第8章_电力电子

1、风电场电气系统风电场电气系统制作人：制作人：朱永强朱永强, , 田军田军华北电力大学华北电力大学风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术28 8 风电场中的电力电子技术风电场中的电力电子技术 v8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础v8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器v8.3 8.3 无功补偿与电压控制装置无功补偿与电压控制装置风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术31. 电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术模拟电子技术数字电子技术应用于电力领域，即使用电力电子器件对电能进行变换与控制2. 电

2、力电力交流电（常用）直流电（不常用）太阳能光伏发电 ；电铁的牵引机车火电厂、水电站、风电机组；各种电动机 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.1 8.1.1 电力电子技术简介电力电子技术简介风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术4 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.1 8.1.1 电力电子技术简介电力电子技术简介交流电交流电直流电直流电电压频率电压频率3. 电力电子电力电子 设备作用设备作用转换转换电源电源输配电网输配电网用电设备用电设备转换转换转换转换电压频率电压频率无功补偿、电压控制无功补偿、电压控制风电场电

3、气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术5 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.2 8.1.2 电力电子器件电力电子器件半导体器件电真空器件电力电子器件不可控器件：电力二极管（Power Diode） 半控型器件：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 全控型器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 电力场效应晶体管（MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO） 风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术6 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.3 8.1.3 变流技术变流技术电力变换 整流：交

4、流变直流（AC-DC）逆变：直流变交流（DC-AC） 斩波：直流变直流（DC-DC） 变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC） 实现实现实现实现实现直流斩波器逆变器变压器、变频器移相器整流器风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术7 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制PWM控制的理论基础是控制的理论基础是面积等效原理面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。其效果基本相同。这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波

5、形图上的面积；效这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波形图上的面积；效果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。 风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术8 风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术9 8.1 8.1 电力电子技术基础电力电子技术基础 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制图8-7 用矩形脉冲序列等效正弦波形 图8-8 正弦波的两种PWM波形风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术10 8.1 8.1 电力电子技术基础电

6、力电子技术基础 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制PWM波形生成方法 计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination） 调制法跟踪控制法风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术118.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器8.2.4 风电机组并网换流器的总结风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术12图8-12 带有并网换流器的直驱式风

7、电机组示意图 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.1 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器直驱式永磁同步机组的并网换流器风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术13(a) 发电机侧为不可控整流(b) 发电机侧为可控整流图8-13 直驱式风电机组并网换流器的常见设计方案(c) 发电机侧为不可控整流Boost升压 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.1 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器直驱式永磁同步机组的并网换流器风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术14图 8

8、-14 交流励磁双馈式风电机组结构示意图 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.2 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器交流励磁双馈式机组的并网换流器风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术15v 双向换流器的电网侧和电机侧两个部分，都用可控器件实现，均采用PWM控制方式，因此又称为双PWM变流器。双PWM变流器的主电路结构如图8-15所示。 图8-15 双PWM型变换器主电路结构图 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.2 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器交流励磁双馈式机组的并网换流器风电场电气

9、系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术16v 无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接连接电网；另一个称为控制绕组，通过双向换流器连接电网。其作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，并网换流器也要求是双向换流器。v 其容量也仅为发电机容量的一小部分，类似于交流励磁双馈式风电机组的并网换流器。除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又提高了运行的可靠性。 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.3 8.2.3 无刷双馈式

10、机组的并网换流器无刷双馈式机组的并网换流器风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术17v （1 1）容量）容量v 双馈型系统的变流器容量（相当于转差功率）一般只占发电机组额定功率的30左右，体积和重量较小，因而具有较低的成本。直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的容量需要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而具有较高的成本。v （2 2）结构）结构v 直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间，功率输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入电网。因此可以考虑采用低成本的不控或半控器件。 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.4 8.

11、2.4 风电机组并网换流器的总结风电机组并网换流器的总结风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术18v 交流励磁双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电流所在的转子绕组之间。v 无刷双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电流所在的定子控制绕组之间。两种双馈式系统，变流器中的功率流动都要求是双向的，因此要求按双向变流器设计，即两侧变流器都应采用全控器件，实现双PWM控制。 8.2 8.2 风电机组并网换流器风电机组并网换流器 8.2.4 8.2.4 风电机组并网换流器的总结风电机组并网换流器的总结风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中

12、的电力电子 技术技术198.3 无功补偿与电压控制装置无功补偿与电压控制装置8.3.1 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求风电场的无功和电压控制需求8.3.2 8.3.2 静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)(SVC)8.3.3 8.3.3 静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM)(STATCOM)风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术20 8.3 8.3 无功补偿与电压控制装置无功补偿与电压控制装置 8.3.1 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求风电场的无功和电压控制需求v 随着风速的变化，风电机组的发电功率和电压频率也会发生变化，这个很容

13、易理解。实际上，风电的间歇性、随机性，不仅对频率和有功有影响，还会对电压和无功产生影响。v 风电场常用的无功补偿设备，主要有三大类：并联电容器，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）。风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术21v 静止无功补偿基于电力电子技术及其控制技术，将电抗器与电容器结合起来使用，能实现无功补偿的双向、动态调节。实际上，SVC是一类设备的统称，常见的几种基本形式如图8-17所示。 8.3 8.3 无功补偿与电压控制装置无功补偿与电压控制装置 8.3.2 8.3.2 静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)(SVC)TCR

14、TCTTSCSRTCRTCTTSCSRTCRTCTTSCSR图8-17 几种典型SVC结构示意图风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术22v STATCOM的主电路一般都由电压源型逆变器（VSI）和直流电容组成，如图8-19所示。 8.3 8.3 无功补偿与电压控制装置无功补偿与电压控制装置 8.3.3 8.3.3 静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM)(STATCOM)图8-19 STATCOM的基本构成风电场电气系统风电场电气系统风电场中的电力电子风电场中的电力电子 技术技术23v 优点：v STATCOM具有更好的出力特性。在低电压时，表现为定电流特性，无功功率只随电压的降低按一次方关系下降。v STATCOM采用PWM控制，具有更快的响应特性。v STATCOM中，无功调节不是通过控制容抗或感抗的大小实现的，无需直接与系统连接的电容器或电抗器，不存在系统谐振问