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 略全功率变流器风电机组的工作原理 全功率变流器风电机组传动链形式 同步发电机 永磁同步风力发电机结构及特点 电励磁同步风力发电机结构及特点 全功率变流器风电机组变流器 电机侧变流器控制策略 电网侧变流器控制策略 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 5MW 风力 发电机通过交流方式直接与额定频率为 50

2、Hz 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 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。 电网侧变换器接受通过直流环

3、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局部是三相同步发电机。 同步发 电机主要包括定子和转子两局部。 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应励磁的整流

4、励磁系统。 发电机 容量 大时，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拟简单，制造本钱低。中小容量电 机一 般采用凸极以降低本钱；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

5、出三相 对称的交流电势。由于定子三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 120电角度。这个交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， 图给出隐极同步发电机的等效电路。图中，E&0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， X c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。 E&0 和U&之间的夹角叫做功率角。隐

6、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， 根据电机学理论，同步发电机输出的 电 磁功率等于输出的有功功率其中，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 式同步发电机输出的电磁功率与攻角的正弦成正比。这可以通过下列图所示的攻角特性曲线描述。当U和Eo不变时，由Pm f ()画出的曲线称为攻角特性曲线。当90。时，隐极发电机输出的电功率最大图 攻角特性有功功率的调节由式 PM UI cos UE0 sin 可知，对于一台并联到无限大电网上的Xc

7、同步发电机， 如果想增加发电机的输出有功功率， 当励磁不作调节时， 就必须增大功率角 。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， 是励磁电动势 E&0 超 前于端电压U&的 时间角；从空间上， 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， 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，那么无 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

8、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 输出的无功功率。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。 在正常励磁根底上增加励磁电流，称为过励。在正常励磁根底上 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。发电机输出的无功功率可通过Q mUI sin 描述。在正常励磁 时，发电机只输出有功功率。过励时，电枢反响为去磁作用，定子电流|&落后于端电压U&，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出感

9、性无功功率。欠励时，电枢反响为增磁作用，定子电流I&超前于端电压U&，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出容性无功功率。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。在下列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

10、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，磁极的布置如下列图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。 下列图是一个盘 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

11、铁组成， 下列图为左面转子图 下列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。 下列图为左 右 转子间的磁力线走向图。为更清楚的看清磁力线走向，下列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，下列图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。 下列图 为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。下列图为侧视的剖面图，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。 下列图是一个 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

12、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，下列图是转子的结 构图。每块磁铁的磁极在转子的两面， 下列图表示了磁力线在转子与定子间 的走向， 下列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，下列图为发电机外观图。下列图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图 下列图为侧视的剖面图。5.1.4

13、 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；而且不需要使用本钱较高的永磁材料，也防止了 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

14、电压分量； isd 、 i sq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为其中，Pe、Pl、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 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 速开展和风电机组

15、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，采背靠背双 PWM 变流器， 包括电机侧变流器与电网侧变流器， 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，

16、 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 Correction, 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

17、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。 国外 Enercon 公 司的直驱风电系统 e82(2mw) 、国内合肥阳光电源的小型并网风力 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根底上， 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，谐波含量少，电压变化率小， 并获得更大的输出容量。 图 3 是直驱风电系统中三电 平背 靠背双 PWM 变流器拓扑，与

18、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 经比拟成熟，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 acs1000 ， 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 ；SIEMENS 也有相似的应用，功率器件采用高压IG

19、BT ；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 开发出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 ，那么定子方程变为 根据上式可以构成电机侧变流器的电流 环控制图，如下列图所示。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 、 Lsisd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usq以外，还要分别加上交叉 耦合电

20、压的补偿项 Lsisq 、 Lsisd，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 Ld Lq ，而且采用 isd =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下图。 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

21、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来近似获取 的。5.2.1 电网侧变流器控制策略 1电网侧变流器的根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 流波形比拟接近正弦。 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，图为其基波等效电路。图中

22、，Uga、ugb、Ugc分别为电网的三相电 压，“ +、 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、i gc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， 由图可知任意一相的电压平衡方程 式为式对应的相量图如下图。其中，图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。从图也可看出， 通过调节电网侧变流器的交流侧电压 V&g 的幅值和 相位，就可以控制电流 I&g

23、 的大小及其与电网电压 U&g 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 有功功率和超前的无功功率；当 =90180

24、时，变流器向电网 输 出有功功率和超前的无功功率；当 =-180 -90 时，变流器向 电网输出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电 子器件， 那么电网侧变流器 的主电路可用图所示的简化模型来表达。为了推导方便，引入开关函

25、数来表达各相电力电子器件的导通状态。第i相i a,b,c 的开关函数表达式为1SiP导通Rgi gadi gaugaLgdtvgadi gbugbRgi gbLgvgbdtuRgigcLg dibcvgcg gcg dtgc0 Sin导通由图，根据基尔霍夫电压和电流定律，可以写出以下方程式中，C为直流测电容，iL为负载电流图 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压；v ga ,n、Vgb,ndudcCSaigaSbigbSci gc i Ldtvgcn分别表示变流器交流侧各相对n端的电压。那么变流器交流侧各相对电网中性点的电压分别为vgav ga,

26、 nv n ,0vgbv gb, nv n,0vgcv gc ,nv n,0Scudga, ndcv gb ,nSbud根据平均状态空间法，可知在一个调制周期内应有式中，Udc为变流器直流侧电压假设电网的三相电压是对称的，应有vga v gb vgc 0()Savn ,0再将式、代入到Sb3ScU dc()中可得dtSaScSbudcuga3SaScSbudcuga3SaSbScudcuga3Sci gc iL将式、代入到式中可得式中就是电网侧变流器在ABC坐标系下的高频数学模型其写为矩阵形式可得diga211dti ga333Saugadi gb121Lg gbRg i gbSb u dcu

27、gbdt333digci gc112Scugcdt333TC dudcSaSbScigai gb i gciLdt设电网三相电压对称，可以表达为UgaCOS( gtUgb U gm COS( gtUgc COS( g t)120)()120)式中，U gm为电网相电压的幅值; 电压的初始相位角g为电网的电角频率;为电网A相由电网电压的瞬时值可以得到电网电压的空间矢量为ugc e3ur 2Ug 3(u ga u gbe3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，那么有ugdurU gd2U3Ugm ougq如果d-q坐标系的d相电压初相角与 A相的相等，那么由

28、 ABC相静止坐标系到d-q同步旋转坐标系的变换矩阵为cdq 0CABCABC2cos t cos( t 2 /3) cos( t 2 / 3)0sin t sin( t2 / 3) sin( t 2 / 3)式中，为d-q同步旋转坐标系的角频率于是有gdgqc dq0CABCgai gbSdcdqOCABCsqSaSbTsc T将式中系下电网侧变流器的数学模型为、代入到式中，可得 d-q同步旋转坐标digdLgdtRgigdg Lgigq Sd udc ugddigqLgdtRgigqg Lgigd Squdc ugqCdtSdi gd Sqigq iL而 d-q 同步旋转坐标系下变流器的交

29、流侧电压为v gd Sd udc vgd Sdudcv gq Squdc把式代入到式中，并且只取前两个方程式，可得vvgdR iLRg igdLgdi gdgd tLg i gq u gdvvgqR iLRg igqLgdigq dtPgugd igdgLgigd ugqQgugdi 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率和无功功率分别为ugq igqugdi gd ugq igdugdi gq很显然，Pg小于0说明变流器工作在整流状态，有功功率由电网流向变流器；而Pg大于0那么说明变流器工作在逆变状态，有功功率由 变流器流向电网。 Qg 小于 0 说明变流器从电网吸收滞后的无