全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略

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 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 5.1.2同步发电机 5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 5.2全功率变流器风电机组变流器 5.2.1电机侧变流器控制策略 5.2.1电网侧变流器控制策略 5.1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，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。例如：额定功率为 5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使

2、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岀了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重 量及摩擦磨损也在增加。作为另外一种选择，风力发电机可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环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有功功率，并将功率通过直流环节 送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变换器接受

3、 通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。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。 5.1.2同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。同步发电机主要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，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。转子的 作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。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直流励磁系统，另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。发电机容量大时

4、，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子 转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。磁极有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。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转 子将承受很大的离心力，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 当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，在定子绕组中感应出三相对称的交 120 电角度。这个交 流电势。由于定子三

5、相对称绕组在空间上相差120,因此三相电势也在时间上相差 流电势的频率取决于电机的极对数p和转子转速n,即 由于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，图给岀隐极同步发电机的等效电路。图中，E0为发电机空载时定子绕组一相感应的电 动势，I为负载电流，U为一相端电压， R为定子绕组一相的电阻，Xc为同步电机的同步电抗。通常定子 绕组的电阻比同步电抗小很多，因此可以忽略。图为忽略电阻后隐极同步发电机简化的相量图。U和I之 间的夹角叫做功率因数角。E0和U之间的夹角 二叫做功率角。 隐极同步发电机的等效电路与简化的向量图 攻角特性： 在忽略电枢电阻的情况下，根据电机学理

6、论，同步发电机输岀的电磁功率等于输岀的有功功率 其中，m为发电机的相数。 经推导，有功功率表达式为 对于并联于无限大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，在恒定励磁电流 条件下，根据上式可知，隐极式同步发电机输岀的电磁功率与攻角d的正弦成正比。 这可以通过下图所示的攻角特性曲线描述。当u和E0不变时，由Pm二f(v)画岀的曲线称为攻角特性 曲线。当r - 90 时，隐极发电机输岀的电功率最大。 图攻角特性 有功功率的调节 由式Pm =UI cos-sind可知，对于一台并联到无限大电网上的同步发电机，如果想增加发电机 Xc 的输岀有功功率，当励磁不作调节时，就必须增大功率

7、角d。功率角的物理意义可以从时间和空间两个角度 来进行理解。对于发电机而言，v是励磁电动势 E0超前于端电压U的时间角；从空间上，二可看作转子磁 极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角。因此，增大功率角意味着必须增加来自原动机的输入功率， 使转子加速，从而使功率角增大，从而增大发电机的有功功率。但需注意，v : 90 区域是发电机稳定工 作范围，因此功率角的增加不能超过稳定极限90 ，如果再增加来自原动机的输入功率，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，还有感性负载和容性负载，所以一个电力系统除了要能提供负载 有功功率外，还要有提

8、供和调节无功功率的能力。通过改变同步发电机的励磁电流，可调节同步发动机输岀 的无功功率。 当COS=1时，定子的电流 I最小，这种情况称为负载时的正常励磁。在正常励磁基础上增加励磁电 流，称为过励。在正常励磁基础上较少励磁电流，称为欠励。无论增大和减小励磁电流，都将使定子电流增 大。发电机输岀的无功功率可通过Q=mUlsin描述。在正常励磁时，发电机只输岀有功功率。过励时， 电枢反应为去磁作用，定子电流I落后于端电压 U，发电机除了向电网发岀有功功率外，还向电网发岀感 性无功功率。欠励时，电枢反应为增磁作用，定子电流I超前于端电压 U，发电机除了向电网发岀有功功 率外，还向电网发岀容性无功功率

9、。 5.1.3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 外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动，转子在外围旋转。在下图中展示了内定子的构造，内定子 由硅钢片叠成，与常见的外定子相反，其线圈槽是开在铁芯圆周的外侧。 内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底座上，在底座上有转子轴承孔用来安装外转子的转轴。 在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是按三相规律分布，与外定子绕组类似。 外转子如同一个桶套在定子外侧，由导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定有永久磁铁做成的 磁极，这种结构的优点是磁极固定较容易，不会因为离心力而脱落。 按多极发电机的原理，磁极的布置如下图 把外转子转

10、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轭直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成一体，使结构更紧凑。 （2）直驱永磁中间定子盘式风力发电机结构 直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间定 子盘式发电机。下图是一个盘式定子。由于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，在两侧有绕组的嵌线槽。 在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接。 定子铁芯固定在机座的支架上 盘式转子由磁轭与永久磁铁组成，下图为左面转子图 下图为磁极的分布图 右面转子结构与左面转子结构相同，只是反个面而已。

11、下图为左右转子间的磁力线走向图。 为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧面的磁力线走向图。 把转子与定子摆在一起 安装上左右端盖，下图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。 下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。 下图为侧视的剖面图，为看清内部结构隐藏了右转子。 （3）直驱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呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间 转子盘式发电机。下图是一个盘式定子，由于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，所以定子的硅钢片是绕制的，在一侧有绕组的嵌线槽。 在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个绕

12、组呈扇形状。 定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。 转子由永久磁铁组成，磁铁固定在非导磁材料制成的转子支架上，下图是转子的结构图。 每块磁铁的磁极在转子的两面， 下图表示了磁力线在转子与定子间的走向， 下图是转子与定子的布置图 先把左定子固定在左端盖中，再装上转子， 把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定，发电机就组装好了，下图为发电机外观图。 下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图 下图为侧视的剖面图。 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)，通常在转子

13、侧进行直流励磁。使 用EESG相比使用PMSG的优势在于，转子励磁电流可控，可以控制磁链在不同功率段获得最小损耗；而 且不需要使用成本较高的永磁材料，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需要为励磁绕组提供空间，会使电机尺寸更大，转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。 永磁同步电机的数学模型 定子电压方程为 其中，Usd、Usq分别为定子 d、q轴电压分量；isd、isq分别为定子 d、q轴电路分量；Rs为定子电阻； Ld、Lq分别为定子d、q轴自感；为转子角速度；为转子永磁体的磁链最大值。 电磁转矩方程为 其中，p为电机的极对数。 忽略附加损耗后的功率平衡方程

14、为 其中，Fe、R、Ps分别为电机的电磁功率、输入功率和输入功率；PFe、 Pm、 Pcus分别为电机的铁耗、 机械损耗和定子铜耗。 电磁功率与电磁转矩的关系为 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口，作用非常重要，既要对风力发电机进行控制，又要向电网 输送优质电能，还要实现低电压穿越等功能；随着风力发电的快速发展和风电机组单机容量的不断增大， 变流器的容量也要随之增大，因此大容量多电平变流器也开始得到应用，以下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，典型的永磁直驱变速恒频风电系统中，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

15、，能量可以双向流动。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，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最 大风能捕获功能。电网侧PWM变流器通过调节网侧的 dq轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的 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量。背靠 背双PWM变流器是目前风电系统中常见的一种拓扑，国内外对其研究较多，主要集中在变流器建模、控制 算法以及如何 提高其故障穿越能力等方面。国外公司如ABB、Alstom，国内公司如合肥阳光电源等，均有 这类变流器产品。 对直驱型

16、风电系统，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 Correctio n, PFC)，提高发电机的运行效率，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，在额定风速以下具有最大风能捕获功能。 图2不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑 随着风电机组单机容量的不断增大，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式后，可以在常规功率器件耐压基础上，实现高电压等级，获得更 多级（台阶）的输岀电压，使波形更接近正弦，谐波

17、含量少，电压变化率小，并获得更大的输岀容量。图3 是直驱风电系统中三电平背靠背双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，并额外增加了箝位二极管；直流侧电容由两个完全一样的电容串联组成，电容的中点作为变换器的 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用目前已经比较成熟，对 其的研究很多，主要集中在控制策略的优化上。目前，世界范围内从事大功率风力发电用变流器和高压变 频器研制的一些公司，都有多电平的产品方案；ABB用于风力发电的变流器如acsIOOO，整流器采 用12脉 冲二极管整流，逆变器采用三电平NPC结构，器件采用IGCT; S

18、IEMENS也有相似的应用，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，另外还基于IGCT开发岀 了飞跨电容型五电平变频器。 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Ls = Ld =Lq，则定子方程变为 根据上式可以构成电机侧变流器的电流环控制图，如下图所示。由于定子直轴电流、交轴电流不但受到 各自控制电压 Usd和Usq的影响，还要分别受到交叉耦合电压-Lsisq、丄sisd汀 的影响。因此，在电机 的电流环控制中，除了要对直轴电流和交轴电流分别进行闭合积分控制，从而得到相应的控制电压分量usd 和Us

19、q以外，还要分别加上交叉耦合电压的补偿项-丄sisq、丄sisd，最终分别得到直轴控制电压和交 轴控制电压Usd和Usq。 为了更好地控制转矩（或有功功率），还应在电流环之外加上转矩环（或功率环）。由于=Lq，而且采用 i sd =0的控制方式，所以电磁转矩表达式变为 当保持电机转速不变时，可以通过控制定子交轴电流分量来控制电磁转矩，从而进一步实现对电机输出 有功功率的控制。 带有有功功率控制外环的电机侧变流器的控制框图如图所示。由于在后面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，就可认为发电机发

20、岀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，发电机输岀的功率是通过间接检测电网侧变流器输入到电网的功率来近似获取的。 521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各开关元件工作，其交流侧电压除了正 弦基波外，也存在一些高次谐波。但由于有电感的滤波作用，使得高次谐波电压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。在以下的分析中，将不考虑交流侧电压和电流谐波 在电网看来，电网侧变流器相当于是一个可控的三相交流电压源，图3.6为其基波等效电路。图中， Uga、Ugb

21、、Ugc分别为电网的三相电压，“+、一”代表规定的正方向(下同)；Rg、Lg分别为变流器交流 侧的电阻和电感；iga、igb、igc分别为交流侧三相电流，其正方向规定如箭头所示(下同)；Vga、Vgb、Vgc 分别为交流侧三相电压。变流器的工作状态将由它们共同决定。 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为 式(3.7)对应的相量图如图3.7所示。其中，图3.7(a)表示电网侧变流器工作于逆变状态，有功功率从变频 器输入电网；图 3.7(b)表示电网侧变流器工作十整流状态，有功功率从电网输入变频器。 从图3.7也可看岀，通过调节电网侧变流器的交流侧电压Vg的幅值和相位

22、，就可以控制电流Ig的大小 及其与电网电压 Ug之间的相位角:，从而让变流器工作在不同的运行状态: (1)单位功率因数逆变运行。交流侧电流与电网电压之间的相位角为180，变流器与电网之间没有无 功功率的传递，有功功率从变流器输入电网。 (2) 单位功率因数整流运行。交流侧电流与电网电压同相，变流器与电网之间没有无功功率的传递，有 功功率从电网输入变流器。 (3) 静止无功发生器运行状态。当，90时，变流器与电网之间仅有无功传递，相当于一台静止的无 功发生器。 (4) 其他运行状态。当=(090 )时，变流器从电网吸收有功功率和滞后的无功功率；当;：=(-90 0)时，变流器从电网吸收有功功率和

23、超前的无功功率；当;：=(90 180 )时，变流器向电网输岀有功功率 和超前的无功功率；当=(-180 -90 )时，变流器向电网输岀有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，当电网需要无功补偿时，它可以方 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有要求，可按功率因数为1进行控制，从而降 低变流器的容量要求和投资。这也是双PWM变流器与其它变流器相比所具有的优点之一。 (2)电网侧变流器的数学模型 为了对电网侧变流器进行有效的控制，首先必须建立其数学模型。如果用开关来表示变流器的各个电力 i相(i二a,b,c)的开关函数表 电子器件

24、，则电网侧变流器的主电路可用图3.8所示的简化模型来表达 为了推导方便，引入开关函数来表达各相电力电子器件的导通状态。第 达式为 Sip导通 Sin导通 (3.8) 由图3.8,根据基尔霍夫电压和电流定律，可以写岀以下方程 Uga - Rgi ga Ugb - Rgigb Ugc - Rgi gc diga _ LgVga dt digb - Lg Vgb dt 丄弧二Vge g dt g (3.9) dude CSaiga Sbigb Seige - iL dt 式中，C为直流测电容，iL为负载电流。 图3.8电网侧变流器主电路的简化模型 用V（n,0表示直流侧负极性端n与电网中性点之间的电

25、压；V（ga,n）、V（gb,n）、V（ge,n 分别表示变流器交流 侧各相对n端的电压。则变流器交流侧各相对电网中性点的电压分别为 Vga -V ga,nV n,0 二 V gb,nV n,0 =V ge,nV n,0 (3.10) 根据平均状态空间法，可知在一个调制周期内应有 -Saude I V ga,n Vgb，n -SbUde V ge,n - ScU (3.11) de 式中，Ude为变流器直流侧电压。 假设电网的三相电压是对称的，应有 vgaVgb Vgc - ( 3.12) 将式（3.11 ）、（ 3.12）代入到式（3.10）中可得 3 再将式（3.10）、（ 3.11 ）、

26、（ 3.13）代入到式（3.9）中可得 V（n,0）Ude（ 3.13 ） diga Lg dt =_Rgjga -Sa SaSbSc udc uga diga Lg dt =_Rgjga -Sa SaSbSc udc Uga (3.14) diga Lg dt 二-Rgiga -Sa SaSbSc Udc Uga dUdc dt Sai gaSbigbSci g _ i L 式中（3.14）就是电网侧变流器在 ABC坐标系下的高频数学模型。将其写为矩阵形式可得 dt digb dt digc dt dUdc Iga Rg igb Jgc丿 iga Sb Udc + Ugb 6丿 lUgc 丿

27、 (3.15) 2 SbSc Xigaigbigc )- iL Uga cosQgt +)1 Ugb = Ugm cos( gt120) （3.16） ?gc _ 1 1 cos(8gt+120) T dt 设电网三相电压对称，可以表达为 式中，Ugm为电网相电压的幅值； g为电网的电角频率; 为电网A相电压的初始相位角。 由电网电压的瞬时值可以得到电网电压的空间矢量为 r 2 U g - &(UgaUgbeUgce .2 二 -i 3 )( 3.17) 如果把d-q坐标系的d轴方向选为电网电压的空间矢量方向, q轴方向超前d轴90,则有 Ugd = U gd 如果d-q坐标系的d相电压初相角

28、与 A相的相等, 3U gm (3.18) 则由 ABC 三相静止坐标系到d-q同步旋转坐标系的变 换矩阵为 (3.19) dq0 2 COS tcos(t - 2 二 / 3) cos( t 2 /3) Cabc = I 3 ILsin ，t-sin(，t -2- /3)-sin(，t 2二 /3) 式中，为d-q同步旋转坐标系的角频率。 于是有 igd = cABC i gq Sd ga Igb igc （3.20） -cABC I SaSbsj （3.21） 将式中（3.19）、（ 3.20 ）、（ 3.21）代入到式（3.15）中，可得 d-q同步旋转坐标系下电网侧变流器的 数学模型为

29、 digd Lg 亠=Rg i gd * O g Lg i gq Sd Udc * Ugd dt digq L = RJLidSud+u （ 3.22） -gu1 Vgq Wgi-gigd7qUdcugq dt =Sdigd +Sqigq L dt 而d-q同步旋转坐标系下变流器的交流侧电压为 Ngd = Sd udc （3.23） Vgq - SqUdc 把式（3.23）代入到式（3.22 ）中，并且只取前两个方程式，可得 digd Vgd = - Rg ig _ Lg g Lg igq ugd （dt（ 3.24） digq v= -R i 一 L L i d + u gq %gq g dt g ggd gq 而在d-q同步旋转坐标系下，由电网侧变流器输入到电网的有功功率和无功功率分别为 11-Ugdi gd - Ugqigq -Ugd igd g g gg g （ 3.25） Qg -Ugdigq - Ugqig _ Ugdi gq 很显然