變流器培訓(xùn)教材

1、1、雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、變槳結(jié)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)、雙饋電機(jī)、變流器、變壓器、電網(wǎng)等構(gòu)成。其工作過(guò)程為：當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)輪機(jī)將其捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再通過(guò)齒輪箱傳遞到雙饋電機(jī)，雙饋電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)變流器及變壓器將其并入電網(wǎng)。通過(guò)系統(tǒng)控制器及變流器對(duì)槳葉、雙饋電機(jī)進(jìn)行合理的控制使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲，同時(shí)，通過(guò)對(duì)變槳機(jī)構(gòu)、變流器及Crowbar保護(hù)電路的控制來(lái)應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的各種故障。雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可以饋送能量，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是通過(guò)變頻器接入的低頻電流起到了勵(lì)磁作用，因此又名交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)

2、主機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：定子與一般三相交流發(fā)電機(jī)定子一樣，具有分布式繞組；轉(zhuǎn)子不是采用同步發(fā)電機(jī)的直流集中繞組，而是采用三相分布式交流繞組，與三相繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似。正常工作時(shí)，定子繞組并入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一個(gè)頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)的三相變頻電源供電，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)通常采用交-直-交變頻電源供電。圖1、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雙饋異步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間上保持相對(duì)靜止，此時(shí)有如下數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式：式中，、分別為定子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，、分別為定、轉(zhuǎn)子電流頻率，為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由上式可知，

3、當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率相應(yīng)變化，可使保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。當(dāng)<時(shí)，電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，變頻器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)>時(shí)，電機(jī)處于超同步速運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)=時(shí)，=0，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)電機(jī)作為普通隱極式同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接變流器，其調(diào)速的基本思想就是要在轉(zhuǎn)子回路上串入附加電勢(shì)，通過(guò)調(diào)節(jié)附加電勢(shì)的大小、相位和相序來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋調(diào)速。與傳統(tǒng)的直流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相比，

4、雙饋異步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量由一個(gè)變?yōu)槿齻€(gè)，即勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位。所以，調(diào)節(jié)勵(lì)磁不僅可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，還可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因此，該電機(jī)在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、變速運(yùn)行能力方面有著優(yōu)良的特性。2. 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況2. 1雙饋電機(jī)在不同工作狀態(tài)下的功率分布流程從上面對(duì)雙饋電機(jī)的分析，我們可以建立雙饋電機(jī)在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)，并且同時(shí)分析在該種情況下的功率流程。主要討論的是定子側(cè)功率（向電網(wǎng)輸出電能時(shí)為正，吸收電網(wǎng)電能時(shí)為負(fù)），轉(zhuǎn)差功率（向電網(wǎng)饋送電能時(shí)為正，吸收電網(wǎng)電能時(shí)為負(fù)）和機(jī)械功率（電機(jī)吸收機(jī)械功率為正，電機(jī)輸出機(jī)械功率時(shí)為負(fù)）。1）雙饋電

5、機(jī)運(yùn)行于超同步發(fā)電機(jī)情況下：圖2、 雙饋電機(jī)超同步發(fā)電機(jī)時(shí)的功率流程從上圖中可以看到，由于與方向相反，所以n，轉(zhuǎn)差S<0。并且電磁轉(zhuǎn)矩與n反向，起制動(dòng)作用。因而此時(shí)，雙饋電機(jī)是吸收機(jī)械功率，然后通過(guò)定子側(cè)向電網(wǎng)輸出功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)饋送轉(zhuǎn)差功率。因此可得=+。2）雙饋電機(jī)運(yùn)行于超同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：圖3、 雙饋電機(jī)超同步電動(dòng)機(jī)時(shí)的功率流程從上圖中可以看到，由于與方向相反，所以n，轉(zhuǎn)差率S<0。并且電磁轉(zhuǎn)矩與n同向，起驅(qū)動(dòng)作用。因而此時(shí)，雙饋電機(jī)是通過(guò)定子側(cè)向電網(wǎng)吸收功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率，向外輸出機(jī)械功率。因此可得=+。3）雙饋電機(jī)運(yùn)行于亞同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)：圖4、 雙饋電

6、機(jī)亞同步發(fā)電機(jī)時(shí)的功率流程從上圖中可以看到，由于與方向相同，所以n，轉(zhuǎn)差率S0。并且電磁轉(zhuǎn)矩與n反向，起制動(dòng)作用。因而此時(shí)，雙饋電機(jī)是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)吸收功率，向外吸收機(jī)械功率，通過(guò)定子側(cè)向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率。因此可得=+。4）雙饋電機(jī)運(yùn)行于亞同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：從圖5中可以看到，由于與方向相同，所以n，轉(zhuǎn)差率S0。并且電磁轉(zhuǎn)矩與n同向，起驅(qū)動(dòng)作用。因而此時(shí)，雙饋電機(jī)是通過(guò)定子側(cè)向電網(wǎng)吸收功率，向外輸出機(jī)械功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率。因此可得=+。圖5、 雙饋電機(jī)亞同步電動(dòng)機(jī)時(shí)的功率流程上面一共討論了雙饋電機(jī)在四種情況下的運(yùn)行特性，但是我們?cè)陲L(fēng)力發(fā)電中需要考慮的僅僅是1），3）兩種發(fā)電機(jī)運(yùn)行

7、情況。并且還應(yīng)當(dāng)注意的是，由于=-，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)繞組中電流相位大小，來(lái)控制定子中定子電流的相位和大小，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)的少量無(wú)功功率來(lái)控制定子側(cè)的大量無(wú)功功率。3、雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器控制一、電機(jī)側(cè)變流器的控制圖6 電機(jī)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)圖電機(jī)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接三相電壓型PWM變流器，其直流環(huán)節(jié)通常是恒定的，即直流側(cè)電壓恒定，交流側(cè)轉(zhuǎn)子量通常是變化的。可以通過(guò)控制電機(jī)側(cè)變流器的電流給定進(jìn)行定子側(cè)電流相位、幅值、頻率的控制，并控制電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流間接控制電機(jī)功率。對(duì)于電機(jī)側(cè)變流器的控制采用定子磁鏈定向的矢量控制（目前有多種方法）。二、電網(wǎng)側(cè)變流器的控制圖

8、7 電網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)圖電網(wǎng)側(cè)PWM變流器實(shí)際上是一個(gè)三相電壓型PWM整流器，其控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，保持直流母線電壓恒定。具體控制方式采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，即先建立電網(wǎng)側(cè)PWM變流器的數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)換至d-q軸坐標(biāo)系下，將電網(wǎng)電壓矢量定向在d軸上，在此基礎(chǔ)上建立電網(wǎng)側(cè)PWM變流器在電網(wǎng)電壓矢量控制下的方程。由于電網(wǎng)側(cè)所要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)和直流側(cè)電壓的控制，則電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的控制變量為直流電壓和電網(wǎng)電流。4、變流器主電路開(kāi)關(guān)器件參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所用交流-直流-交流變流器開(kāi)關(guān)器件選用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器均采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器

9、件，對(duì)于IGBT的選型需要分別考慮電機(jī)側(cè)最大持續(xù)電流峰值和電網(wǎng)側(cè)最大持續(xù)電流峰值，同時(shí)還需要考慮到中間直流電壓最高值來(lái)選擇合適的開(kāi)關(guān)器件參數(shù)。4.1 電機(jī)側(cè)最大電流有效值計(jì)算電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，而電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是：1000-2030r/min，當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速1800r/min，即轉(zhuǎn)差率的超同步工況時(shí)，發(fā)電機(jī)定子側(cè)有功功率達(dá)到最大值為：此時(shí)，定子電流和轉(zhuǎn)子電流也達(dá)到最大值。下面分三種情況具體計(jì)算轉(zhuǎn)子電流：一、不考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流：轉(zhuǎn)速為n=1800r/min,定子側(cè)電壓峰值為：；計(jì)算轉(zhuǎn)子電流為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值最大為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流有效值最大為：定子繞組在d-q坐

10、標(biāo)系下的等效自感, 轉(zhuǎn)子繞組在d-q坐標(biāo)系下的等效自感；定、轉(zhuǎn)子間繞組在d-q坐標(biāo)系下的等效互感。二、考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)速為n=1800r/min,考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)，當(dāng)電壓跌落10%時(shí)，定子側(cè)電壓峰值為：；計(jì)算轉(zhuǎn)子電流為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值最大為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流有效值最大為：三、當(dāng)功率因數(shù)時(shí)，考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)速為n=1800r/min，考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)定子側(cè)電壓峰值為：，定子側(cè)無(wú)功功率為: ;則轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電流不變，d軸電流為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值最大為：則轉(zhuǎn)子側(cè)電流有效值最大為：綜上所述，第三種情況時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流最大，則電機(jī)側(cè)變流器IGBT額定電流為：4.2 電

11、網(wǎng)側(cè)最大電流有效值計(jì)算當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速2030r/min，即轉(zhuǎn)差率的超同步工況時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率達(dá)到最大值為：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Pr與網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率相等，則考慮電網(wǎng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%時(shí)，變流器電網(wǎng)側(cè)輸出交流線路上的最大電流有效值為：則電網(wǎng)側(cè)變流器IGBT額定電流為：4.3. 采用濾波器原因：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用PWM變流器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中，雙饋?zhàn)兞髌魑挥谒?，雙饋發(fā)電機(jī)安裝在塔頂，在變流器和發(fā)電機(jī)之間采用長(zhǎng)線電纜傳輸時(shí)，當(dāng)PWM變流器發(fā)射脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線電纜傳至電機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象，導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓、高頻阻尼振蕩，進(jìn)一

12、步加劇電機(jī)繞組的絕緣壓力，造成電機(jī)在短期內(nèi)絕緣擊穿等事故，分析表明發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生的過(guò)電壓與變流器輸出PWM脈沖上升時(shí)間和電纜長(zhǎng)度有關(guān)。PWM變流器的輸出脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線電纜傳至發(fā)電機(jī)，由于長(zhǎng)線電纜的分布特性，即存在漏電感和耦合電容，會(huì)產(chǎn)電壓反射現(xiàn)象，在發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓、高頻阻尼振蕩，進(jìn)一步加劇發(fā)電機(jī)繞組的絕緣壓力。這種反射現(xiàn)象與變流器輸出脈沖的上升時(shí)間以及電纜的長(zhǎng)度有關(guān)。一般PWM脈沖的傳輸速度約為光速的12，當(dāng)脈沖由變流器傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)的時(shí)間超過(guò)脈沖上升時(shí)間的13時(shí)，在發(fā)電機(jī)端發(fā)生壘反射，使電壓近似加倍，從而使發(fā)電機(jī)的絕緣迅速老化甚至擊穿。5、低電壓穿越技術(shù)概述低電壓穿越技術(shù)，關(guān)于雙饋電機(jī)的低電壓

13、工作原理，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是在電網(wǎng)電壓跌落及恢復(fù)期間，由于定子電壓突變而磁鏈來(lái)不及變化，在磁鏈中產(chǎn)生直流分量和負(fù)序分量，該分量在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出較高電壓（高達(dá)2000多伏），進(jìn)而產(chǎn)生一系列的過(guò)電流和過(guò)電壓現(xiàn)象。低電壓穿越，是指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率以支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間。目前各國(guó)都在相繼制定新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，要求風(fēng)電系統(tǒng)具有一定的低電壓穿越能力。中國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則目前還在制定中，暫時(shí)還沒(méi)有明確的規(guī)定。最具代表性的是德國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商E.ON Netz對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)組提出的LVRT要求8，如圖8所示。圖8德國(guó)E.ON N

14、etz公司LVRT要求在圖8中，僅當(dāng)電網(wǎng)電壓值處于圖示折線下方也就是圖中所示的風(fēng)機(jī)跳閘區(qū)時(shí)，才允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)解列；而在折線以上區(qū)域，風(fēng)機(jī)應(yīng)繼續(xù)保持并網(wǎng)，等待電網(wǎng)恢復(fù)。且當(dāng)電壓位于圖中陰影區(qū)域時(shí)，還要求風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支撐以幫助電網(wǎng)恢復(fù)。圖中當(dāng)電壓跌落到額定電壓的15%時(shí)，要求風(fēng)機(jī)提供無(wú)功支持并保持并網(wǎng)至少625ms，而在電壓跌落到90%以上時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)一直保持并網(wǎng)運(yùn)行。以上是電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力的具體要求。電網(wǎng)電壓跌落是電網(wǎng)運(yùn)行中的常見(jiàn)故障之一，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓跌落后，會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流或轉(zhuǎn)速上升等問(wèn)題，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。為了抑

15、制電網(wǎng)電壓跌落對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，諸多文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)LVRT技術(shù)的做了研究，可主要?dú)w結(jié)為以下幾種方案:基于轉(zhuǎn)子撬棒(Crowbar)保護(hù)電路的LVRT控制策略9、基于雙饋電機(jī)暫態(tài)磁鏈補(bǔ)償技術(shù)的LVRT控制策略10、基于短暫中斷(STI)的LVRT控制策略11、基于提高轉(zhuǎn)子電流環(huán)動(dòng)態(tài)控制增益的LVRT控制策略12、基于能量管理技術(shù)的LVRT控制策略13、基于雙饋電機(jī)定子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制的LVRT控制策略14等。6、 雙饋電機(jī)控制方法簡(jiǎn)介6.1矢量控制20世紀(jì)70年代，德國(guó)西門(mén)子公司F.Blaschke等人提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”和美國(guó)學(xué)者與申請(qǐng)的專利“感

16、應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。此后，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者和工程技術(shù)人員的不斷完善和改進(jìn)，最終形成了現(xiàn)已普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)18。采用矢量控制使得交流電機(jī)可以模擬他勵(lì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制，大大提高了交流電機(jī)的控制性能，使其幾乎能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。雙饋電機(jī)起初多在傳動(dòng)系統(tǒng)中用作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，尤其是在窄范圍大功率調(diào)速的工業(yè)場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，在一些發(fā)電場(chǎng)合，如水能、風(fēng)能發(fā)電等，雙饋電機(jī)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在雙饋電機(jī)的多種應(yīng)用場(chǎng)合，矢量控制被應(yīng)用于雙饋電機(jī)的控制策略之中，成為目前雙饋電機(jī)的主要控制策略。在雙饋電機(jī)矢量控制策略中，依據(jù)其矢量定向的不同

17、，又分為基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制、基于氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制、基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制以及基于定子電壓定向的矢量控制等矢量控制策略。對(duì)于鼠籠電機(jī)，控制從定子側(cè)輸入，轉(zhuǎn)子側(cè)短路；對(duì)于雙饋電機(jī)控制從轉(zhuǎn)子側(cè)輸入，定子側(cè)接電網(wǎng)。對(duì)比雙饋電機(jī)定子與鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子的廣義Park方程，可知兩者存在對(duì)偶關(guān)系。鼠籠電機(jī)通常采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流的解耦控制，因此雙饋電機(jī)可以采用定子磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的解耦控制，而且此方法磁鏈檢測(cè)方便，誤差小。同時(shí)，定子電壓定向的矢量控制也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的解耦控制，定向方便等優(yōu)點(diǎn)，所以此方法也廣泛應(yīng)用在雙饋電機(jī)的控制中。6.2直接

18、轉(zhuǎn)矩控制20世紀(jì)80年代中期，德國(guó)的M. Depenbrock和日本的I. Takahashi提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論18，目前該技術(shù)已成功地應(yīng)用在交流傳動(dòng)中。直接轉(zhuǎn)矩控制是一種直接的轉(zhuǎn)矩控制，它不是通過(guò)控制電流等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩作為被控量來(lái)直接控制，強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的控制效果，采用離散的電壓狀態(tài)和近似圓形磁鏈軌跡的概念。同其它電機(jī)類似，雙饋電機(jī)也可以采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法。雙饋感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制是基于電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行控制的，采用轉(zhuǎn)子磁鏈幅值給定值及轉(zhuǎn)矩的指令值分別和它們的觀測(cè)值做滯環(huán)比較，使被控制值波動(dòng)限定在一定的容差范圍內(nèi)，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)表選擇電機(jī)側(cè)變流器功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電

19、機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在靜止坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band控制）產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，在維持轉(zhuǎn)子磁鏈為圓形軌跡的同時(shí)，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制省掉了復(fù)雜的矢量變換，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不明顯依賴轉(zhuǎn)子參數(shù)，故對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化具有魯棒性。同時(shí)，該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。然而，直接轉(zhuǎn)矩控制是一種Band-Band控制，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子電流的脈動(dòng)。圖9 雙饋電機(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制結(jié)構(gòu)圖圖10 雙饋電機(jī)定子電壓定向矢量控制結(jié)構(gòu)圖7、

20、電網(wǎng)電壓定向控制的基本原理1 電網(wǎng)電壓定向控制一般采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流方向以電網(wǎng)電壓空間矢量的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)。電網(wǎng)電壓定向控制系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)較好的穩(wěn)態(tài)性能和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，很大程度上依賴于電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，各交流分量均轉(zhuǎn)換為直流量，便于閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，同時(shí)可以很方便的與正弦脈寬調(diào)制或空間矢量脈寬調(diào)制方式接口，利于電網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的設(shè)計(jì)，是目前應(yīng)用最廣泛的電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，以下文將對(duì)電網(wǎng)電壓定向矢量控制進(jìn)行詳細(xì)分析。圖11同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓定向控制框圖8、 低電壓時(shí)雙饋電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)特性分析目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是雙饋型風(fēng)力發(fā)電系

21、統(tǒng)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落等故障能力方面存在很大的困難。本節(jié)將針對(duì)電網(wǎng)電壓跌落及恢復(fù)時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，以便為后面對(duì)其低電壓穿越控制方案的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于雙饋電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連接，因此在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)會(huì)導(dǎo)致其定子端電壓跌落，由于定子磁鏈不能突變，導(dǎo)致定子磁鏈中含有直流成分，不對(duì)稱電網(wǎng)電壓跌落還會(huì)含有負(fù)序成分。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的雙饋電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速通常比較高，這一較高的轉(zhuǎn)速相對(duì)于定子磁鏈中的直流成分和負(fù)序成分而言，均具有較大的轉(zhuǎn)差率，從而在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電路中感生出較大的轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子電路中較高的暫態(tài)電流量和電壓量對(duì)轉(zhuǎn)子變流器中半

22、導(dǎo)體器件的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變流器保護(hù)電路動(dòng)作甚至燒壞變流器29。在電網(wǎng)電壓跌落的過(guò)渡過(guò)程中，電網(wǎng)側(cè)變流器傳輸功率的能力受到限制，因而其對(duì)直流側(cè)電壓的控制性能降低。因此，在電網(wǎng)電壓跌落的動(dòng)態(tài)過(guò)程中可能會(huì)引起背靠背變流器直流側(cè)電壓的升高，這也嚴(yán)重威脅到變流器半導(dǎo)體器件的安全運(yùn)行。在電網(wǎng)跌落的過(guò)渡過(guò)程中，尤其發(fā)生不對(duì)稱跌落的過(guò)程中，會(huì)致使雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動(dòng)，由于風(fēng)輪機(jī)的慣性較大，這種脈動(dòng)會(huì)給雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、齒輪箱等機(jī)械部件造成沖擊，從而影響風(fēng)機(jī)的有效運(yùn)行壽命。在電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)過(guò)程中也存在類似的暫態(tài)過(guò)程，同樣會(huì)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)可靠運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為此必須采取一定的措施，

23、對(duì)雙饋電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以使其具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力。9、 低電壓穿越控制方案基于轉(zhuǎn)子Crowbar的LVRT控制方案是較早用于對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器保護(hù)的一項(xiàng)控制技術(shù)，可以分為無(wú)源Crowbar和有源Crowbar兩大類。在風(fēng)力發(fā)電尚未形成規(guī)模時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用Crowbar技術(shù)主要進(jìn)行自我保護(hù)，所采用的Crowbar多為被動(dòng)式Crowbar，即所謂的無(wú)源Crowbar。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增大，在一些國(guó)家和地區(qū)風(fēng)力發(fā)電已占有相當(dāng)大的容量，并且未來(lái)將會(huì)有更多的風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行。為此電力系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出了新的要求，自2003年德國(guó)E.ON公司首次對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出并網(wǎng)要求以來(lái)，

24、傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的無(wú)源Crowbar保護(hù)電路不再滿足電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出的新要求。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步要求，需要Crowbar電路動(dòng)作后能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候斷開(kāi)，從而使得在風(fēng)機(jī)在不脫離電網(wǎng)的情況下轉(zhuǎn)子變流器可以重新工作，于是出現(xiàn)了新型的可以切斷轉(zhuǎn)子回路的主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路，即所謂的有源Crowbar。1. 無(wú)源Crowbar:圖12 無(wú)源Crowbar保護(hù)電路圖12是由二極管整流橋和晶閘管構(gòu)成的常用無(wú)源Crowbar保護(hù)電路，當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到保護(hù)值時(shí)，通過(guò)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的短路，同時(shí)斷開(kāi)轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的保護(hù)功能。而保護(hù)電路與轉(zhuǎn)子繞組一直

25、保持連接，直到定子接觸器將定子側(cè)與電網(wǎng)斷開(kāi)且等轉(zhuǎn)子電流衰減為零后，晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)，待條件允許時(shí)雙饋電機(jī)重新執(zhí)行并網(wǎng)操作。顯然，基于晶閘管的被動(dòng)式撬棒完全是一種自我保護(hù)形式的Crowbar，因此，不能對(duì)故障狀態(tài)下的電網(wǎng)電壓提供支撐，并且在電網(wǎng)故障切除后也不能馬上對(duì)電網(wǎng)提供能量。無(wú)源Crowbar保護(hù)電路控制簡(jiǎn)單，能夠在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。但是晶閘管不能自行關(guān)斷，因此故障時(shí)電機(jī)必須解列；當(dāng)故障消除后，系統(tǒng)不能自動(dòng)恢復(fù)正常，必須重新并網(wǎng)。此電路都是被動(dòng)式保護(hù)，難以適應(yīng)新的電網(wǎng)規(guī)則要求，因此要選用主動(dòng)Crowbar保護(hù)電路。1. 有源Crowbar:為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步

26、要求，需要Crowbar電路動(dòng)作后能在適當(dāng)時(shí)刻斷開(kāi)，從而使得在風(fēng)機(jī)在不脫網(wǎng)的情況下轉(zhuǎn)子變流器可以重新開(kāi)始工作，于是出現(xiàn)了新型的可以在適當(dāng)時(shí)刻切斷保護(hù)電路的有源Crowbar。在有源Crowbar保護(hù)電路中可采用能夠換流的SCR、GTO、IGBT等可關(guān)斷器件。常用的兩種典型有源Crowbar保護(hù)電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖4.2(a)是在二極管整流橋后采用IGBT和電阻構(gòu)成的斬波器，這種保護(hù)電路使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時(shí)可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除后通過(guò)切除保護(hù)電路，使風(fēng)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行，因而具有更大的靈活性。圖13(b)是采用三相交流開(kāi)關(guān)（常用SCR）和旁路電阻構(gòu)成的保護(hù)電路，故障期

27、間為轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的大電流提供通路。采用這種電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除后，切除旁路電阻使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。其中Crowbar電阻的取值比較關(guān)鍵，既要避免變流器直流側(cè)過(guò)壓，又要有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流，其取值大小將在下一小節(jié)中介紹。（a）二極管整流橋 +IGBT+電阻 (b) 三相交流開(kāi)關(guān)+旁路電阻圖13、有源Crowbar保護(hù)電路 其實(shí)這兩種拓?fù)涞膶?shí)質(zhì)是一樣的，都屬于有源Crowbar，都可以適應(yīng)新的電網(wǎng)規(guī)則要求，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障不嚴(yán)重時(shí)保持不脫網(wǎng)運(yùn)行。由于晶閘管的成本較低且它對(duì)過(guò)電流的承受能力比較大，所以實(shí)驗(yàn)中采用三相晶閘管和旁路電阻組成的

28、保護(hù)電路，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)將在下一節(jié)具體說(shuō)明。10、 有源Crowbar的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于三相晶閘管和Crowbar電阻組成的有源Crowbar保護(hù)電路方案，我們必須從實(shí)際系統(tǒng)的性能、可靠性及成本等方面考慮，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)的分析，確定最終的實(shí)驗(yàn)方案。以下將分別對(duì)撬棒電阻、晶閘管及控制參數(shù)的選擇進(jìn)行分析。1. Crowbar電阻R的選擇：Crowbar電阻R的阻值的選取較為重要，阻值過(guò)小不能起到限制轉(zhuǎn)子電流的作用，阻值過(guò)大又會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的出線端形成過(guò)電壓，進(jìn)而使直流側(cè)過(guò)壓，威脅到轉(zhuǎn)子變流器的耐壓安全。當(dāng)有源Crowbar開(kāi)始工作時(shí)，雙饋電機(jī)基本等同于感應(yīng)電機(jī)。文獻(xiàn)30給出了雙饋電機(jī)最大短路電流計(jì)算公式，其與Crowbar電阻的關(guān)系如下 （4-14）設(shè)轉(zhuǎn)子允許的最大電壓為U2max，Crowbar電阻的最大值為 （4-15）2. 晶閘管SCR的選擇：對(duì)于晶閘管的選擇要考慮其額定電壓、額定電流、過(guò)電流能力、du/dt及di/dt等參數(shù)，還要考慮其類型、尺寸、價(jià)格等因素。同時(shí)，晶閘管的選擇與撬棒電阻有很重要的關(guān)系，節(jié)將給出晶閘管的電流及電壓波形，通過(guò)波形可以為晶閘管的選擇提供依據(jù)。3. 控制參數(shù)的選擇：在對(duì)有源Crowbar保護(hù)電路進(jìn)行控制時(shí)，必須弄清楚其被觸發(fā)和禁止的邏輯關(guān)系：當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，首先監(jiān)視雙