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全功率风机变流器介绍


全功率风机变流器介绍
一、全功率变流器控制原理
全功率风力发电系统主体电路结构,如图 1 所示。发电机的输出端连接变流 器的机侧,变流器的网侧输出经升压变后,连接电网。

图 1 全功率风力发电系统主体电路结构。 随着风速的变化, 发电机的转速也变化,因此发电机输出的电压幅值和频率 是变化的, 而电网的电压幅值和频率是恒定的。为了将发电机输

出的频率和幅值 变化的交流电送入到电网, 变流器起到中间纽带环节的作用。首先将发电机输出 的交流电经机侧变流器部分整流成直流电, 再经由网侧变流器部分逆变成交流电 送入电网。 图 2 为全功率风力发电功率控制原理图,风机总控依据当前的风况,通过变 桨和偏航控制叶片吸收的机械能,获得发电机的转矩量。然后将转矩量值下发给 变流器。变流器根据总控下发的转矩指令,控制对发电机电能的抽取,从而控制 并网电流大小。
转矩指令 并网电流

风机总控

变流器

送入电网电能

总控依据当前 风况,下发发 电机转矩指令。

变流器响应转矩 指令,控制并网 功率。

图 2 功率控制原理图 对于机侧的变流器部分, 在无速度传感器控制技术的基础上,采用基于定子 电流定向的复合矢量控制技术,实现最大转矩电流比矢量控制的控制性能。图 3 为发电机的控制矢量图。

?f
?s

if ?

?

e0

?
us

?

is Rs is

jid?s Ld jiq?s Lq

q

?s

d is

q is

d

图 3 发电机控制矢量图 对于网侧的变流器部分,采用电流解耦控制技术及并网电流对称控制技术。 通过对并网电流的解耦,将并网电流分解为有功电流、无功电流单独控制,实现 有功功率和无功功率的控制。 同时为实现三相并网电流的对称控制,将负序的有 功电流和无功电流控制为零。控制结构框图如图 4 所示。
网侧变流器
ia udc ua

电网
ub

ib
ic
p iq

uc

θsp
SVPWM

DDSRF -SPLL

θsp

i i i

n q p d n d

u u u u
g_q +?

p q n q p d n d

DDSRF -SPLL

θsp
udc
PI
p* id

+ + + +

u α _p

V

p

p* iq

PI

dq

uβ_p
uα_n
dq
uβ_n

??

Vg_d p

+? +?

? p ? iq
p id

* ? udc

Vg_q

n

PI

?? ?? ??

Vg_d n

PI
n iq

n* iq ?0
n* id ?0

??

+?

PI
n id

图 4 网侧变流器控制框图 根据机侧变流器主体电路及控制策略,进行建模分析。图 5 为机侧变流器的 主体电路结构,图 6 为转换为数学模型的机侧控制框图。

idc

P

Sa

Sb

Sc
PMSG

A C(0.25pu)

Vdc (2.7pu)
Sa

B C

Sb

Sc

N

图 5 机侧变流器主体电路结构

1/ Kpwm

uq( d )(r)
uq( d )?
?

T*

f ( x)

* iq (d ) ?

?

1 Ts s ? 1

kp

?i s ?1 ?i s

? ?

Kpwm

1 Lq( d ) s ? Rs

iq( d )

kPWM ? 1.56pu k p ? 0.3 pu ? i ? 0.8pu

Ts ? 0.08pu

图 6 机侧变流器控制数学模型框图 根据网侧变流器主体电路及控制策略,进行建模分析。图 7 为网侧变流器的 主体电路机构,图 8 为为转换为数学模型的网侧控制框图。
idc P

Sa

Sb

Sc i1a
L1(0.90pu)

A

i1a i1b i1c

uca ucb

i2a i2b
ucc i2c

L2(0.40pu)

ea eb ec
0

Vdc (2.7pu)

C(0.25pu)

B C

Sa

Sb

Sc

ica icb icc
Cf(0.008pu)

N

图 7 网侧变流器主体电路结构

I1* (s)

1 Ts s ? 1

kp

?i s ?1 ?i s

?kPWM

V (s)

VL1(s)

1 L1s ? R1
1 Cf s
1 L2s ? R2
I Cf (s)

I1 (s)

kPWM ? 1.56pu kd ? 0.32pu Td ? 0.079pu ? ? 0.3 k p ? 0.12 pu ? i ? 0.3pu Ts ? 0.08pu

kd

Td s ? 1 ?Td s ? 1

VCf (s)

e(s)

VL2 (s)

I 2 (s)

图 8 网侧变流器控制数学模型框图 全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略如图 9 所示。图中,DDSRF-SPLL (Decoupled Double Synchronous Reference Frame SPLL)为双同步坐标系软件 锁相环,实时检测电网电压的正负序分量角度 ?s 和 ?sn 。在正常情况的直驱机组
p

发电运行时, 机侧变流器实现功率外环和电流内环控制,在实时跟踪给定发电功 率控制的前提下, 实现无速度传感器矢量控制和定子电流的最优控制;网侧变流 器实现直流电压外环和桥臂并网电流的内环控制, 在恒定直流支撑电压等于设定 值的前提下,实现桥臂 d、q 轴正序电流 idp 、 iqp 和负序电流 idn 、 iqn 的解耦控制和 电网电压的前馈控制,实时保证并网电流三相对称控制。
uu uv uw iu iv iw

机侧变流器

撬棒 电路

网侧变流器
udc

ia ib ic

ua 电网 ub uc

发电机

机侧电流的内环控制 abc dq 无速度传 感器控制 发电功率 计算
?s ?
usd isd usq isq

? ?
??
i

i

* sd

PI
* sq

??

?usd

θsp
SVPWM
?s

PI

? ?

?usq

θsn

SVPWM

DDSRF -SPLL

usq isq

usd isd

Pem

机侧变流 PI 器功率 ? 外环控制
P
* em

Bang-Bang控制: udc>udc_max, 有触发信号 udc<udc_min, 无触发信号

θsp
+ uα_p + + +
* udc

θsn
Vq
p?

i i i i

p q n q p d n d

p uq n uq p ud n ud

DDSRF -SPLL

θsp
PI

θsn
udc
* ? udc

?
Vg_q Vg_d p Vg_q n Vg_d n
p

udc
* Qg

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dq Vd
p?

g_q +?

V

p

p* iq

PI

uq ud

uβ_p

Vg_d p

+? +?

? p ? iq
p ?? id

转矩 给定

T

* em

功率给定 计算

?

k?

* u*

udc

u u u u

p q n q p d n d

Pem

usd usq

直流电压 协同控制

uα_n

Vq
??

n?

Vg_q n Vg_d
n

PI

网侧变流器 直流电压 p* id 外环控制
n* iq ?0
n* id ?0

PI
n iq

?? ??

uβ_n

dq Vd

n?

+?

PI
n id

桥臂并网电流的 正负序内环控制

图 9 全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略

二、SVG 退出运行时,全功率风机变流器运行情况
当高压无功功率补偿器退出运行时,全功率变流器是能够正常运行的,前 提是总控工作正常,电网运行在合适的设定范围,满足变流器设计的工作范围 内, 即高压侧不能超过760VAC, 低压正常运行时, 不低于690×0.8=552V。 LVRT 时除外。

三、全功率风机变流器的无功控制原理
全功率风机变流器的网侧部分能够起到并网无功功率调节作用。 图 10 为三 相电压型 PWM 变换电路, 对此进行工作模式分析。通过对网侧电流控制可以实现 四象限运行。

图 10 三相电压型 PWM 变换器 上图中,Ua表示A相交流电源电动势矢量,Va表示交流侧电压(即桥臂中点 对电网中点的电压)矢量,Ia表示交流侧电流矢量,ULa表示交流侧电感电压矢 量。以电网电动势矢量为参考时,通过控制交流电流矢量即可实现PWM变换器的 四象限运行。PWM变换器四象限运行规律如图11所示。

图 11 PWM 变换器交流侧矢量关系 (1)电压矢量 Va 端点在圆轨迹 AB 上运动,如图 11(a)所示。 PWM 变换器 运行于整流状态。从电网吸收有功及感性无功功率。在 A 点运行时,PWM 变换器 从电网只吸收感性无功功率。 (2)电压矢量 Va 端点在圆轨迹 BC 上运动,如图 11(b)所示。PWM 变换器运 行于整流状态。从电网吸收有功及容性无功功率。当 PWM 变换器运行在 B 点时, 则实现单位功率因数整流控制; (3)电压矢量 Va 端点在圆轨迹 CD 上运动,如图 11(c)所示。PWM 变换器运 行于有源逆变状态。向电网传输有功及容性无功功率。当 PWM 变换器运行至 C 点时,PWM 变换器从电网吸收容性无功功率。 (3)电压矢量 Va 端点在圆轨迹 DA 上运动,如图 11(d)所示 PWM 变换器运 行于有源逆变状态。 向电网传输有功及感性无功功率。 PWM 变换器运行至 D 点时, 便可实现单位功率因数有源逆变控制。 通过控制交流侧电流矢量 Ia,来控制变流器的运行状态。对于机侧的变流 器,主要在圆轨迹 ABC 上运动,工作于整流模式,将发电机输出的电压整流成直 流电。对于网侧的变流器,主要在圆轨迹 CDA 上运动,工作于有源逆变模式,

将直流电逆变成交流电,送入电网,同时能够实现无功功率调节。 对于交流侧电流矢量的控制,采用解耦控制,将交流侧电流矢量分解成有 功电流、无功电流单独控制,实现有功功率和无功功率的控制,控制原理如图 4 所示。 变流器可实现感性和容性无功调节,在正常运行时,提供的无功功率可达到 额定功率的40%。无功功率的调节特性由总控决定,根据当前的电网电压值,可 实现单台机组调节或统一调度调节。

四、风力发电机组在低电压穿越时功率输出特性。
直驱风力发电系统中, 电网电压的瞬间跌落会导致网侧变流器输出功率的减 小, 如果机侧变流器仍旧实时响应总控转矩信号,能量的不匹配将导致直流母线 电压, 这就势必会威胁到网侧与机侧变流器功率器件如开关管、直流支撑电容的 寿命和运行可靠性,因此为瞬间释放发电机馈送到电网的能量,需要网侧、机侧 变流器协调控制撬棒卸荷电路动作,保证系统的平稳投切和稳定运行。同时依据 要求提供一部分的无功功率支持。 在发生低电压穿越时, 变流器输出的功率与电网电压跌落的深度和总控下发 转矩值有关。由于变流器功率器件的过载能力有限,并网电流大小受到限制,当 电网电压跌落时,电流维持一定值时,跌落深度越深,并网功率越小。变流器并 入电网的有功功率由机侧决定,总控下发转矩越小,并入电网的功率越小。 同时,考虑到无功功率支持的要求,在发生低电压穿越时,除了正常的有功 电流送入电网外, 还需要送入电网一部分无功电流,以变流器额定电流为限制条 件, 在发生低电压穿越时,无功电流满足 I q _ ref ? I N 2 ? I d 2 。及投入电网的视在电流 值不超过变流器的额定电流值。


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