全功率變流器風電機組的工作原理及控制策略.doc

第五章 全功率變流器風電機組的工作原理及控制策略 5.1 全功率變流器風電機組的工作原理25.1.1全功率變流器風電機組傳動鏈形式25.1.2同步發(fā)電機25.1.3永磁同步風力發(fā)電機結構及特點55.1.4電勵磁同步風力發(fā)電機結構及特點155.2 全功率變流器風電機組變流器165.2.1 電機側變流器控制策略185.2.1 電網(wǎng)側變流器控制策略195.1 全功率變流器風電機組的工作原理5.1.1全功率變流器風電機組傳動鏈形式隨著現(xiàn)代風電機組的額定功率呈現(xiàn)上升趨勢，風輪槳葉長度逐漸增加而轉速降低。例如：額定功率為5MW的風電機組槳葉長度超過60米，轉子額定轉速為10rpm左右。當發(fā)電機為兩對極時，為了使5MW風力發(fā)電機通過交流方式直接與額定頻率為50Hz的電網(wǎng)相連，機械齒輪箱變速比應為150。齒輪箱變速比的增加，給兆瓦級風電機組變速箱的設計和制造提出了挑戰(zhàn)。風電機組功率及變速箱變速比增大時，其尺寸、重量及摩擦磨損也在增加。作為另外一種選擇，風力發(fā)電機可以采用全功率變流器以AC/DC/AC的方式與電網(wǎng)相連。全功率變流器是一種由直流環(huán)節(jié)連接兩組電力電子變換器組成的背靠背變頻系統(tǒng)。這兩個變頻器分別為電網(wǎng)側變換器和發(fā)電機側變換器。發(fā)電機側變換器接受感應發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率，并將功率通過直流環(huán)節(jié)送往電網(wǎng)側變換器。發(fā)電機側變換器也用來通過感應發(fā)電機的定子端對感應發(fā)電機勵磁。電網(wǎng)側變換器接受通過直流環(huán)節(jié)輸送來的有功功率，并將其送到電網(wǎng)，即它平衡了直流環(huán)節(jié)兩側的電壓。根據(jù)所選的控制策略，電網(wǎng)側變換器也用來控制功率因數(shù)或支持電網(wǎng)電壓。5.1.2同步發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)使用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步發(fā)電機。同步發(fā)電機主要包括定子和轉子兩部分。定子是同步發(fā)電機產(chǎn)生感應電動勢的部件，由定子鐵芯、三相電樞繞組和起支撐及固定作用的機座組成。轉子的作用是產(chǎn)生一個強磁場，并且可以由勵磁繞組進行調(diào)節(jié)，主要包括轉子鐵心、勵磁繞組、滑環(huán)等。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)一般分為兩類，一類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁系統(tǒng)，另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的整流勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機容量大時，一般采用整流勵磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機是一種轉子轉速與電樞電動勢頻率之間保持嚴格不變關系的交流電機。同步發(fā)電機的轉子基木上是一個大的電磁鐵。磁極有凸極和隱極兩種結構。凸極轉子結構和加工比較簡單，制造成本低。中小容量電機一般采用凸極以降低成本；對大容量、高轉速原動機，高速旋轉的發(fā)電機轉子將承受很大的離心力，采用隱極可以更好地固定勵磁繞組。同步發(fā)電機轉子結構示意圖當轉子勵磁繞組中流過直流電流時，產(chǎn)生磁極磁場或稱為勵磁磁場。原動機拖動轉子旋轉時，主磁場同轉子一起旋轉，就得到一個機械旋轉磁場。該磁場對定子發(fā)生相對運動，在定子繞組中感應出三相對稱的交流電勢。由于定子三相對稱繞組在空間上相差120，因此三相電勢也在時間上相差120電角度。這個交流電勢的頻率取決于電機的極對數(shù)和轉子轉速，即由于我國電網(wǎng)電源頻率為50Hz，發(fā)電機的轉速必須保持恒定。根據(jù)電機理論，圖給出隱極同步發(fā)電機的等效電路。圖中，為發(fā)電機空載時定子繞組一相感應的電動勢，為負載電流，為一相端電壓，為定子繞組一相的電阻，為同步電機的同步電抗。通常定子繞組的電阻比同步電抗小很多，因此可以忽略。圖為忽略電阻后隱極同步發(fā)電機簡化的相量圖。和之間的夾角叫做功率因數(shù)角。和之間的夾角叫做功率角。隱極同步發(fā)電機的等效電路與簡化的向量圖攻角特性：在忽略電樞電阻的情況下，根據(jù)電機學理論，同步發(fā)電機輸出的電磁功率等于輸出的有功功率其中，為發(fā)電機的相數(shù)。經(jīng)推導，有功功率表達式為對于并聯(lián)于無限大電網(wǎng)上的同步發(fā)電機，發(fā)電機的端電壓U即為電網(wǎng)電壓，保持不變，在恒定勵磁電流條件下，根據(jù)上式可知，隱極式同步發(fā)電機輸出的電磁功率與攻角的正弦成正比。這可以通過下圖所示的攻角特性曲線描述。當不變時，由畫出的曲線稱為攻角特性曲線。當時，隱極發(fā)電機輸出的電功率最大。圖 攻角特性有功功率的調(diào)節(jié)由式可知，對于一臺并聯(lián)到無限大電網(wǎng)上的同步發(fā)電機，如果想增加發(fā)電機的輸出有功功率，當勵磁不作調(diào)節(jié)時，就必須增大功率角。功率角的物理意義可以從時間和空間兩個角度來進行理解。對于發(fā)電機而言，是勵磁電動勢超前于端電壓的時間角；從空間上，可看作轉子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線之間的空間角。因此，增大功率角意味著必須增加來自原動機的輸入功率，使轉子加速，從而使功率角增大，從而增大發(fā)電機的有功功率。但需注意，區(qū)域是發(fā)電機穩(wěn)定工作范圍，因此功率角的增加不能超過穩(wěn)定極限90，如果再增加來自原動機的輸入功率，則無法建立新的平衡，電機轉速將繼續(xù)上升而失速。無功功率的調(diào)節(jié)接到電網(wǎng)上的負載，除了阻性負載外，還有感性負載和容性負載，所以一個電力系統(tǒng)除了要能提供負載有功功率外，還要有提供和調(diào)節(jié)無功功率的能力。通過改變同步發(fā)電機的勵磁電流，可調(diào)節(jié)同步發(fā)動機輸出的無功功率。當=1時，定子的電流最小，這種情況稱為負載時的正常勵磁。在正常勵磁基礎上增加勵磁電流，稱為過勵。在正常勵磁基礎上較少勵磁電流，稱為欠勵。無論增大和減小勵磁電流，都將使定子電流增大。發(fā)電機輸出的無功功率可通過描述。在正常勵磁時，發(fā)電機只輸出有功功率。過勵時，電樞反應為去磁作用，定子電流落后于端電壓，發(fā)電機除了向電網(wǎng)發(fā)出有功功率外，還向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率。欠勵時，電樞反應為增磁作用，定子電流超前于端電壓，發(fā)電機除了向電網(wǎng)發(fā)出有功功率外，還向電網(wǎng)發(fā)出容性無功功率。5.1.3永磁同步風力發(fā)電機結構及特點（1）直驅(qū)式外轉子永磁風力發(fā)電機結構 外轉子電機的特點是定子在靠軸中間不動，轉子在外圍旋轉。在下圖中展示了內(nèi)定子的構造，內(nèi)定子由硅鋼片疊成，與常見的外定子相反，其線圈槽是開在鐵芯圓周的外側。內(nèi)定子鐵芯通過定子的支撐體固定在底座上，在底座上有轉子軸承孔用來安裝外轉子的轉軸。 在定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，繞組是按三相規(guī)律分布，與外定子繞組類似。 外轉子如同一個桶套在定子外側，由導磁良好的鐵質(zhì)材料制成，在“桶”的內(nèi)側固定有永久磁鐵做成的磁極，這種結構的優(yōu)點是磁極固定較容易，不會因為離心力而脫落。 按多極發(fā)電機的原理，磁極的布置如下圖 把外轉子轉軸安裝在定子機座的軸承上 在實際風力機制造中往往把外轉子磁軛直接與風輪輪轂（包括輪轂外罩）制成一體，使結構更緊湊。（2）直驅(qū)永磁中間定子盤式風力發(fā)電機結構直驅(qū)永磁盤式風力發(fā)電機的定子與轉子都呈平面圓盤結構，定子與轉子軸向交替排列，這里介紹中間定子盤式發(fā)電機。下圖是一個盤式定子。由于盤式發(fā)電機通過定子繞組的的磁力線是軸向走向，在電機旋轉時是繞軸運行的，所以定子的硅鋼片是繞制的，在兩側有繞組的嵌線槽。 在定子線槽內(nèi)分布著定子繞組，按三相布置連接。 定子鐵芯固定在機座的支架上 盤式轉子由磁軛與永久磁鐵組成，下圖為左面轉子圖下圖為磁極的分布圖 右面轉子結構與左面轉子結構相同，只是反個面而已。下圖為左右轉子間的磁力線走向圖。 為更清楚的看清磁力線走向，下圖為稍側面的磁力線走向圖。 把轉子與定子擺在一起 安裝上左右端蓋，下圖為組裝好的永磁中間定子盤式發(fā)電機。 下圖為永磁中間定子盤式發(fā)電機的剖面圖。 下圖為側視的剖面圖，為看清內(nèi)部結構隱藏了右轉子。 （3）直驅(qū)永磁中間轉子盤式風力發(fā)電機結構盤式永磁直驅(qū)式風力發(fā)電機的定子與轉子都呈平面圓盤結構，定子與轉子軸向交替排列，這里介紹中間轉子盤式發(fā)電機。下圖是一個盤式定子，由于盤式發(fā)電機的通過定子繞組的磁力線是軸向走向，在電機旋轉時是繞軸運行的，所以定子的硅鋼片是繞制的，在一側有繞組的嵌線槽。在定子線槽內(nèi)分布著定子繞組，按三相布置，單個繞組呈扇形狀。 定子有兩個，右定子與左定子結構一樣，只是反個面而已。 轉子由永久磁鐵組成，磁鐵固定在非導磁材料制成的轉子支架上，下圖是轉子的結構圖。 每塊磁鐵的磁極在轉子的兩面， 下圖表示了磁力線在轉子與定子間的走向， 下圖是轉子與定子的布置圖 先把左定子固定在左端蓋中，再裝上轉子， 把右定子固定在右端蓋中，左右端蓋扣緊固定，發(fā)電機就組裝好了，下圖為發(fā)電機外觀圖。 下圖為中間轉子盤式永磁發(fā)電機的剖面圖 下圖為側視的剖面圖。 5.1.4電勵磁同步風力發(fā)電機結構及特點電勵磁同步發(fā)電機(Electrically Excited Synchronous Generator，EESG)，通常在轉子側進行直流勵磁。使用EESG相比使用PMSG的優(yōu)勢在于，轉子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得 最小損耗；而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險，Enercon公司主要經(jīng)營這類產(chǎn)品。但是EESG需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉子繞組直流勵磁需要滑環(huán)和電刷。永磁同步電機的數(shù)學模型定子電壓方程為其中，、分別為定子d、q軸電壓分量；、分別為定子d、q軸電路分量；為定子電阻；、分別為定子d、q軸自感；為轉子角速度；為轉子永磁體的磁鏈最大值。電磁轉矩方程為其中，p為電機的極對數(shù)。忽略附加損耗后的功率平衡方程為其中，、分別為電機的電磁功率、輸入功率和輸入功率；、分別為電機的鐵耗、機械損耗和定子銅耗。電磁功率與電磁轉矩的關系為5.2 全功率變流器風電機組變流器電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，作用非常重要，既要對風力發(fā)電機進行控制，又要向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能，還要實現(xiàn)低電壓穿越等功能；隨著風力發(fā)電的快 速發(fā)展和風電機組單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結構進行討論。從 圖1中可以看到，典型的永磁直驅(qū)變速恒頻風電系統(tǒng)中，采用背靠背雙PWM變流器，包括電機側變流器與電網(wǎng)側變流器，能量可以雙向流動。對PMSG直驅(qū)系統(tǒng)，電機側PWM變流器通過調(diào)節(jié)定子側的dq軸電流，實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)及電機勵磁與轉矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能。電網(wǎng)側PWM變流器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側的dq軸電流，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無功功率，通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，還要提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。背靠背雙PWM變流器是目前風電系統(tǒng)中常見的一種拓撲，國內(nèi)外對其研究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何 提高其故障穿越能力等方面。國外公司如ABB、Alstom，國內(nèi)公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產(chǎn)品。對直驅(qū)型風電系統(tǒng)，變流器拓撲的選擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓撲結構，通過boost變換器實現(xiàn)輸入側功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)，提高發(fā)電機的運行效率，保持直流側電壓的穩(wěn)定，對PMSG的電磁轉矩和轉速進行控制，實現(xiàn)變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能。國外Enercon公司的直驅(qū)風電系統(tǒng)e82(2mw)、國內(nèi)合肥陽光電源的小型并網(wǎng)風力機變流器使用這種拓撲。圖2 不控整流+DC/DC變換+逆變拓撲隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖3是直驅(qū)風電系統(tǒng)中三電平背靠背雙PWM變流器拓撲，與兩電平雙PWM變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管；直流側電容由兩個完全一樣的電容串聯(lián)組成，電容的中點作為變換器的箝位點， 由網(wǎng)側變換器保持直流側兩個電容的電壓均衡。這種結構在風電中的應用目前已經(jīng)比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制策略的優(yōu)化上。 目前，世界范圍內(nèi)從事大功率風力發(fā)電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，都有多電平的產(chǎn)品方案；ABB用于風力發(fā)電的變流器如acs1000，整流器采 用12脈沖二極管整流，逆變器采用三電平NPC結構，器件采用IGCT；SIEMENS也有相似的應用，功率器件采用高壓IGBT；法國ALSTOM公司 采用飛跨電容型四電平拓撲，功率器件采用IGBT，另外還基于IGCT開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。圖3 三電平背靠背雙PWM變流器結構5.2.1 電機側變流器控制策略令，則定子方程變?yōu)楦鶕?jù)上式可以構成電機側變流器的電流環(huán)控制圖，如下圖所示。由于定子直軸電流、交軸電流不但受到各自控制電壓和的影響，還要分別受到交叉耦合電壓、的影響。因此，在電機的電流環(huán)控制中，除了要對直軸電流和交軸電流分別進行閉合積分控制，從而得到相應的控制電壓分量和以外，還要分別加上交叉耦合電壓的補償項、，最終分別得到直軸控制電壓和交軸控制電壓和。為了更好地控制轉矩(或有功功率)，還應在電流環(huán)之外加上轉矩環(huán)(或功率環(huán))。由于，而且采用=0的控制方式，所以電磁轉矩表達式變?yōu)楫敱３蛛姍C轉速不變時，可以通過控制定子交軸電流分量來控制電磁轉矩，從而進一步實現(xiàn)對電機輸出有功功率的控制。帶有有功功率控制外環(huán)的電機側變流器的控制框圖如圖所示。由于在后面對電網(wǎng)側變流器進行控制時，要求它保持直流側電壓穩(wěn)定，因此直流側電容器的充放電對有功功率的影響很小。如果再進一步忽略變流器本身的功率損耗，就可認為發(fā)電機發(fā)出的有功功率經(jīng)過電機側和電網(wǎng)側變流器后會被全部送入電網(wǎng)。因此，在圖3.2中，發(fā)電機輸出的功率是通過間接檢測電網(wǎng)側變流器輸入到電網(wǎng)的功率來近似獲取的。5.2.1 電網(wǎng)側變流器控制策略（1）電網(wǎng)側變流器的基本工作原理電網(wǎng)側變流器的主電路為三相橋式結構，采用脈寬調(diào)制方式控制各開關元件工作，其交流側電壓除了正弦基波外，也存在一些高次諧波。但由于有電感的濾波作用，使得高次諧波電壓所產(chǎn)生的諧波電流很小，所以電網(wǎng)側變流器的交流側電流波形比較接近正弦。在以下的分析中，將不考慮交流側電壓和電流諧波在電網(wǎng)看來，電網(wǎng)側變流器相當于是一個可控的三相交流電壓源，圖3.6為其基波等效電路。圖中，、分別為電網(wǎng)的三相電壓，“+、”代表規(guī)定的正方向（下同）；、分別為變流器交流側的電阻和電感；、分別為交流側三相電流，其正方向規(guī)定如箭頭所示(下同)；、分別為交流側三相電壓。變流器的工作狀態(tài)將由它們共同決定。當電網(wǎng)側變流器穩(wěn)態(tài)運行時，由圖3.6可知任意一相的電壓平衡方程式為 式(3.7)對應的相量圖如圖3.7所示。其中，圖3.7(a)表示電網(wǎng)側變流器工作于逆變狀態(tài)，有功功率從變頻器輸入電網(wǎng)；圖3.7(b)表示電網(wǎng)側變流器工作十整流狀態(tài)，有功功率從電網(wǎng)輸入變頻器。從圖3.7也可看出，通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)側變流器的交流側電壓的幅值和相位，就可以控制電流的大小及其與電網(wǎng)電壓之間的相位角，從而讓變流器工作在不同的運行狀態(tài)：(1)單位功率因數(shù)逆變運行。交流側電流與電網(wǎng)電壓之間的相位角為180，變流器與電網(wǎng)之間沒有無功功率的傳遞，有功功率從變流器輸入電網(wǎng)。（2）單位功率因數(shù)整流運行。交流側電流與電網(wǎng)電壓同相，變流器與電網(wǎng)之間沒有無功功率的傳遞，有功功率從電網(wǎng)輸入變流器。（3）靜止無功發(fā)生器運行狀態(tài)。當=90時，變流器與電網(wǎng)之間僅有無功傳遞，相當于一臺靜止的無功發(fā)生器。（4）其他運行狀態(tài)。當=(090)時，變流器從電網(wǎng)吸收有功功率和滯后的無功功率；當=(-900)時，變流器從電網(wǎng)吸收有功功率和超前的無功功率；當=(90180)時，變流器向電網(wǎng)輸出有功功率和超前的無功功率；當=(-180-90)時，變流器向電網(wǎng)輸出有功功率和滯后的無功功率?？梢?，電網(wǎng)側變流器能夠靈活控制輸入到電網(wǎng)的無功功率。一方面，當電網(wǎng)需要無功補償時，它可以方便地提供相應的無功功率；另一方面，如果電網(wǎng)對無功功率沒有要求，可按功率因數(shù)為1進行控制，從而降低變流器的容量要求和投資。這也是雙PWM變流器與其它變流器相比所具有的優(yōu)點之一。（2）電網(wǎng)側變流器的數(shù)學模型為了對電網(wǎng)側變流器進行有效的控制，首先必須建立其數(shù)學模型。如果用開關來表示變流器的各個電力電子器件，則電網(wǎng)側變流器的主電路可用圖3.8所示的簡化模型來表達。為了推導方便，引入開關函數(shù)來表達各相電力電子器件的導通狀態(tài)。第相（）的開關函數(shù)表達式為 （3.8）由圖3.8，根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可以寫出以下方程（3.9）式中，C為直流測電容，為負載電流。圖 3.8 電網(wǎng)側變流器主電路的簡化模型用表示直流側負極性端n與電網(wǎng)中性點之間的電壓；、分別表示變流器交流側各相對n端的電壓。則變流器交流側各相對電網(wǎng)中性點的電壓分別為 （3.10）根據(jù)平均狀態(tài)空間法，可知在一個調(diào)制周期內(nèi)應有 （3.11）式中，為變流器直流側電壓。假設電網(wǎng)的三相電壓是對稱的，應有（3.12）將式（3.11）、（3.12）代入到式（3.10）中可得（3.13）再將式（3.10）、（3.11）、（3.13）代入到式（3.9）中可得（3.14）式中（3.14）就是電網(wǎng)側變流器在ABC坐標系下的高頻數(shù)學模型。將其寫為矩陣形式可得 （3.15）設電網(wǎng)三相電壓對稱，可以表達為（3.16）式中，為電網(wǎng)相電壓的幅值；為電網(wǎng)的電角頻率；為電網(wǎng)A相電壓的初始相位角。由電網(wǎng)電壓的瞬時值可以得到電網(wǎng)電壓的空間矢量為（3.17）如果把d-q坐標系的d軸方向選為電網(wǎng)電壓的空間矢量方向，q軸方向超前d軸90，則有（3.18）如果d-q坐標系的d相電壓初相角與A相的相等，則由ABC三相靜止坐標系到d-q同步旋轉坐標系的變換矩陣為（3.19）式中，為d-q同步旋轉坐標系的角頻率。于是有（3.20）（3.21）將式中（3.19）、（3.20）、（3.21）代入到式（3.15）中，可得d-q同步旋轉坐標系下電網(wǎng)側變流器的數(shù)學模型為（3.22）而d-q同步旋轉坐標系下變流器的交流側電壓為（3.23）把式（3.23）代入到式（3.22）中，并且只取前兩個方程式，可得（3.24）而在d-q同步旋轉坐標系下，由電網(wǎng)側變流器輸入到電網(wǎng)的有功功率和無功功率分別為（3.25）很顯然，小于0表明變流器工作在整流狀態(tài)，有功功率由電網(wǎng)流向變流器；而大于0則表明變流器工作在逆變狀態(tài)，有功功率由變流器流向電網(wǎng)。小于0表明變