变速恒频风力发电系统中的电力电子技术.ppt

变速恒频风力发电系统中的电力电子技术 16009311张施展 早期的恒速恒频风力发电系统 缺点难以稳定工作在最高运行效率输出电能质量较差 功率因数较低对局域电网产生很大影响风速 风向随意性 不稳定性影响输出电压 频率 功率的变化 特点结构简单可靠 成本低廉输出电压和频率由电网整定一旦并网运行 转速基本不变 变速恒频风力发电系统 全功率风力发电系统中的电力电子技术 为实现变速恒频的目的 发电机定子绕组通过交 直 交变换器与电网连接 将随风速 风向变化而变化的变频变压电功率转化为与电网同频率同电压的电功率 由于所有的功率都要通过功率变换器进行变换 因此 此类系统中的电力电子装置称为全功率变换器 全功率风力发电系统中的电力电子技术 具有齿轮箱的交直交全功率型变速恒频风力发电系统含有齿轮箱 在正常运行时齿轮箱的损耗及其较大的体积也是该系统的一个不足 发电机类型可采用笼型异步发电机 同步发电机 电励磁永磁同步发电机和绕线式异步发电机 直驱型 无齿轮箱 交直交全功率型变速恒频风力发电系统采用多极低速永磁或电励磁的同步发电机 虽然省去了齿轮箱 但电机的体积仍显得十分庞大笨重 与有齿轮箱的变速恒频机组类似 发电机定子绕组也同样需要通过一个交直交变换器与电网连接 全功率型变速恒频典型拓扑结构 不控整流电路 电压型逆变电路 的拓扑结构 其拓扑结构如图所示 电路结构简单 控制方法成熟 发电机发出的交流电通过整流滤波电路转换为直流电 再经过PWM电压型逆变器 输出电压 频率 相位与电网相符的交流电 并且可以控制系统输出的有功和无功功率 调节发电机的转矩 转速 使风机工作在最佳状态 全功率型变速恒频典型拓扑结构 不控整流电路 非隔离稳压电路 电压型PWM逆变电路 的拓扑结构 其拓扑结构如图所示 相对于上一种拓扑结构中的逆变器输入直流电压不稳 电压值不高等缺点 在小控整流电路和逆变电路之问加了一级非隔离的DC DC斩波器 加入斩波电路后 风速 发电机输出电压变化时 可以通过斩波电路使逆变器输入直流电压稳定在期望值附近 对于逆变器的控制系统来说 源效应大大减小 全功率型变速恒频典型拓扑结构 不控整流电路 电压型PWM逆变电路 工频升压变压器 的拓扑结构 这里提高电压的途径是在逆变器并网输出侧加入升压变压器 加入升压变压器后 发电机的工作电压范围可进一步拓宽 考虑到非隔离型并网在一些国家禁用 采用变压器后 系统与市电电网的完全电隔离 提高了电网的安全标准 全功率型变速恒频典型拓扑结构 不控整流电路 隔离稳压电路 电压型PWM逆变电路 的拓扑结构 采用高频变压器来代替工频频变压器完成变压和隔离的任务 可大大降低成本 提高功率密度 这种类型电路的拓扑结构如图所示 与非隔离稳压电路不同 该电路在DC DC斩波电路中加入了高频变压器 这种变换器又称为高频链功率变换器 其中 典型的隔离型DC DC变换器为全桥式变换器 全功率型变速恒频典型拓扑结构 不控整流电路 高频链PWM逆变电路 的拓扑结构 高频链功率变换器按功率的传输方向可分为单向型和双向型 上一种拓扑结构就属于单向型 由于能量需要经过四级功率变换 即低频整流 高频逆变 高频整流和低频逆变 因此通态损耗较大 系统结构复杂 效率低 双向电压源高频链功率变换器不仅能双向传输功率 而且只需要经过低频整流 高频逆变器和周波变换器三级功率变换 其结构比单向电压源高频链功率变换器简单 通态损耗低 系统效率高 双馈风力发电系统中的电力电子技术 双馈电机原理与运行特性 有刷双馈电机 有刷双馈电动机是利用绕线型异步电动机自身的结构特点 将电动机的定子直接联接到三相对称工频电网上 而绕线型转子采用交流变频电源供电 并采用相应的控制策略来控制转子电流的幅值 频率 相位和相序 由于电机是分别通过对定 转子单独馈电而上作的 因此被称为双馈电机 双馈风力发电系统中的电力电子技术 双馈电机原理与运行特性 有刷双馈电机 60 1 2 60 1 2 其中 电机的转速 1 1 分别为定子绕组的电流频率和磁势的旋转角频率 2 2 分别为转子绕组的电流频率和磁势的旋转角频率 有刷双馈电机的稳态转速如下式所示 双馈风力发电系统中的电力电子技术 双馈电机原理与运行特性 无刷双馈电机 定子绕组由两套三相对称绕组构成 分别称为功率绕组和控制绕组 功率绕组极对数记为Pp 控制绕组极埘数记为Pc 并且两套绕组极对数不同 当功率绕组接人频率为fp的工频电源 拧制绕组接入频率为fc的电源后 由于两套定f绕组同时有电流流过 存气隙中产生两个不同极对数的磁场 这两个磁场通过转子的调制发生交叉耦合 构成了实现能最传递转换的基础 双馈风力发电系统中的电力电子技术 双馈电机原理与运行特性 无刷双馈电机 无刷双馈电机的稳态转速如下式所示 60 p cPp Pc 其中 Pp 功率绕组极对数Pc 控制绕组极对数fp 功率绕组接人工频电源频率Fc 控制绕组接入电源频率 变速恒频风力发电中的其他电力电子技术 大功率风力发电中的电力电子技术 风力发电系统的一个发展方向是逐步大型化 随着机组容量的不断增大 原有的功率变换器受到器件容量的制约 因此需要研究大容量的新型功率器件或者推出新的拓扑结构 在不改变电路基本原理的前提下 可通过器件的串并联来提高器件的容量 但必须考虑由器件的串并联而带来的均压和均流的问题 使用更多的方法是采用与通信电源系统中类似的单元电路并联的方式 另外还有多承化技术和多电平技术等 变速恒频风力发电中的其他电力电子技术 分布式风力发电中的电力电子技术 风力发电另一个发展方向是小型化 分布式 一种具有能量存储功能的分布式发电系统中的每个风力机组 通过整流器将发出的电能送到挂有蓄电池组或者超级电容的直流母线上 然后通过集中逆变将电能送往电网 由于直流母线电压相对稳定 为了达到风力机组的最大功率跟踪 整流器一般采用电流源输出结构 变速恒频风力发电中的其他电力电子技术 变浆距系统中的电力电子技术 在变桨距风力发电机组采用转子电流控制技术 可