直驱式永磁同步风力发电变流器

1.3风力发电变流器技术电力电子变流器（系统）是风力发电机组与电网的核心中间环节，堪称风力发电系统的重中之重。在风机控制器的统筹管理下，变流器要实现发电机组的最大风能捕获（MPPT）;同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能，向电网输送高品质电能。并且受限于风电机组的空间尺寸与本钱，变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。这对变流器系统的电磁性能、构造及平安易用性等设计研究均提出了较高要求。1.3.1变流器拓扑与控制以永磁直驱式风力发电系统为例，整个风机系统的控制框图如图1.4所示。其中，变流器的控制主要包括PMSG的（电机侧）PWM整流控制技术与电网侧PWM逆变器控制技术。电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制，实现电机转速调节，使其具备最大风能捕获功能，已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的解辅控制，保持机组运行在变速恒频发电状态；同时，配合输出滤波器来保证电能质量，并对电网故障进展实时检测,以实现LVRT功能气

图1.4风机系统的控制框图对于直驱式风电变流器系统，变流器拓扑常见的有如下几种［3］。图1.5二极管不控整流+逆变S1.6一棍菅£控壑定「BOOST升送十荒登为若若e「j}a■於的

-uTTcAr——-HL7棚校整流十逆交一U（［、中哗亨|咛晔图I一字四泉限全控整流+魅娈A如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器，如图1.8。利用PWM（脉宽调制）技术不但使电流波形得到很好的控制，而且PWM变流器可以四象限运行。采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路，发电机可以在很宽的风速X围内运行，使系统的风能捕获效率得到显著改善。特别是双PWM构造的变流器中，能量可以双向流动，使发电机控制的灵活性得到极大提高，通过采用更多的先进控制策略，极大的提高了系统整体性能。随着可控半导体功率器件技术的不断开展，双PWM背靠背变流器构造得到越来越广泛的应用。1.3.2变流器构造设计正如前文所述，由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件（如风沙、严寒、沿海及海上等），同时受限于变流器有限的安装维护空间，对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛，这就对变流器的构造设计与生产提出了更高要求。尤其对于兆瓦级低压（直流侧电压不大于1100V）大容量风电变流器，由于电压等级并不算太高，变流器通过的额定电流较大.一些在小容量应用场合中无需关注甚至根本不会存在的问题却会成为这类变流器设计的难点及关键，如开关器件的限制，各种连接线、接头及其线路杂散参数的影响,散热系统设计，系统的高效率、低本钱、易于安装与维护等。一般来讲,3MW以下的变流器的设计采用两电平的拓扑较为合理，三电平或多电平构造的设计会使系统本钱增大。为实现高功率密度，变流器容量的扩展可采用假设干功能模块的并联来实现，如假设干较低功率等级的器件并联、三相半桥功能模块并联等。变流器总体设计可能会较为复杂，且对生产与工艺有较高要求，以便与实现器件或设备的均流控制。随着单体功率器件等级的不断提高，也可采用单个大功率IGBT功率模块构成一个完整三相半桥实现全部的能量传递。其设计会相对简单，对生产与工艺的要求才目对降低，控制也才目对简单，但对功率器件性能及使用会有较高要求，同时必须尽量减小线路寄生参数，削弱较大di/dt与du/dt对开关器件的影响［3］。目前,模块化的设计理念巳充分渗透至变流器构造设计研究中。比方考虑装配、维护的要求和空间限制，将一个轿臂的两个IGBT功率模块、直流支撑回路、缓冲吸收回路与散热系统全部集成，形成一个相对独立的最小功率变换功能单元,通过组合，便可构成一套具备组件互换性的背靠背变流器。甚至也能以此最小功率变换功能单元，构成其它拓扑构造的大功率变流器。对于二极管不控整流+逆变拓扑构造，如图1.5。由于机侧采用的是不控整流,直流母线电压完全由机端电压决定，而对于网侧逆变器来说,直流电压必须大于某一定值才能向电网输出功率，当直流母线电压过高时，又会对变流器所用功率器件的耐压提出背刻要求，带来本钱增加、整机效益降低的不良影响。因此这类拓扑构造的变流器的运行X围通常较小，导致风能利用效率极大降低;并且由于能量的单向性，难以对风力发电机实施控制，导致MPPT能力不易实现并存在很大的低次谐波成分。不控整流+BOOST变换器+逆变拓扑构造，如图1.6。通过BOOST变换器实现输入侧功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC),提高发电机的运行效率，保持直流侧电压的稳定，对发电机的电磁转矩和转速进展控制,实现变速恒频运行。但这种构造同样受限于能量单向性问题，无法直接对发电机实施有效的控制;并且在系统容量较高的应用场合，设计可靠高效的大功率BOOST电路会变得较为困难。但在其它应用场合，得益于这种拓扑构造相对低廉的本钱，尤其在较小功率的直驱风力发电工程中得到较多应用［3］。相控整流+逆变拓扑构造，如图1.7。其中电机侧采用晶闸管可控整流技术。通过控制晶闹管的导通时间，可以一定程度上解决直流母线电压泵升过高问题。但是此类相控整流依然无法实现能量的双向流动，并且带来电机定子电流谐波更大等问题。在严格的体积限制前提下,变流器的结拘及散热系统设计也需要充分考虑其所处的环境条件，包括较宽的温度X围(-15°C?45°C)、盐雾、腐烛、潮湿和振动冲击等。为提高其环境适应性,大功率变流器中通常采用液体闭式循环散热与空气循环冷却相结合的设计理念，而在海上风力发电场合，可以考虑直接利用海水进展高效外部冷却。1.3.3风力发电变流器的开展趋势伴随着风力发电机组容量的不断增长及未来海上风力发电模式的牵引，近年来，风电变流器相关技术研究得到了广泛关注与高速开展。⑴高功率密度、通用模块化设计采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。目前风电变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)，而随着变流器容量的增加，功率等级更高的集成门极换流晶闸管(IntegratedGatemutatedThyristor,IGCT)可能将逐步得到推广应用。而且由于IGCT器件采用平板压接构造(如图1.9所示)，由上下两个散热端面对导器件工作时产生的损耗进展传导，与单面散热的常规|GBT器件相比，先天就具备了提高器件功率密度的能力。另外,IGCT采用压接封装构造,与常规1GBT模块封装相比,具有更高的可靠性。如图1.10中所示的积木式功能模块，具备了很高的可靠性和可维性。该积木功能模块集成了8个IGCT单元(包括驱动)、吸收缓冲电路及水冷散热回路，无需拆卸连接母排和冷却管路即可取出其中任何一个IGCT单元,并且设计集成了专门的智能保护系统，无需额外安装溶断器，保证单个IGCT的损坏不会扩散至其余部件。该功能模块已在ABBPCS6000(5MW)全功率变流器中得到应用。囹1.9IGCT及驱雨根狭E囹1.9IGCT及驱雨根狭E1.10二电平双相IGCT成单己随着风电变流器的电压与电流等级的不断提高，适用于更高电压等级与容量的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，可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求，有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现;同时，得益于其更多电平(台阶)的电压输出什目对较低的dv/dt),对变流器输出电能质量和电磁兼容性能的提升也起到了很好的效果°ABB公司采用IGCT器件的风力发电变流器PCS6000就是双向二极管钳位三电平构造(如图1.1I所示);SiemensAG采用高压IGBT器件，也采用类似的拓扑构造;ALSTOM公司采用IGBT器件，不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用，甚至还基于IGCT开发出了飞跨电容型五电平变频器［3］。[E1.11匹皇疆二没苛辑的三电平电陷拓我在NPC三电平变流器的控制技术中，电压空间矢量调制技术与中点电压波动抑制技术是保证变流器性能的关键技术。对于SVPWM技术，常用的两种调制技术的主要不同在于产生的中点电压波动与开关损耗不同;其次,NPC三电平变流器不管工作在线性区，还是过调制区，均会产生中点电压波动，因此有必要对中点电压波动规律与中点电压波动抑制技术进展深入研究。(3)低压穿越问题研究逐步深入随着风力发电装机容量的快速提高，在电网故障导致电压跌落时，电网对风力发电机组低电压穿越(Lowvoltageridethrough,LVRT)能力的需求越来越迫切，变流器正是实现这一功能的主要环节。因此，使风力发电机组能够具备类似火力发电机组的特性标准成为了变流器设计的重要目标之一。通过提高发电机组和变流器控制设计，在出现严重电网扰动时，具备LVRT技术功能的风电机组可以持续并网运行并快速向电网提供无功,降低电网电压崩遗的风险。1.4风电机组低电压穿越技术近年来，风电变流器中的低电压穿越能力已成为大家所熟知的新名词。根据电监会的事故通报结果:从201|年2月至4月,XXXX、瓜州风场分别发生598台、702台风电机组脱网事故，损失出力约840兆瓦及1000兆瓦;同年4月，又有644台风电机组在XXXX发生脱网事故，损失风电出力854兆瓦。可见，由于风电机组低电压穿越能力的欠缺，对电网平安稳定运行造成了巨大的冲击。目前我国风电场风电机组LVRT能力普遍缺乏，因此，打破国外技术垄断，研究如何突破LVRT能力无论是在学术上还是在工业应用方面,都具有重要的意义。1.4.1低电压穿越定义低电压穿越是指,风电场公共并网点电压受电网故障或扰动影响而跌落时，风电机组在规定的条件下,能够持续在网运行;而且同时具备电网提供相当的无功以恢复电压，从而“穿越〃这个低电压时间(区域)，待故障消除后机组自动恢复正常运行。如果大量风电机组切除(脱网)，可能会导致临近电网系统潮流的大幅度变化甚至引发大规模的停电现象，对电网稳定性与运行平安产生负面影响。因此，低电压穿越能力是风电机组所必需具备的能力。欧洲等兴旺国家已相继制定了风力发电机组具备电网故障运行能力的强制性标准[24_27],且不同国家有不同的要求。这些标准大体都可以用图1.12所示的低压穿越要求曲与使用两电平拓扑相比，三电平拓扑构造电压型逆变器(ThreeLevelVSC)具有显著优点，例如能够突破开关管耐压的约束，实现更高电压的功率变换。中点箝位型(NPC)三电平变换器构造是一种应用广泛的三电平构造形式[14]。目前三电平构造已经广泛运用于大功率交流传动、高压直流输电等领域空间矢量脉宽调制算法因为属于计算密集型算法，易于数字化实现,直流电压利用率高，具有明显的优势，已成为三电平中点箝位型电压型逆变器的主要调制算法之o在NPC三电平电压型逆变器的实际运行中，三相交流负载不平衡或者三相变压器及交流滤波器参数不平衡等情况较为常见。NPC三电平电压型逆变器一般采用三相三线制，在这种不平衡负载条件下，将产生三相不平衡负载电流，假设只考虑基波分量，由于无中线的引出，零序电流没有通路，所以只产生负序电流。在负序电流的作用下，负载电压也将不对称，如果依然沿用传统的控制策略，变换器输出的不对称畸变电压有可能使所接的电力设备因过压而造成损坏。于是各种控制策略提出用来进展电压波形的修正其中，将正序负序电压分量别离，然后分别在正向旋转的同步坐标系和负向旋转的同步坐标系中分别进展P|控制，可以到达较好的动态性能。而别离正序负序分量的方法有低通滤波器法、陷波器法、延迟信号撤销法等［22_23］。其中延迟信号撤销算法在别离正、负序分量时性能较优。实线来表示，不同的要求表达在时间点和电压跌落程度的不同上。当电网电压在标准限值以上时，风电机组必须保持在网运行，并能够按照需要，在电网故障及恢复阶段向提供无功功率支持，协助电网电压快速恢复稳定;只有当电网电压低于规定限值以后,才允许风电机组脱网。这就要求风电系统必须具有较强的低电压穿越能力,能快速向电网提供无功支持。比方德国要求电网电压跌至15%时持续300rns（即在图1.|2中/〕==15），并且需要对电网提供最大为额定输出电流的无功支持。无功的快速调节主要是为了满足频率调节的要求，该特性还包括电网故障恢复后的启动特性。目前,国外一些产品已具备较为完善的低压穿越功能。图1.12风电场低.压穿越要求曲吱并网型三相变流器普遍应用的控制技术都是以检测电网电压为前提进展建模、控制的，因此，当三相电网电压发生跌落或谐波畸变、跌落期间和跌落恢复时,要实现对三相并网型PWM电力电子变换器的良好运行控制，变流器需要实时检测、采样并分解电网电压正负序分量才能顺利实现低压穿越控制。带有较大延时或不够准确的电网信息提取将导致系统在电压跌落时保护停机或损坏器件。在电网电压对称跌落时，要求变流器采样系统能实时检测到跌落发生时间点和跌落幅值，而发生不对称跌落时,还要求快速准确提取电网电压的正负序分量以实现对正负序分量分别进展控制。这就要求变流器软件锁相环具备稳态准确性和动态快速性，使控制系统可采取有效措施防止三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。电压跌落与恢复过程的系统限制与保护电网电压发生跌落时，会对变流器注入到电网的有功无功电流造成冲击，该冲击电流的大小跟电网电压跌落深度、网侧变流器的系统参数以及控制策略相关。全功率变流器在准确及时检测到电网电压跌落的时刻、幅值以及持续时间前提下，需要采取最优控制参数确保电压跌落与恢复瞬间的冲击电流最小，然后在必要情况下对电压跌落和恢复造成的网侧大电流冲击采取相应的保护措施保证机组不脱网。电压跌落期间的发电能量管理电压跌落期间PMSG的主要问题在于能量的不匹配导致直流电压的上升，即电网电压因故障发生(深度)跌落后，电网侧变换器的输出功率将受到限制，因此并网变换器的电机侧和电网侧两端的功率将出现不平衡。要实现风电机组的低压穿越能力，需采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。目前,一般通过以下几种方式来进展跌落期间的能量管理，具体措施包括:〉通过调节风机桨叶来减少风能的吸收［29］。这一措施为调节风机的机械系统，响应与调节速度较慢,一般为秒级。一般适用于电网电压长时间的浅跌落情况。＞通过电容储能来存储跌落期间不能输送至电网的能量该措施是利用直流母线电容的工作电压与最大平安工作电压之差，存储局部多余能量。一般变流器设计的直流支撑电容值是有限的，允许直流电压的升高量也是较小的，因此该措施也仅仅适用于电网电压的浅跌落情况。＞通过在直流侧增加撬棒保护电路［32］。即通过额外增加能量的泄放回路，将前述直流侧上的多余能量消耗掉。通常在直流母线接入制动电阻和斩波装置，将多余能量消耗在制动电阻上，这一方法控制简单且本钱低廉,目前应用较多。我国2012年底公布并于2012年6月1曰实施的?风电场接入电力系统技术规定?128],对风力发电的LVRT也提出了要求。因此当前对风力发电系统的LVRT问题进展深入研究并设计相关试验平台已成为当务之急。1.4.2直驱式机组的低压穿越电网电压的瞬间降落，此时网侧PWM变流器输出电流有限，导致其输出功率减小;而此时发电机的输出功率保持不变，导致变流器输入输出功率失衡，必然造成变流器直流母线电压泵升；同时，如不及时稳定直流母线电压，也会导致输出到电网的电流增大，过高的电压电流应力会威胁变流器的运行及平安。不同于DFIG风力发电机组,直驱式风力发电机的定子经背靠背PWM变流器与电网才目接，即使在电网电压跌落期间，变流器中间直流侧电压发生一定波动,也便于电机侧变流器保持对发电机的良好控制。所以才目对DFIG而言,直驱风力发电系统的LVRT实现更为方便。对于直驱式机组而言，要实现低压穿越，需要解决如下几个问题：⑴三才目电网不对称信息的快速准确提取并网型三相变流器普遍应用的控制技术都是以检测电网电压为前提进展建模、控制的，因此，当三相电网电压发生跌落或谐波畸变、跌落期间和跌落恢复时,要实现对三相并网型PWM电力电子变换器的良好运行控制，变流器需要实时检测、采样并分解电网电压正负序分量才能顺利实现低压穿越控制。带有较大延时或不够准确的电网信息提取将导致系统在电压跌落时保护停机或损坏器件。在电网电压对称跌落时，要求变流器采样系统能实时检测到跌落发生时间点和跌落幅值，而发生不对称跌落时,还要求快速准确提取电网电压的正负序分量以实现对正负序分量分别进展控制。这就要求变流器软件锁相环具备稳态准确性和动态快速性，使控制系统可采取有效措施防止三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。电压跌落与恢复过程的系统限制与保护电网电压发生跌落时，会对变流器注入到电网的有功无功电流造成冲击，该冲击电流的大小跟电网电压跌落深度、网侧变流器的系统参数以及控制策略相关。全功率变流器在准确及时检测到电网电压跌落的时刻、幅值以及持续时间前提下,需要采取最优控制参数确保电压跌落与恢复瞬间的冲击电流最小，然后在必要情况下对电压跌落和恢复造成的网侧大电流冲击采取相应的保护措施保证机组不脱网。电压跌落期间的发电能量管理电压跌落期间PMSG的主要问题在于能量的不匹配导致直流电压的上升，即电网电压因故障发生(深度)跌落后，电网侧变换器的输出功率将受到限制，因此并网变换器的电机侧和电网侧两端的功率将出现不平衡。要实现风电机组的低压穿越能力，需采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。目前,一般通过以下几种方式来进展跌落期间的能量管理，具体措施包括：＞通过调节风机桨叶来减少风能的吸收［29］。这一措施为调节风机的机械系统,响应与调节速度较慢，一般为秒级。一般适用于电网电压长时间的浅跌落情况。＞通过电容储能来存储跌落期间不能输送至电网的能量该措施是利用直流母线电容的工作电压与最大平安工作电压之差，存储局部多余能量。一般变流器设计的直流支撑电容值