第二部分双馈机组控制

1、风电变流器技术风电变流器技术主讲：张学广Wind Power Group Power Electronics & Electrical Drives Lab风电机组类型：风电机组类型：风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况以变流器为分类标准以变流器为分类标准无变流器：传统鼠笼式发电机直接并网无变流器：传统鼠笼式发电机直接并网部分功率变流器：部分功率变流器： 双馈发电机双馈发电机全功率变流器全功率变流器 ： 永磁发电机，电励磁同步发电机，永磁发电机，电励磁同步发电机，鼠笼式发电机鼠笼式发电机 风电机组类型：风电机组类型：风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况高速型：双馈、全功率高速型

2、：双馈、全功率（发电机体积最小！）（发电机体积最小！）低速型：全功率低速型：全功率（发电机体积最大！）（发电机体积最大！）中速型：全功率中速型：全功率（发电机体积中等！）（发电机体积中等！）永磁发电机与齿轮箱的集成永磁发电机与齿轮箱的集成紧凑、高效紧凑、高效双馈电压型风机变流器拓扑双馈电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况全功率电压型风机变流器拓扑全功率电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况全功率电流型风机变流器拓扑全功率电流型风机变流器拓扑优点：优点：1 1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易

3、）；2 2）由于阀侧电压近似正弦，无需）由于阀侧电压近似正弦，无需du/dtdu/dt滤波器；滤波器； 3 3）良好的短路保护能力和）良好的短路保护能力和LVRTLVRT特性。特性。 缺点：缺点：1 1）功率器件及供货问题；）功率器件及供货问题；3 3）储能电感体积大、增加了损耗；）储能电感体积大、增加了损耗；2 2）系统的动态响应和振荡问题。）系统的动态响应和振荡问题。风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况电流型电流型+电压型的风机变流器电压型的风机变流器优点：优点： 1 1）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗 2 2）次变流器采用电

4、压型拓扑且以低容量实现有源滤波）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波 3 3）较快的动态影响和稳定性）较快的动态影响和稳定性缺点：缺点： 1 1）变流器结构复杂）变流器结构复杂 2 2）控制复杂）控制复杂风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况矩阵型风机变流器矩阵型风机变流器优点优点：无中间储能环节，效率高；功率管的热应力相对较低（与电网频率相：无中间储能环节，效率高；功率管的热应力相对较低（与电网频率相 关），开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；关），开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；du/dudu/du低。低。缺点缺点：采用双向功率器件，且数量较多；：采用双向功率

5、器件，且数量较多； 输入输出耦合，输入输出耦合，FRTFRT性能差。性能差。风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况国外主流风机变流器生产商国外主流风机变流器生产商其中：其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有国内前几位的市场份额等占有国内前几位的市场份额风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ABB ABB 风机变流器风机变流器 一类是应用于双馈发电系统的一类是应用于双馈发电系统的ACS800-67系列（系列（0.85 MW至至3.8 MW） 一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的ACS800-77系列（系列（0.8 MW至至6 MW） 特点：特

6、点： 采用直接转矩控制（采用直接转矩控制（DTCDTC） 三相半桥模块化设计三相半桥模块化设计 全封闭紧凑型设计全封闭紧凑型设计uACS800-67LC 液冷型适用于液冷型适用于3MW 机组的双馈风电变流器机组的双馈风电变流器uACS800-77LC液冷型适用于液冷型适用于5MW 以下机组的全功率风电变流器以下机组的全功率风电变流器u配备有最新的软件和硬件，以支配备有最新的软件和硬件，以支持各个地区的电网法规。如持各个地区的电网法规。如E.ON、R.E.E 和和FERC Order 661风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ABB 风机变流器风机变流器风电变流器及产业概况风电变流器及产业概

7、况 科孚德机电科孚德机电 (Converteam) 前身是法国知名企业阿前身是法国知名企业阿尔斯通尔斯通 (Alstom) 机电部，于机电部，于2005年成为独立公司年成为独立公司 Converteam 中国区总部科孚德机电中国区总部科孚德机电(上海上海)有限公有限公司位于上海市莘庄工业园区内，从司位于上海市莘庄工业园区内，从2005 年发展到年发展到现在已有现在已有110 余名员工，并拥有余名员工，并拥有2000 余平米的生余平米的生产基地。产基地。 风机变流器系列：风机变流器系列： 双馈变流器双馈变流器 (ProWind)：0.5 5MW/690V 低压全功率变流器低压全功率变流器 (MV

8、3000)：15MW/690V 中压变流器中压变流器 (MV7000)：38MW/3300V、6600V 特点：低压系列特点：低压系列采用相桥模块化设计采用相桥模块化设计，产品成熟、，产品成熟、价格较价格较ABB低。低。科孚德机电科孚德机电 (Converteam) (Converteam) 变流器变流器风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况科孚德机电科孚德机电 (Converteam) (Converteam) 变流器变流器风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况科孚德机电科孚德机电 (Converteam) (Converteam) 变流器变流器风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况艾

9、默生网络能源有限公司（美国艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）深圳） 1.5MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-风冷风冷 1.25MW/1.5MW双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷 2MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷 2.5MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷 3MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷 1.5MW 全功率风机变流器全功率风机变流器-风冷风冷风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况艾默生网络能源有限公司（美国艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）深圳）风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况 美国超导公司于美国超导公司于2007 年年9 月月11 日在

10、中国苏州市设立了全日在中国苏州市设立了全资子公司苏州美恩超导有限公司。资子公司苏州美恩超导有限公司。 目前中国公司主要负责生产变流器目前中国公司主要负责生产变流器PowerModule PM1000 和和PowerModule PM3000W 目前向中国客户华锐风电科技有限公司、东方汽轮机厂、目前向中国客户华锐风电科技有限公司、东方汽轮机厂、中国南车时代中国南车时代- 株洲电力机车研究所有限公司，沈阳鼓风株洲电力机车研究所有限公司，沈阳鼓风机集团有限公司和许继集团提供风机的整体设计和电控系机集团有限公司和许继集团提供风机的整体设计和电控系统，包括电力核心部件。统，包括电力核心部件。美国超导公司

11、美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 ） 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 ） . PowerModule PM系列实际上是一种便于快速开发变流器的可编程系列实际上是一种便于快速开发变流器的可编程的核心功率平台（无输入、输出滤波器、的核心功率平台（无输入、输出滤波器、 电气开关等）电气开关等）风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国）（美国） Windtec PM3000W 技术参数一览表技术参数一览表SpecificationsNominal AC Volta

12、ge: 690 VACNominal DC Bus Voltage: 1150 VDCMax. Transient DC Bus Voltage: 1400 VDCPWM Switching Frequency: 3 kHzMax. Continuous AC Phase Current: 750A风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国）（美国） 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况26KVA/KV功率单元变压器冷却风机控制单元尺寸WHD重量：Kg日本安川电机的高压矩阵变频器日本安川电机的高压矩

13、阵变频器风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况双馈电压型风机变流器拓扑双馈电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况双双PWM电能变换器控制目标电能变换器控制目标电机侧电机侧变换器变换器网网 侧侧变换器变换器发电机运行在最优点减少电机侧谐波电流提供恒定的直流电压减少注入电网谐波电流双双 PWM （全功率）电能变换器（全功率）电能变换器协调控制协调控制变频变幅电压变频变幅电压 恒频恒幅电压恒频恒幅电压 交流励磁双馈电机变速恒频运行原理交流励磁双馈电机变速恒频运行原理21fpffm定子电频率、转子电频率和转速对应的频率满足：根据转速相对于同步速之间关系将双馈电机运行区间分为：

14、亚同步速区域 同步速区域 超同步速区域当发电机的转速变化时，即 fm 变化时，若控制 f2 随之相应变化，可保持f1恒定不变，从而实现了双馈电机的变速恒频运行 双馈电机功率传递关系双馈电机功率传递关系有功功率传递关系 pCu2 pCu1 Pem1 Ps Pem2 Pr Pmec pmec pCu2 pCu1 Pem1 Ps Pem2 Pr Pmec pmec s0 亚同步 s0 超同步 双馈电机的功率流程图 11cuemspPP22cuemrpPP12ememsPP定子端功率 转子端功率 双馈电机矢量控制双馈电机矢量控制 电压矢量电压矢量：定子电压和转子电压 电流矢量电流矢量：定子电流和转子电

15、流 磁链矢量磁链矢量：定转子磁链和气隙磁链 可供选择的定向矢量 变速恒频双馈电机风力发电系统中常用的定向矢量有：定子磁链定子磁链、电网电压电网电压，转子磁链、气隙磁链、转子电流、转子感应电动势等。 电网电压相角: 转子位置角:sr重要的角度：重要的角度：双馈电机电网电压定向矢量控制双馈电机电网电压定向矢量控制rs2滑差角滑差角: 电网电压可以直接测量 不受电机参数变化的影响 容易实现与电网电压同步 有功功率无功功率计算简单 有功功率和无功功率的解耦控制电网电压定向矢量控制 01rdmsrqiLUi01rdrefmsrqrefiLUi定子开路 转子电流参考的选择转子电流参考的选择优点优点: 提高

16、补偿精度提高补偿精度 可以加快励磁阶段对定子电压的调整过程可以加快励磁阶段对定子电压的调整过程转子位置不存在误差 0,sqssduUu转子位置角初始误差补偿转子位置角初始误差补偿分段并网并网条件双馈电机分段并网控制策略双馈电机分段并网控制策略定子电压与电网电压满足： 相位相同 幅值相同 频率相同从而可以实现平滑并网 双馈发电机并网控制一般包括： 励磁阶段或者定子电压的建立阶段 双馈电机的并网阶段双环控制双环控制 内环内环 转子电流环转子电流环 外环外环 定子电压控制环定子电压控制环 功率控制环功率控制环并网控制阶段并网控制阶段 转子位置初始误差补偿阶段转子位置初始误差补偿阶段 定子电压建立阶段

17、定子电压建立阶段 双馈电机并网阶段双馈电机并网阶段电网电压定向矢电网电压定向矢量控制量控制 双馈电机分段双馈电机分段并网控制策略并网控制策略双馈电机分段并网控制策略双馈电机分段并网控制策略 Zero_point_Detect Trans.(1) Inv. Trans. (2) Usdref Usqref =0 usq usd + SPWM ird irq R_Cur Controller S_Vol. Controller isd isq Trans.(2) Trans.(1) ira irb isa isb usa usb usc Power Controller switch Power

18、Calculation Psref Qsref usd usq ugb ugc Grid irdref irqref + Controller Com_RPE c s 2 2 r s )/(msLUrdrefi 0rqrefi Trans.(1) ugd ugq uga 实验结果实验结果Stage 1:定子电压建立阶段电网电压(蓝)&定子电压(红)转子电流(红)实验结果实验结果Stage 2:双馈电机并网阶段并网瞬间并网瞬间电网电压(蓝)&定子电压(红红)电网电压(蓝)&定子电流(红红)转子电流(红红)网侧变换器电网电压定向矢量控制网侧变换器电网电压定向矢量控制aebe

19、ceabcaibiciLLidcidcUCRON网侧电流 d轴分量 为有功电流 q轴分量 为无功电流0qdeEe电网电压同步旋转坐标系的d轴按电网电压矢量 定向 E Ediqi网侧变换器电网电压定向矢量控制网侧变换器电网电压定向矢量控制dqabcdqabcSPWMdrefuqrefu-+-+-+qrefidrefidcrefUdcuqidideqeA BC网侧变换器典型控制结构框图采用级联式双环控制结构： 电压外环电压外环：负责直流母线电压的控制，实时地给出内环有功电流的参考值 电流内环电流内环：根据电压环给出的命令，负责实现网侧电流的控制；为实现单位功率因数运行，无功电流参考一般取为零网侧变

20、换器电网电压定向矢量控制网侧变换器电网电压定向矢量控制电流环控制器采用前馈解耦控制：耦 合+dqqrefIPqdqddrefIPdiLiisKKueiLiisKKu)()(电流环控制器PI参数可采用零极点对消的方法进行设计突减负载 (100% 50%)突增负载 (50% 100%)突减网侧进线电压 (100% 50%)突增网侧进线电压 (50% 100%)实实 验验 结结 果果Input currentDC bus voltageDC bus voltageInput current实实 验验 结结 果果Input currentInput voltage网侧单位功率因数运行双馈发电机控制系统设计与实验研究双馈发电机