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变流器在双馈风电系统中的应用


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技雍薯癌?变流器在双馈风电系统中的应用 上海电器技术(2008№.2)

变流器在双馈风电系统中的应用
卢国家 上海输配电股份有限公司技术中心

摘要:变流器作为一种能量转换器,广泛地应用于国民经济各部门、各领域。由于使用了变流器,

使得发电机、 传输电力的电网以及用电设备都有可能选择最合适的工作电压,安全而经济地运行。双馈式(DFIG—Doubly
Induction Fed.

Generator)变速恒频风力发电机组具有可减少功率变流器容量,有功、无功功率独立调节,柔性并网等多

种特点,成为MW级变速恒频风力发电机系统并网发电的主流。通过对变流器在双馈风电系统中的理论分析,验 证了变流器在实际应用中的有效性和可靠性。 关键词:变流器双馈发电机风力发电应用

Applications of Back—tO—back Converters in Wind Power System based
Abstract:The
converter

on

Doubly Fed.I nduction Generator
device
to

is widely used

as



transfer energy in many national economy
can

al屯a8.With the

converter.

generators,power networks and other electric devices

operate

at

the optimal working voltage

with safety and low

costs.

Doubly Fed.induction generator is currently the most popular DFIG is that it transfers partial power size one.It enables the generator
to

technology in wind power system.The main advantage of
converter

through the converter,which makes the

smaller compared

with the full—
to

capture the maximum wind power

and

permits active

and

reactive

power

regulate in?

dependently.This paper describes the principle using converters in show that
converters

DFIG wind

power

system and the experimental results

work effectively

and

reliably.

Keywords:converter

doubly Fed.induction generator(DFIG)

wind power generation

application



简介

(2)能吸收阵风能量; (3)可实现发电机和电力系统的柔性连接。 1.3无冲击电流并网控制

1.1变速恒频发电机系统 变速恒频风力发电技术是20世纪末发展起来 的新型发电技术。它将空气动力学、电机传动、电力

变速恒频发电机组关键的核心技术之一是无冲
击电流并网控制,也是机组能够顺利运行的前提条 件。由于较大容量(MW级)的风电机组大都从国 外进口,价格昂贵,因此掌握大型风电机组电气控制 的关键技术和电气控制系统装备生产技术,对于我 国具备大型风电机组的自主开发能力、提高国产化 率、降低成本都有重要的意义。变速恒频发电机系
一1一

电子技术有机地结合在一起,通过矢量控制技术和
微机信息处理技术对发电机进行控制,以获得一种 全新的、高质量的电能方式。 1.2变速恒频运行方式的优点 (1)风能转换效率高;

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上海电器技术(2008№.2) 变流器在双馈风电系统中的应用?技市毫髓

统的主要技术参数见表1。
表1主要技术参数 风力发电机组额定功率/kW


转速低于同步转速时,转子绕组从电网吸收电能;当 转子转速高于同步转速时,转子绕组向电网送出电
500

能,即转子功率双向流动。 (3)交流励磁。转子电流完全受控,为发电机 提供励磁所需的无功电流,并部分参与转子有功功 率交换;转子电压、电流为转差频率,须经变流器稳 压后才能接入电网。 2.4双馈异步风力发电机组中的整流器

额定电肜V
电网频率/Hz 励磁电流/A 最大励磁电流/A 变频器容量/kVA 直流电压(卒载)/V 列步转速/rpm 额定转速/rpm 运行范嗣/rpm 功率因数


690±lO%
50±2

490 560 600
l loo

(1)拓扑结构。交一直一交流电压型变流器由
两个共用直流环节的背靠背三相桥式整’流/逆变器 组成,可实现变频、变压和功率双向流动。 (2)控制方式。发电机侧变频器采用定子磁场 定向矢量控制,通过两者之间的协调控制,保持直流 母线电压恒定,町实现发电机的有功功率和无功功



680



800

080~l 960

0.95感性变化至0.95容性

2风电系统主要设备功能介绍
2.1

率之间的解耦控制。 (3)电压调制。空问电压矢量正弦波脉宽调 制。

双馈感应风力发电机组中的风力机 (1)变速。在额定风速下,风力机转速随风速

变化;除此之外,由发电机电磁转矩调节风力机的转 速。 (2)变桨,完成风力机的起停。在额定至切出 速段调桨,以保持风力机输出功率恒定;除此之外, 由液压或动伺服系统调桨。’ (3)偏航。各种风向、风况下的偏航对风、解 缆,由电动伺服驱动随动系统来保证机组运行中的 最佳迎风角的目的。 (4)制动、刹车。快速停车,有电磁、气动和机 械等多种形式。 2.2双馈异步风力发电机组中的传动机构 升速齿轮箱。保证风力机与高速发电机之间的 转速匹配。 2.3双馈异步风力发电机组中的发电机 (1)异步发电。当电机转子处于同步转速 上、下的一定转速范围内,电机皆可运行于发电状 态。 (2)双端口馈电。发电机定子绕组直接向电网 送出电能,转子绕组经变频器与电网连接。当转子
一2一

3变速恒频发电机系统
3.1

同步发电机交一直一交流系统
由于同步发电机可随风轮转变转速旋转,产生

频率变化的电功率,而电压町通过调节电机的励磁 电流进行控制。首先,发电机发出频率变化的交流 电通过了相桥式整流器整流成直流电,然后通过线 路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电 网。 .变流器中的电力电子器件可以采用二极管 (zP)、晶闸管(SCR)、町关断晶闸管(GTO)、功率晶 体管(GTR)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。其 中,除二极管只能用于整流电路外,其他器件都能用 于双向变换,即当交流变换成直流时,它们起整流器 作用;而由直流变换成交流时,它们则起逆变器作 用。 设计变流器时,最重要的考虑是换向。换向就 是当一组功率半导体器件从导通状态关断时,另一 组器件则从关断状态导通。在变速系统中可以有两

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技布毫题?变流器在双馈风电系统中的应用

上海电器技术(2008№.2)

种换向,即自然换向(又称线路换向)和强迫换向。 当变流器与交流电网相连时,换向时利用电网电压 反向加在导通的半导体器件两端使其关断,这种换 向称为自然换向。而强迫换向则需要附加换向器件 (如电容器等),利用电容器上的充电电荷,按极性 反向加在半导体器件上强迫其关断。换向设计所采 用的器件很关键,一般风力发电变速恒频发电机系 统常用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。当给栅极施加 正偏信号(脉冲电压10一15 V),即提供了基极电 流,使其打开导通;给栅极施加反偏信号(脉冲电压
一5

开关变换器中的半导体器件是脉宽调制 (PWN)方式,就是利用高频三角波和基波正弦波的 交点来控制半导体的开关时刻,如图1所示。这种 开关方法的优点是:得到的输出波形中谐波含量小,

且其处于较高的频率,比较容易滤掉,因而能使谐波
的影响降到很小。这是半导体器件越来越常用的开 关控制方法。

同步发电机和交一直一交流变流器组成的变速
恒频发电系统如图2所示。其优点是发电效率高, 缺点是由于变流器处于系统的主回路,因此容量较 大,选用的电子器件IGBT电流大、电压高,因而成 本比感应发电机高。

V),即基极电流为零,使其关断而截止,以此调

节输出电压的大小,达到稳定的目的。

田1脉宽调制(P99M)原理

啊2同步发电机交一直一交漉系统

一3一

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上海电器技术(2008No.2) 变流器在双馈风电系统中的应用?技求毫曩

3.2双馈发电机交一直一交流系统
双馈发电机的结构类似于绕线型感应电机,其 定子绕组直接接人电网,转子绕组由1台频率、电压

一种将频率变换成另一种较低频率的电力变换装
置,其半导体开关器件采用线路换向。为了获得较 好的输出电压和电流波形,输出频率一般不超过输 入频率的1/3。由于电力变换装置处在发电机的转 子回路(励磁回路),其容量一般不超过发电机额定 功率的30%。

可调的低频电源(一般采用交一直一交流变频器)
通过控制半导体器件IGBT,以脉宽调制方式控制发

电机励磁。如图3所示。系统中所采用的变流器是

Converter

系统中的发电机可以超同步运行(转子旋转磁
场方向与机械旋转方向相反,旋转速度n:为正)。 在超同步速运行情况下,除定子向电网馈送电力外, 转子也向电网馈送一部分电力;在次同步速运行情 况下,定子在向电网馈送电力的同时,需要向转子馈 送部分电力,因此变频器必须具有能量双向流动功 能。双馈发电机励磁控制需要采用双PWM变流器

抗器,可对线路短路电流和电网的谐波干扰具有显
著的抑制作用。 风力发电发输出的交流电压为690±10%V, 通过IGBT元器件组成的三相桥式整流控制、调节 输出直流电压,经直流电容电路背靠背连接在一起 的电压源逆变器(IGBT元件),控制双馈发电机励 磁,使发电机定子输出50Hz的交流电压690 V,由 箱式变电站就近升压10 电。 3.3设计和使用时的注重点 1)IGBT模块的设计和选型
kV/35

(交一直一交流),如图4所示。
双馈发电机系统由于电力电子变流装置容量较 小,故适合大型变速恒频风力发电系统。但是,变流

kV给负荷中心供

器的交流线上必须接人具有滤波功能的三相交流电
..4—.

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技雍毫盈?变流器在双馈风电系统中的应用

上海电器技术(2008No.2)

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PWM控制

圈4双PWM变流器(交—直一交流)结构图

(1)电压的承受力。 (2)在实际可能的冷却条件下,电流的承受力。 (3)允许的安全工作区域。无论在静态或动态 运行过程中,参数表中给出的最大额定截止电压、峰 值电流、结温(正常运行温度jcmax=125℃)均不得 超过。因为当IGBT模块的温度发生变化时,其内 部所有的连接会产生老化现象,直接导致疲劳而发 生故障。 2)并网连接流程 变频器预充电完毕一转速达到一定值一满足载 荷要求一功率调节一并网一自动运行。 3)变频器运行期间可能产生过温 (1)初次投入运行,系统进行自诊断。

级风力发电的主流机型。

(2)现有功率半导体器件IGBT容量水平已能
构造出MW级变速恒频DFIG变流器。

(3)由于采用交一直一交流结构,直流母线电
容使两变换器实现了解耦,可相对独立地分别控制 而不会相互干扰。对电网故障有较强的适应能力,

可有效地保护发电机转子侧过电压。 4结语 随着风力发电机单机容量的增加,在追踪最大
风能的运行中,通过分析比较,双馈发电机是实现变 速恒频发电的最佳选择。由于变流器可靠,有良好 的输出性能,尤其是改善了输入性能,故有现实的工 程应用价值,也是目前国内外商品化变速恒频双馈 风力发电机组应用变流器的优选方案。 参考文献 [1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工
业出版社,2002.
一5一

(2)冷却系统的故障。
(3)由故障电流引起的功耗增加。 (4)由驱动器故障引起的功耗增加。 3.4采用双PWM型变流器的优势 (1)电路简单、对称,性能可靠,是三相变流器 控制技术中应用最成熟的技术之一,也是目前MW

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