永磁风力发电机全功率变流器

1、第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略5. 1全功率变流器风电机组的工作原理25. 1. 1全功率变流器风电机组传动链形式25. 1.2同步发电机25. 1. 3永磁同步风力发电机结构及特点55. 1.4电励磁同步风力发电机结构及特点155.2全功率变流器风电机组变流器165. 2. 1电机侧变流器控制策略175. 2. 1电网侧变流器控制策略195. 1全功率变流器风电机组的工作原理5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶怏度逐渐増加而转速降低。例如: 额泄功率为5MW的风电机组桨叶长度趙过60米，转子额定转速为lOipm左右。当发电机

2、 为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连， 机械齿轮箱变速比应为150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造 提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增人时，其尺寸、巫彊及摩擦磨损也在増加。作 为另外一种选择，风力发电机町以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。全功率变流器是一种由直流坏节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。这两 个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。发电机侧变换器接受感应发电机产生的仃 功功率，并将功率通过直流环卩送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用來通过感应发电机 的定子端对感应发电机励磁

3、。电网侧变换器接受通过直流环廿输送來的令功功率，并将其送 到电网，即它平衡了直流环廿两侧的电H“根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制 功率因数或支持电网电压。現力机多极永嵐发电机图21直驱永碣同步风电机组结构图5. 1.2同步发电机发电系统使用的同步发电机绝人部分是三相同步发电机。同步发电机主耍包括定子和转 子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，宙泄子铁芯、三和电枢绕组和起支撑 及固定作用的机朋组成。转子的作用是产生一个强俺场，并H可以由励磁绕组进行调节，主 耍包括转子铁心、励磁绕组、滑坏等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流 发电机作为励磁电源的ri流励磁系统，另

4、一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整 流励磁系统。发电机容磺人时，一般采用整流励礎系统。同步发电机是一种转子转速与电枢 电动势频率z间保持严格不变关系的交流电机。同步发电机的转子阜木上定一个人的电磁帙。磁极仃凸极和隐极两种结构。凸极转子结构和加工比较简单，制造成本低。中小容战电机一般采用凸极以降低成本；对人容臥高转 速原动机，高速旋转的发电机转了将承受很人的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。同步发电机转子结构示意图卅转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。原动机拖动转子旋 转时，主磁场同转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场。该磁场对定子发生相对运动，在 定子绕组

5、屮感应出三相对称的交流电势。由J：定子三相对称绕组在空间上相差i2(r，因此 三和电势也在时间上相差120°电角度。这个交流电势的频率取决电机的极对数P和转子 转速“，即rfl我国电网电源频率为50Hz.发电机的转速必须保持恒定。根据电机理论，图给出隐极同步发电机的等效电路。图屮，©为发电机空我时定子绕组-相感应的电动势，/为负载电流，"为一相端电压，R为定子绕组一相的电阻，Xc为 冋步电机的冋步电抗。通M定子绕组的电阻比冋步电抗小很多，丙此可以忽略。图为忽略电 阴后隐极同步发电机简化的相骯图。uiz间的夹角卩叫做功率因数角。和/之.间的 夹角&叫做功率角

6、。隐极同步发电机的等效电路与简化的向就图攻角特性，在忽略电枢电阻的情况卜，根据电机学理论，同步发电机输出的电磁功率等r输出的令功功率PM =mUI cos(p其中，加为发电机的相数。经推导，冇功功率表达式为PM =(7/cos° = sin&对丁并联J无限人电网上的同步发电机，发电机的端电压U即为电网电压，保持不变, 在怕定励俺电流条件卜，根据上式町知，隐极式同步发电机输出的电磁功率与攻角0的正弦 成正比。这町以通过卜图所示的攻角特性曲线描述。当(/和E。不变时，由=/*(&)画出的曲线 称为攻角特性曲线。肖& = 90°时，隐极发电机输出的电功率垠

7、儿有功功率的调节由式耳二Scose = 3sin&可知，对丁一台并联到无限人电网上的同步发电机，如果 Xc想增加发电机的输出冇功功率，、耳励磁不作调节时，就必须增人功率角& ,功率角的物理惫 义可以从时间和空间两个角度来进行理解。対r发电机而言，&是励磁电动势&超前端 电斥的时同角；从空间上，0町看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线z间的空间 角。因此，増人功率角盘味着必须增加來门原动机的输入功率，使转子加速，从而使功率角 增人，从而增人发电机的仃功功率。但岛注意，<90 区域是发电机稳定工作范刖，因此 功率角的增加不能超过稳定极限90 ,如果再增加來口

8、原动机的输入功率，则无法建立新 的平衡，电机转速将继续上升而失速。无功功率的调节接到电网上的负载，除了阻性负载外，还仃感性负载和容性负载，所以i个电力系统除 了嘤能提供负我令功功率外，还耍有提供和调无功功率的能力。通过改变同步发电机的励 碗电流，町调节同步发动机输出的无功功率。当cos=l时，泄子的电流/垠小，这种惜况称为负载时的止常励磁。在止常励磁庶础 上增加励磁电流，称为过励。在止帘励磁垄础上较少励磁电流，称为欠励。无论增人和减小 励磁电流，都将使泄子电流增人。发电机输出的无功功率可通过0 = /n(sin°描述。在正常励磁时，发电机只输出冇功功率。过励时电枢反应为去磁作用，定子

9、电流j落后丁端电 压旷，发电机除了向电网发出仃功功率外，还向电网发出感性无功功率。欠励时，电枢反 应为增磁作用，定子电流/超前r端电斥"，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网 发出容性无功功率。5.13永磁同步风力发电机结构及特点(1) 直驱式外转子永磁风力发电机结构夕卜转了电机的特点是泄子在靠轴中间不动，转子在外用旋转。在卜图屮展示了内泄子 的构造，内定子由硅钢片令成与常见的外定子相反，其线圈槽是开在铁芯陨I周的外侧。内定子铁芯通过定子的支撐体固定在底座上，在底座I:冇转子轴承孔用来安装外转子的转轴。定子铁芯定子支撑体底座转子轴承26. comt在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组.

10、绕组是按三相规律分布与外定子绕组类似。外转了如同一个桶套在定子外侧，山导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定仃水久磁铁做成的做极，这种结构的优点是做极尚定较容易，不会I大I为离心力血脱落。把外转子转轴安装在定子机座的轴承上在实际风力机制造中往往把外转子磁轆直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成一体,使 结构更紧凑。（2）fl驱永磁屮间定子盘式风力发电机结构驱永磁盘式风力发电机的定了与转子都呈平面圆盘结构，定了与转子轴向交替排列， 这里介绍中间定子盘式发电机。卜图是一个盘式定子，由盘式发电机通过定子绕组的的磁 力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在两侧冇绕组 的嵌

11、线槽。在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接。定子绕组定子铁芯 定子铁芯固定在机廉的支架上盘式转子由磁舰与永久磁铁组成，卜图为左而转了图转子磁碗转子支架 com卜图为磴极的分布图左转子磁朝右转子磁觌右面转子结构与左面转子结构相同.只是反个面血已。卜图为左右转子间的幽力线走向 图。:永久磁铁126. com磁力线WW为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧而的磁力线走向图。子硏乾把转子与定子摆在一起安装上左右端盖，卜图为组装好的永磁屮间定子盘式发电机。F图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。定子決芯右端盖pengk庭座机架VW.定子绕组左端盖左转子右转子卜图为侧视的剖啲图，为看洁内部结

12、构隐藏了右转子。（3）削k永磁中间转子盘式风力发电机结构盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都昱平而圆盘结构，定子与转子轴向交替排 列，这里介绍中间转子盘式发电机。卜图是-个盘式定子，由丁盘式发电机的通过定子绕组 的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以泄了的硅钢片是绕制的，在-侧仃 绕纟II的恨线槽。 在定了线槽内分布着定了绕组，按三相布宣，单个绕组呈扇形状。定子有两个.右定子与左定子结构一样，只是反个面I何已。转了宙永久磁次组成，磁诙固定在非导磴材料制戌的转了支架上，卜图是转子的结构图。毎块应铁的礎极在转子的两面,巒 2 S1NI IN SS：N醪 卜图表示了磁力线在转子与泄子间

13、的走向,子铁芯wjk/.cn左定子彳转子磁铁力线卜图是转子与定子的布置图左定子先把左定子固定在左端盖屮，再装上转子,樹 把右定子固定在右端孟中左右端盖抑紧固定，发电机就组装好了，卜图为发电机外观 图。卜图为中间转子盘式永磁发电机的剖血图左定子右端盖右定子左定子绕组右定子绕组F图为侧视的剖面图金5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点电励磁同步发电机(Electrically Excited Synchronous Generator. EESG),通常在转 侧进 行肖流励俺。使用EESG t!l比使用PMSG的优势在-，转子励磁电流可控，町以控制磁链 在不同功率段获得最小损耗；而且不盂要使用成

14、木较高的永磁材料，也避免了永磁体失磁 的风险，Enercon公司主要经营这类产品。但是EESG盂要为励礎绕组捉供空间，会使电机 尺、J更人，转子绕组苴流励磁需耍滑环和电刷。永磁同步电机的数学模型定子电压方程为% Wd譽-叫円% = R打+ £鲁+叫M + 3屮 其中，"/、“旳分别为定子d、q轴电压分最：打、0分别为定子d、q轴电路分最；&为 定子电阻；Ld、分别为定子d、q轴自感；血为转子角速度；0为转子永磁体的磁链最 大值。电磁转矩方程为刀=卩(0旳+ (厶/_£)4嘉)其中，p为电机的极对数。忽略附加损耗后的功率平衡方程为Pe=PlPFePm匕=Pc

15、_PzIt中，乡、片、&分别为电机的电磁功率、输入功率和输入功率；Px 卩刑、Pg分别为 电机的铁耗、机械损耗和定子铜耗。电磁功率与电礎转矩的关系为5.2全功率变流器风电机组变流器电力电子变流器作为风力发电与电网的接II,作出非常晅耍，既耍对风力发电机进行控 制，乂要向电网输送优质电能，还要实现低电斥穿越等功能：随着风力发电的快 速发展和 风电机组单机容吊的不断增人，变流器的容駅也要随Z增人，因此人容昴多电平变流器也开 始得到应用，以卜将对一些典型变流器拓扑结构进行讨论。从图1中可以看到，典型的水磁直驰变速恒频凤电系统中，采用背靠背双PWM变流 器，包括电机侧变流器与电网侧变流器，能杲

16、町以双向流动。对PMSG直驱系统，电机侧 PWM变流器通过调节定子侧的dq轴电流，实现转速调节及电机励磁与转矩的解耦控制， 使发电机运彳j在变速恒频状态，额定风速以FJWfAi人风能捕获功能。电网侧PWM变流器 通过调节网侧的dq轴电流，保持苴流侧电床稳定，实现令功和无功的解耦控制，控制流向 电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态，还要提高注入电网的电能质帚，背旅背双 PWM变流器是前风电系统中常见的一种拓扑，国内外对苴硏究较多，主耍集屮在变流器 建模、控制算法以及如何捉高其故障穿越能力等方而。国外公司如ABB、Alstom,国内公 司如合肥阳光电源等，均佇这类变流器产品。対在驱熨风电系统

17、，变流器拓扑的选择较多。图2是不控整流+boost变换器+逆变拓扑 结构，通过boost变换器实现输入侧功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)提I'nj发电 机的运行效率，保持直流侧电压的稳定，对PMSG的电磁转矩和转速进行控制，实现变速 恒频运行，在额定风速以卜识冇最人风能捕获功能国外Enercon公司的宜驱风电系统 c82(2mw)、国内介肥阳光电源的小熨并网风力机变流器使用这种拓扑。图2不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑随看风电机组单机容鼠的不断增人，风电变流器的电压与电流等级也在不断提高，因此 多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方

18、式厉，nJ以在常规功率器件耐压咸 础上，实现高电压等级，获得更多级（台阶）的输出电压，使波形更接近正弦，谐波含彊少, 电用变化率小，并获得更人的输出容吊:。图3是宜柴风电系统中三电'卜背靠背双PWM变流 器拓扑，与两电平双PWM变流器相比，功率器件和电容增加了一倍，并额外増加了箝位二 极管：11流侧电容由两个完全-样的电容串联组成，电容的屮点作为变换器的箝位点，由 网侧变换器保持直流侧两个电容的电压均衡。这种结构在风电中的应川目前U经比较成熟, 对其的研究很多，主要集中在控制策略的优化上。目前，世界范由内从爭人功率风力发电 用变流器和高压变频器研制的一吐公司，都冇多电平的产品方案：AB

19、B用风力发电的变 流器如acslOOO,整流器采用12脉冲二极竹整流，逆变器采用三电平NPC结构，器件采用 IGCT： SIEMENS也仃相似的应用，功率器件采用高压IGBT：法国ALSTOM公司采用飞 跨电容型四电平拓扑,功率器件采用IGBT,另外还基JTGCT开发出了 E跨电容型五电平 变频器。电网图3三电平背靠背双PWM变流器结构5.2.1电机侧变流器控制策略令L,=J=Lq,则定子方程变为di.% = Rj$d + 厶-一讥% at% = Rq +厶于+ "厶B +（呼dt根据上式可以构成电机侧变流器的电流环控制图如卜图所示。由于定子直轴电流.交 轴电流不但受到各门控制电压和

20、“即的影响，还耍分别受到交叉耦介电压-祖也，、 叫小呼的影响。因此，在电机的电流坏控制屮，除了要对直轴电流和交轴电流分别进 行闭合枳分控制，从而得到相应的控制电压分战和”冈以外，还要分別加上交叉耦介电压 的补偿项-曲、coL +a）y/ ,最终分别得到宜轴控制电斥和交轴控制电斥叫孑和。电机侧变换器图3.1电机侧变流器的电流环控制柜图为了更好地控制转矩（或有功功率），还应在电流环Z外加上转矩环（或功率坏）。由J：L严Lq,而且采用打=0的控制方式，所以电磁转矩衣达式变为Te = PWjq当保持电机转速不变时，可以通过控制定子交轴电流分最来控制电磁转矩，从而进一步 实现对电机输出冇功功率的控制。帯

21、仃仃功功率控制外坏的电机侧变流器的控制框图如图所示。由丁在后而对电网侧变流 器进行控制时，要求它保持直流侧电压稳定，因此直流侧电容器的充放电对有功功率的影响 很小。如果再进一步忽略变流器本身的功率损耗，就町认为发电机发出的有功功率经过电机 侧和电网侧变流器后会被全部送入电网。因此 在图3.2中，发电机输出的功率是通过间接 检测电网侧变流器输入到电网的功率來近似获取的。图32电机同变滄器的控制柿图It机仙变换曙电刚傅交«5. 2.1电网侧变流器控制策略(1) 电网侧变流器的基本工作原理电网侧变流器的主电路为三相桥式结构，采用脉宽调制方式控制乂开关元件工作，梵交 流侧电压除了止弦基波外，

22、也存在一些高次谐波。但由电感的濾波作用，使得高次谐波 电床所产生的谐波电流很小，所以电网侧变流器的交流侧电流波形比较接近正弦。在以卜的 分析中，将不考虑交流侧电压和电流谐波在电网看來，电网侧变流器相当丁是个町控的三相交流电压源，图3.6为其取波等效 电路。图中，%、"其分别为电网的三和电压，“+、一”代表规定的正方向(卜同): 人、厶分别为变流器交流侧的电阻和电感分别为交流侧三相电流，其正方 向规定如箭头所示(卜同)；%、%、唏分别为交流侧三相电压。变流器的丁作状态将由它 们共同决定。图3.6电网侧变流器的交流側竽效电路当电网侧变流器稳态运行时,由图3.6可知任意一相的电压平衡方程式

23、为式(3.7)对应的相彊图如图3.7所示.其屮，图3.7(a)衷示电网侧变流器工作J：逆变状态,有功功率从变频器输入电网：图3.7(b)表示电网侧变渝器1作十整流状态，有功功率从电网输入变频器。从图3.7也可看出，通过调节电网侧变流器的交流侧电床的幅值和相位，就町以控制电流人的人小及其与电网电压Z间的相位角卩，从而让变流器工作在不同的运行状态:(b)整流状态图3.7电网侧变流器稳态运行相城图(1)单位功率因数逆变运彳亍。交流侧电流与电网电压Z间的和位角0为180。，变流器与 电网Z间没月无功功率的传递，有功功率从变流器输入电网。(2) E位功率因数整流运行。交流侧电流与电网电压同相，变流器与电

24、网Z间没冇无 功功率的传递，仃功功率从电网输入变流器。(3) 静止无功发生器运行状态。当0=90°时，变流器与电网Z仙仅有无功传递，相当 一台静止的无功发牛器。(4) 兀他运行状态。当卩=(090° )时，变流器从电网吸收仃功功率和滞后的无功功 率：当F=(-90°0)时，变流器从电网吸收仃功功率和超前的无功功率；当卩=(90°180° ) 时，变流器向电网输出幻功功率和超前的无功功率；当0=(-180°-90')时，变流器向电 网输出冇功功率和滞后的无功功率。可见，电网侧变流器能够灵活控制输入到电网的无功功率。一方面，

25、9;号电网盂耍无功补 偿时，它町以方便地提供相应的无功功率：另一方面，如果电网对无功功率没仔要求，町按 功率因数为1进行控制，从而降低变流器的容最耍求和投资。这也是双PWM变流器与其它 变流器相比所貝冇的优点(2)电网侧变流器的数学模型为了对电网侧变流器进彳J：有效的控制，旨先必须建立其数学模型。如果用开关來农示变 流器的备个电力电子器件，则电网侧变流器的主电路町用图3.8所示的简化模型来表达。a p负 伐为了推导方便，引入开关函数來表达并相电力电子器件的导通状态。第i相（Zb,c） 的丿I关函数农达式为S®导通几导通(3.8)由图3.8,根据基尔霍夫电压和电流定律可以写出以卜方程d

26、iu R i 厶=vg Ka g dt ta ugbRgigb Lg= %(3.9)c 警= Sh+Sh+S®-iL式屮，C为直流测电容，匚为负我电流。图3.8电网侧变流器主电路的简化模型用°）表示直流侧负极性端n与电网中性点之何的电压；洛对、匕“）、匕“）分别表示变流器交流侧并相对n端的电斥。则变流器交流侧并相对电网屮性点的电压分别为%=弋心）+匕.0）S =也）+ %.0） >=VUc.n）+V（H.O） 根据平均状态空间法，可知在一个调制周期内应有怙”）= S%匕,）=(3.10)(31)式屮，U&为变流器直流侧电压。假设电网的三相电压是对称的，应仃将式

27、(3.11). (3.12)代入到式(3.10)中可得S + S” + S%0)=一 % (3.13)再将式(3.10)、(3.11)、(3.13)代入到式(3.9)中可得di L- = -Ri g dt ggadidiJS Z + Sfv a3 丿_ sj+wX3 丿 osz + s八一 »一(3.14)C警叫+恥+S&Hat式中(3.14)就是电网侧变流器在ABC坐标系卜的高频数学模型。将It写为矩阵形式< 21ndt/ 、I333(S、f、udi.=-&£a121&adtJb333% +%112&丿宀丿Idk 333 J=(

28、87; Sb Sc)(iga(3.15)设电网三相电压对称，”以表达为cos(叫/ + a)Ugbcos(%r + a-120)Utc_cos(呼+ a+120)(36)式中，U站为电网相电压的幅值；乞为电网的电角频率：a为电网A相电斥的初始相 位角。由电网电压的瞬时值可以得到电网电压的空间矢量为。厂(3.17)如果把dq坐标系的d轴方向选为电网电斥的空何矢炭方向，q轴方向超前d轴90,则(3.18)如果d-q坐标系的d相电压初相角与A相的相等，则山ABC三相静止坐标系到g同 步旋转坐标系的变换矩阵为(3.19)2 cos 61 cos(0f - 2龙/3) cos(0r + 2/r/3)3

29、-sinfijr -sin(6<-2/3) -sin(6< + 2-T/3)式中，"为dj同步旋转塑标系的角频率。 于是有=C绘iga“ (3.20)SdSqSb Scf (3.21)将式中(3.19). (3.20). (3.21)代入到式(3.15)中,町得d«q同步旋转坐标系卜电网 侧变流器的数学模型为di.Lg- = -R& + qLjgq-Sd% + Ugd di盂=一心凹一叫 Sd 一(3.22)c=SdW而dq同步旋转坐标系卜变流器的交流侧电压为gd=Sd% 小“、<(3.23)% = s出把式(3.23)代入到式(3.22)中,并且只取前两个方程式,可得di.V = Sd 一 L* 十叫 gq + Ugddt(3.24)di而在dy同步旋转坐标系卜由电网侧变流器输入到电网的佇功功率和无功功率分别为Pg =