此應(yīng)根據(jù)不同的開關(guān)頻率來選擇不同特征的IGBT。在低頻如時,通態(tài)損耗是主要的,這就需要選擇低飽和壓降型IGBT系列。若開關(guān)頻率時,開關(guān)損耗是主要的,通態(tài)損耗占的比例要小。IGBT在高頻下工作時,其總損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系比較大,因此若希望IGBT工作在更高的頻率,可選取更大電流的IGBT模塊；另一方面,軟開關(guān)主要是降低了開關(guān)損耗,可使IGBT工作頻率大大提高。隨著IGBT模塊耐壓的提高,IGBT的開關(guān)頻率相應(yīng)下降。目前IGBT的制造廠商很多,如英飛凌、賽米控等。比對英飛凌及賽米控的IGBT,賽米控的IGBT主要是集成型的,即IGBT,驅(qū)動電路,散熱器,傳感器,過壓、過流保護(hù)電路等集成的模塊,考慮成本和日后維護(hù)的問題,在此選擇英飛凌的IGBT。英飛凌模塊命名系統(tǒng)如下：圖3-4IGBT模塊命名系統(tǒng)〔2機(jī)側(cè)變換器機(jī)側(cè)變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實現(xiàn)矢量變換控制,確保輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個變換器通過相對獨立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。機(jī)側(cè)變換器由六個IGBT組成三相逆變橋,如圖3-5所示。圖3-5機(jī)側(cè)變換器當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在極限轉(zhuǎn)速2000r/min時,由式〔3-2-7可得轉(zhuǎn)差率為s=-0.333,由此可得轉(zhuǎn)子最大頻率為：〔3-2-10當(dāng)發(fā)電機(jī)滿功率發(fā)電時,即轉(zhuǎn)速為1800r/min,從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為：〔3-2-11轉(zhuǎn)子側(cè)輸出功率為〔3-2-12因為轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電壓范圍是0~690V,而實際電壓基本在400V左右,所以轉(zhuǎn)子側(cè)輸出最大電流有效值為：〔3-2-13再考慮3倍以上的余量,機(jī)側(cè)的IGBT的額定電流值應(yīng)大于1080A,考慮到溫升對IGBT載流的影響,可以選取1600A的IGBT。因為機(jī)側(cè)直流母線端的電壓為1050V,由之前的IGBT電壓等級表可得出,所選IGBT的電壓等級應(yīng)為1700V。通過以上的參數(shù)計算可得機(jī)側(cè)變換器應(yīng)選擇1700V,1600A,開關(guān)頻率低的IGBT。參照英飛凌提供的器件參數(shù),可選取FZ1600R17KE3的IGBT。該款I(lǐng)GBT屬于單管,電流大,開關(guān)頻率低。利用英飛凌提供的仿真軟件可得出FZ1600R17KE3的仿真參數(shù)如下：單塊IGBT的功耗仿真效果如下：圖3-6FZ1600R17KE3功率仿真溫度分布范圍如下：圖3-7FZ1600R17KE3結(jié)溫分布仿真由以上仿真可看到IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗為：431W,二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗為：262W,由IGBT的溫度參數(shù)應(yīng)滿足：℃℃℃根據(jù)仿真結(jié)果,所選IGBT符合以上參數(shù)要求.〔3網(wǎng)側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)變換器的主要功能是實現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在不同狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定,確保機(jī)側(cè)變換器乃至整個勵磁系統(tǒng)可靠工作。網(wǎng)側(cè)變換器也是由六個IGBT組成的三相逆變器,原理結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。圖3-8網(wǎng)側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)變換器連接的是電網(wǎng)側(cè),所以交流額定電壓為690V。由此可得網(wǎng)側(cè)電流有效值為：〔3-2-14式中：——網(wǎng)側(cè)IGBT電流額定值；——轉(zhuǎn)子側(cè)輸出功率；再考慮3倍以上的余量,網(wǎng)側(cè)IGBT的電流額定值應(yīng)大于627A,考慮溫升的影響和保守選取,可選取1200A的單管FZ1200R17KE3。利用英飛凌的仿真軟件可得參數(shù)如下：功耗仿真如下：圖3-9FZ1200R17KE3功耗仿真溫度分布仿真如下：圖3-10FZ1200R17KE3結(jié)溫分布仿真由以上參數(shù)可知,選取FZ1200R17KE3的IGBT可以滿足網(wǎng)側(cè)電路的要求?！?直流支撐電容該雙PWM變流器由兩個三相電壓源型逆變器采用直流連接,中間的濾波電容C用來穩(wěn)定直流母線電壓,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器向雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組饋入所需的勵磁電流,完成其矢量控制任務(wù),實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和定子無功功率的調(diào)節(jié)。直流側(cè)電容的選取需要結(jié)合實際實驗情況綜合考慮:一方面,電容值越大,濾波效果越好；另一方面,從體積、重量、價格和動態(tài)性能來看,電容值又不宜太大。隨著膜電容技術(shù)的不斷發(fā)展,電解電容被膜電容所取代已成為不爭的事實,膜電容主要有以下優(yōu)勢：——承受高有效值電流的能力,可達(dá)1Arms/uF——能承受兩倍于額定電壓的過壓——能承受反向電壓——承受高峰值電流的能力——沒有酸污染——長壽命——可長時間存儲所以本次設(shè)計的變流器也采用膜電容作為直流母線的支撐電容,下面對電容的參數(shù)選取做計算：①電壓要求：直流電壓1050V,故選擇1100V的膜電容,膜電容可以承受瞬間過電壓,最大電壓為1650V。②紋波電流要求：根據(jù)經(jīng)驗公式,其中為紋波電流,為逆變器側(cè)交流側(cè)輸出的相電流。考慮輸出相電流的1.1倍過載,取,則③容值的計算如下：紋波電壓的要求：根據(jù)直流電壓動態(tài)響應(yīng)性能的要求,在額定運行的情況下,考慮極端的情況網(wǎng)側(cè)變流器不工作機(jī)側(cè)變流器的所有能量都加到直流電容上時,網(wǎng)側(cè)采用PI調(diào)節(jié),在開關(guān)頻率為2kHz時,一個采樣周期為500us,在500us的時間間隔內(nèi),直流電壓最大波動應(yīng)小于5%,所以計算的直流電容值如下：〔3-2-15即：〔3-2-16得出：直流側(cè)過電壓的要求：在2ms的時間間隔內(nèi),直流側(cè)的最大電壓不超過1260V,所需要的電容容量計算如下：〔3-2-17得出：所以得出直流支撐電容應(yīng)大于。根據(jù)電路設(shè)計的需求,考慮采用420uF/1100V的膜電容,一共六個功率單元,每個單元采用六個膜電容,由此可得容值為：,符合理論計算要求。〔5放電電阻因為選用的膜電容是單個并聯(lián),無需考慮電容均壓。只考慮放電電阻的選取。1.5MW共6個功率單元,每個功率單元上加1個放電電阻板。設(shè)放電時間為600s,由此可得出總的電阻為：〔3-2-18〔3-2-19從而可得每塊功率單元的電阻為：〔3-2-20因此可選取5K/1W的電阻,每塊電阻板由48個電阻串聯(lián)而成。對功率的驗證〔3-2-21而電阻的總功率為：〔3-2-22滿足功率的要求?！?吸收電容為了抑制IGBT在快速開關(guān)過程中在母線分布電感上引起的過電壓,需要在IGBT兩端安裝吸收電容?？紤]中間直流電壓最高1300V,IGBT最高耐壓為170OV,則關(guān)斷過壓需小于500V并應(yīng)留有余量。關(guān)斷過壓與IGBT關(guān)斷速度、關(guān)斷電流、直流母線及濾波電容的雜散電感有關(guān)。設(shè)每個吸收電容為0.22uF,每個功率單元安裝3個并聯(lián)成0.66uF；當(dāng)母線電壓為12O0V時,將最大關(guān)斷電壓控制在1300V以內(nèi),認(rèn)為IGBT如理想開關(guān)一樣瞬時關(guān)斷,則要求直流母線和濾波電容的總雜散電感為:〔3-2-23查閱電容資料可知,非低感設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)電解電容等效串聯(lián)電感<ESL>為20nH,故要求線路雜散電感小于710nH即可,作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考值。由于0.22uF電容己有類似工況成功的應(yīng)用,本設(shè)計吸收電容的容值選取為0.22uF。預(yù)充電回路為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路,特設(shè)置預(yù)充電電阻,如圖2-1所示,預(yù)充電支路并聯(lián)于主接觸器兩端,空氣斷路器閉合后,變流器開始工作,電網(wǎng)通過預(yù)充電電阻給直流母線預(yù)充電,當(dāng)直流母線的電壓達(dá)到設(shè)定值后,主接觸器閉合,預(yù)充電支路從電路中切出,變流器開始并網(wǎng)發(fā)電,直流母線電壓此時為1100V。電容充電放電時間計算公式。設(shè)為電容上的初始電壓值；為電容最終可充到或放到的電壓值；為t時刻電容上的電壓值。則有〔3-2-24設(shè)A.直流電容充電到800認(rèn)為充電完成；B.充電時間不超過4s〔根據(jù)并網(wǎng)時間是6-10s來確定；C.充電時直流電流不超過電容紋波電流值。三相正弦電源經(jīng)二極管整流后認(rèn)為是直流電源〔忽略脈動,電容從零電壓開始充電,到800V結(jié)束,充電時間為t,則有：〔3-2-25t=1.97RC〔這里C取36個420uf膜電容,C=15120uF,保證t≦4s,則有：〔3-2-26可選取100Ω/400W的電阻。〔3建模仿真建立預(yù)充電模型,如下：直流電容為15120uF,電源線電壓有效值為690V。3-11仿真模型預(yù)充電電阻為100Ω時,仿真波形如下：ab圖3-12仿真波形從仿真結(jié)果看,到800V左右時用時3s,啟動電流峰值為12A。濾波電路由圖3-3雙PWM變換器框圖可以看到,變流器的濾波電路主要有：網(wǎng)側(cè)電感濾波、機(jī)側(cè)du/dt電感濾波,以下對各部分的濾波回路進(jìn)行分析。1.網(wǎng)側(cè)濾波電路網(wǎng)側(cè)三相電壓型PWM變流器因其能夠同時控制直流電壓和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)而被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動、蓄電池充放電控制和并網(wǎng)發(fā)電等場合。變流器傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)濾波器為電感L濾波器,由電感L將高頻電流諧波限制在一定范圍之內(nèi),減小對電網(wǎng)的諧波污染。但隨著功率等級的提高,特別是在中高功率的應(yīng)用場合,開關(guān)頻率相對較低,要使網(wǎng)側(cè)電流滿足相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)所需的電感值太大。這不僅使網(wǎng)側(cè)電流變化率下降,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能降低,還會帶來體積過大成本過高等一系列問題。同時,為使PWM變流器矢量三角形成立,在同等功率等級下,電感值越大則需要中間直流電壓越高,導(dǎo)致開關(guān)管耐壓水平也會相應(yīng)提高,會導(dǎo)致成本的進(jìn)一步增加。高功率設(shè)備通常在幾百千瓦以上,大感值的電抗器造價相當(dāng)昂貴,而且系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。但是LCL型濾波器在濾除高次諧波方面效果就很好,并且濾波器的總電感值也比較小,這在高功率設(shè)備上應(yīng)用是一個重要的優(yōu)點。雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器電網(wǎng)側(cè)PWM變換器輸出交流側(cè)采用LC濾波,網(wǎng)側(cè)電感在變流器的設(shè)計中具有非常重要的位置,這是因為網(wǎng)側(cè)電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動、靜態(tài)效應(yīng),而且還制約著變流器輸出功率、功率因數(shù)及其直流電壓,它的作用主要有:<l>隔離電網(wǎng)電動勢與變流器交流側(cè)電壓；<2>濾除變流器交流側(cè)PWM諧波電流,從而實現(xiàn)變流器交流側(cè)的正弦波電流控制；<3>使變流器獲得良好電流波形,實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制,網(wǎng)側(cè)純電阻運行特性。本文中所設(shè)計的1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器的網(wǎng)側(cè)濾波器如下圖3-13所示圖3-13網(wǎng)側(cè)濾波電路①首先設(shè)計雙饋變流器網(wǎng)側(cè)電感：假設(shè)電網(wǎng)電壓諧波成分為零,變流器交流側(cè)輸出電壓各階諧波幅值為u<h>,變流器交流側(cè)輸出電流各階諧波幅值為i<h>,h為諧波次數(shù),則電感的計算公式可由下式給出:〔3-2-27其中:1>h為諧波次數(shù),在頻率很高時,諧波含量可以忽略不計,所以計算中?。?為變流器諧波電流,,式中,N為變流器側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電流之比,本系統(tǒng)中約為1,a為比