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风力发电变流器技术


姚文熙 2012/2/28

风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器

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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器

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通过变换器控制并网电压,当满足并网要求时并网。 低于额定风速时跟踪最大功率,获得最大风能 高于额定风速,运行在风力机额定功率,获得稳定功率输 出。

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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 风力发电变流系统框图 变流 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器

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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 双馈发电机变流器系统 机变流器系 直驱发电机变流器系统 网侧变流器

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3.1 原理
? 根据风力发电的特点,发电机工作在特定的功率下。

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电机控制器
? ? ? ? 控制转子电流 控制转速 控制发电功率 控制定子功率因素

网侧变换器
? 控制并网电流 ? 保持直流母线电压 ? 控制转子功率因素

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并网控制
? 当电机空载运行至额定转速时,进入并网控制模式 ? 通过给定转子电压,控制定子电压等于电网电压 ? 当定子电压稳定等于电网电压后,执行并网操作

功率控制
? 并网成功后,切换到功率控制模式 ? 根据风速,计算发电机的功率(也可通过最大功率跟踪 获得) ? 建立磁场定向,实现稳态运行

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电网电压 定子电压 定子电流 直流电压 控制信号 转子电流

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id = ia cos θ + ib cos(θ ? 2π / 3) + ic cos(θ + 2π / 3)
iq = ?ia sin θ ? ib sin(θ ? 2π / 3) ? ic sin(θ + 2π / 3)

如果将坐标系d轴与磁链 的方向一致,那么通常 情况下d轴电流可以用来 控制磁链,q轴用来控制 转矩

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将旋转DQ坐标的D轴坐标和定子磁链方向相同

定子磁链的幅值保持不变,忽略定子电阻

此时,定子侧的有功,无功功率表达式:

由于定子电压为电网电压,因此可以认为功率只和电流成比例
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首先通过转子电压控制转子电流

转子电流和定子电流的关系,ims为磁化电流

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转子电压控制转子电流时,DQ轴有耦合

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功率给定

功率, 根据定 子采样 计算

解耦项,与转 差速率相关

定子磁链角度 转子角度

电流采样

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计算获得转差角 计算获得磁化电流

转子位置检测

计算获得转差

定子电压、电 流采样

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3.13 双馈电机的并网控制

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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 电机变流器系 网侧变流器

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关键技术: 关键技术:
– 网侧滤波 – 锁相同步 – 电流控制

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IGBT逆变器 LCL滤波器 电网接口

? 功率器件少,易系统集成 ? 双向转换 滤波器设计复杂 电流控制较复杂 直流电压高

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L滤波器
? 一阶系统,控制简单 ? 电流高频衰减差 ? 电流跟踪速度慢

LC滤波器
? 滤波效果受电网阻抗 影响

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LCL滤波器(最常用方法)
? ? ? ? 高频衰减好 体积小 容易谐振 三阶系统,控制复杂

Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH

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LCL滤波器的阻尼
? 抑制谐振 ? 高频衰减减小 ? 损耗增加

Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Uab = 380V Udc = 650V Po = 5kW fc = 12.5kHz
20 功耗(W) 15 10 5 0 0 2 4 6 阻尼电阻(Ω) 8 10

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LCL滤波器设计原则:
? 滤波电感Lf:根据逆变器纹 波电流。 ? 滤波总电感量Lf+Lo:根据电 流的跟踪速度。 ? 滤波电容:根据无功容量要 求。 ? 阻尼电阻:损耗,高频衰减, 谐振抑制 ? 滤波器截止频率。(Hz)

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5.4.电压型三相并电网同步方法 5.4.电压型三相并电网同步方法
典型PLL锁相环设计: 典型PLL锁相环设计: PLL锁相环设计 鉴相器, 鉴相器,Phase Detector (PD) 低通滤波, 低通滤波,Loop Filter (LF) 压控振荡器, 压控振荡器,Voltage Controlled Oscillator (VCO)

vSa vSb v Sc

[T ]
dq

vSd

? vSd ≡ v S

vSq

? ω

? θ

1 s

? θ

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常规控制框图
Gc = K p (s + z) s
s2 + s

R 1 + L LC H iL = 2R 2 + ) sL( s 2 + s L LC
Lf=Lo=L Cf=C Rc=R KiH=1

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z=2500
2.5 x 10
4

Root Locus

2

Imaginary Axis

PI控制积分常数的设计 ? 增加一个极点在原点处 ? 增加一个零点在横轴上。
x 10 2
4 Root Locus

2 1.5 1

R 1 s +s + L LC H iL = 2R 2 sL ( s 2 + s + ) L LC

0.5 0 -0.5 -1 -1.5
-2 -2.5 -20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

z=5000
1
2.5 x 10
4

Real Axis

z=10000
2.5 x 10
4

Root Locus

Root Locus

Imaginary Axis

2

2

0 -0.5
Imaginary Axis

1.5

1.5
1

1
0.5 0 -0.5 -1

Imaginary Axis
-2 -1.5 -1 Real Axis -0.5 0 0.5 x 10
4

Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1

0.5 0 -0.5 -1

-2 -8000
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-1.5

-1.5
-2

-2

-4000
Real Axis

0

2000

-2.5 -2.5

-2.5 -2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Real Axis

34

0.5 x 10

1
4

PI控制比例系数设计 ? 通过根轨迹z=2500
2 Imaginary Axis
x 10
4

Root Locus

Phase (deg) Magnitude (dB)

x 10

4

Pole-Zero Map

Bode Diagram Gm = -Inf dB (at 0 rad/sec) , Pm = 73.4 deg (at 8.08e+003 rad/sec) 100 0 -100 180 0 -180 2 10
3 4 5

1 0 -1 -2 -6000

Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
Imaginary Axis

2

1

-4000

-2000

0

10

10

10

Real Axis

Frequency (rad/sec)

2
0

2 1 0 -1 -2

1 0
-1

-1 -2

-2

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0

0.005

0.01

0.015

0.02

-8000

-4000 Real Axis

0

2000

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PI控制比例系数设计
通过根轨迹z=5000
x 10
4

Root Locus

2
2

Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
Imaginary Axis 0 1

Imaginary Axis

Lf = 1mH

Phase (deg) Magnitude (dB)

x 10

4

Pole-Zero Map

Bode Diagram Gm = -Inf dB (at 0 rad/sec) , Pm = 68.1 deg (at 1.1e+004 rad/sec) 100 0 -100 180 0 -180 2 10
4 6

1 0 -1 -2 -15000

-10000

-5000

0

10

10

Real Axis

Frequency (rad/sec)

2
-1

2 1 0 -1 -2

1 0

-2

-1 -2

-10000 Real Axis

0

5000

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0

0.005

0.01

0.015

0.02

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常规PI控制面临的问题:
? 谐振点的影响 ? 低频增益

Bode Diagram 60 40 Magnitude (dB) 20 0 -20

Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1

Ki H = eTi s
Phase (deg)

-40 90 0 -90 -180 -270 2 10

Ti=1/12500 Kp=5 z = 2500

10

3

10 Frequency (rad/sec)

4

10

5

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谐振点的影响
? 带宽 ? 稳定性
Bode Diagram 80

Lf = 1mH
Magnitude (dB)

60 40 20 0 -20

Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1

Kp=20 Kp=10 Kp=5

Ki H = e

Ti s
Phase (deg)

-40 90 0

z = 2500 Ti=1/125
00
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-90 -180 -270 2 10

10

3

10 Frequency (rad/sec)

4

10

5

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对电网干扰的抑制
I as (s) HiL = U g (s) 1 + Gc HiL

z = 2500 Kp=5 Kp=10 Kp=20

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