风力发电双馈变流器主电路及驱动电路的研究设计

目录设计总说明 IIIDesignGeneralDescription V1绪论 11.1风力发电简介 11.2风力发电的现状 21.3风力发电系统简介 41.3.1恒速恒频发电系统 51.3.2变速恒频发电系统 62双馈式风力发电机组 92.1双馈式风力发电机组原理 92.2双馈式风力发电机组的特点 133双馈变流器的设计 153.1双馈变流器的工作原理 153.2双馈变流器的组成 163.2.1并网开关 163.2.2双PWM变换器 193.2.3预充电回路 293.2.4滤波电路 313.2.5低电压穿越电路 353.3总结 384变流器功率单元驱动电路的设计 394.1驱动电路概述 394.2驱动电路的性能参数 394.2.1基本工作原理 394.2.2驱动电路的功能 414.3驱动电路的设计 424.3.1驱动芯片的选取 424.3.2外围电路的设计 454.4总结 495实验结果及分析 505.1概述 505.2满功率实验波形记录及分析 516总结及展望 56参考文献 57附录A1.5MW双馈变流器主电路 58附录B1.5MW双馈变流器驱动电路 59附录C1.5MW双馈发电机额定参数 60附录D1.5MW双馈变流器 61致谢 62风力发电双馈变流器主电路及驱动电路的研究设计设计总说明：随着工业的迅猛发展，能源消耗的日益增长，环境污染的日趋严重，迫使人们考虑新能源和可再生能源的开发和运用问题。目前人类开发的新能源有：核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能。风能凭借其多方面的优点，在新能源的开发运用中脱颖而出。而风力发电的核心技术是并网变流器，其效率的好坏、可靠性的高低将直接影响系统的性能和投资。在风力发电的初期重要是以恒速恒频风力发电机组为主，恒速恒频发电系统一般来说比较简朴，其重要工作原理为：控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能。随着电力电子技术的不断发展以及可再生能源的迫切需求，风力发电也越来越受到重视，因此风力发电的技术得到了迅猛发展，近几年在风力发电领域中提出了变速恒频发电系统。而变速恒频发电系统重要有直驱式和双馈式。直驱式重要由永磁同步发电机直接联接叶片，使叶片与发电机之间取消齿轮箱，成为无齿轮箱的直接驱动型。由于使用全功率变流器，使得系统调速范围宽，风能运用率高；同时由于是直驱系统，省去了齿轮箱，使传动效率提高，可靠性提高，成本减少。直驱式变速恒频风力发电系统同步发电机通过全功率变流器与电网相连，在低电压穿越方面较双馈式机组实现简朴，且暂态冲击较小。然而直驱式的变速恒频系统也有其缺陷，如变流器需按100%额定功率设计，成本偏高。双馈试发电系统采用双馈型感应发电机，发电机定子侧通过并网开关与电网相连，转子通过交直交变流器与电网相连，由变流器向转子提供可控的励磁电流，实现定子侧零冲击并网及有功、无功解耦控制。双馈发电机体积小，重量轻、所需变流器容量小、供电质量高等特点，使其仍然成为大型风力发电机的主力机型。从国际风力发电技术发展的趋势来看，风力发电机组单机容量越来越大，陆地风力发电机组主力机型单机容量在1.5MW、2MW，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主流机型。因此提出对双馈式变流器进行研究设计。目前国内装机以双馈式风电机组为主，2023年，我国新增风电机组装机容量中，双馈式风电机组占82%以上。而1.5MW双馈式风电机组是市场占有量最大的变速恒频风电产品。因此本课题以北京科诺伟业有限公司“1.5MW双馈变流器”为背景对变流器进行研究设计。双馈风力发电机将由叶片吸取的风能，经齿轮箱升速后转换为电能，双馈变流器对发电机发出的电能变频、滤波并将其并入电网。变流器风力发电机与电网之间核心的能量转换单元。本论文中研究设计的1.5MW双馈变流器是将风力发电机产生的电能转换成工频50Hz，690V的交流电，然后通过升压变压器将电能输送到电网。本论文重要围绕双馈风力发电系统中双PWM变流器及其驱动控制技术进行讨论和研究。本文一方面介绍国内外风力发电技术的发展、研究现状，并分析恒速恒频发电系统、变速恒频发电系统，接着介绍双馈电机的运营特点。在变速恒频的基础上，分析交直交变流器的运营原理，通过对直驱式永磁同步电机风力发电系统和双馈式异步电机风力发电系统基本工作原理进行分析和比较，提出研究双馈变流器的意义，最后对双馈变流器的主电路及驱动电路进行原理分析及设计。关键词：风力发电；恒速恒频；变速恒频；双馈变流器；驱动电路Thedesignofwindpowergenerationdoubly-fedconvertermaincircuitanddrivecircuitDesignGeneralDescription：Withtherapiddevelopmentofindustry,theincreasingofenergyconsumptionandthegrowingseriousenvironmentalpollution,peopleareforcedtoconsidernewandrenewableenergydevelopmentandutilization.Atpresent,thehumanityhavedevelopnewenergy:nuclearpower,solarenergy,windenergy,biomassenergy,geothermalenergy,oesandhydrogen.Windenergy,owningmanyadvantageshasstoodoutinthedevelopmentandutilizationofnewenergy.Thecoretechnologyofwindpowerisinverters,itsefficiencyandreliabilitywilldirectlyaffectthesystemperformanceandinvestment.Intheearlytimeofwindpower,constantspeedconstantfrequencywindturbine-basedisthemainlymeasure,ingeneralconstantspeedconstantfrequencygenerationsystemisrelativelysimple,themainworkingprinciple:controllingthegeneratorspeedisconstant,resultinginaconstantfrequencypower.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnologyandtheurgentneedforrenewableenergy,windpowergenerationobtainmoreandmoreattention,sowindpowertechnologyhasbeenrapiddevelopmentinrecentyearsinthefieldofwindpowerintheproposedvariablespeedconstantfrequencygeneratingsystem.Butthevariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemaredirectdrivinganddouble-fed.Directdrivingmainlybythepermanentmagnetsynchronousgeneratordirectconnectingleaves,leadingtoagearlessdirectdrivetypebetweentheabolitionoftheleafandthegeneratorgearbox.Becausetheuseoffullpowerconverter,makingthesystemawidespeedrange,highefficiencyofwindpower;Atthesametimeasitisdirectdrivingsystem,eliminatingthegearbox,sothattransmissionefficiency,increasedreliability,lowercosts.Direct-drivingvariablespeedconstantfrequencysynchronousgeneratorwindpowergenerationsystemthroughfullpowerconverterconnectedtothegrid,comparingwiththedouble-fedmachinetoachieveamoresimpleandlesstransientshocksinlowvoltageacross.However,directdrivingvariablespeedconstantfrequencysystemalsohasitsdisadvantages,suchastheconvertermustdesignedbasing100%ofratedpower,sothecostismore.Double-fedgenerationsystemusesadouble-fedinductiongenerator,thegeneratorstatorandCAPEoffthegridbyconnectingtherotorthroughtheLCIconverterconnectedtothegridbytheconvertertoprovideacontrolledrotorexcitationcurrenttoachievezeroimpactonthestatorsideofthegridandtheactiveandreactivedecouplingcontrol.Doubly-fedgeneratorpossessessmallsize,lightweight,smallcapacityrequiredconverters,powerqualityandadvancedfeatures,makeitremainsasthemainmodeloflargewindturbines.Fromthedevelopmentofinternationalwindpowertechnologytrend,windturbineunitcapacityisincreasing,landstand-alonewindturbinecapacityofthemainmodels1.5MW,2MW,offshorewindturbine'smainmodelfortheunitcapacityofmorethan3MW,double-fedVSCFwindturbineisthecurrentlymainstreamoftheinternationalwindpowermarketmodels.Thereforeproposetoresearchanddesignthedouble-fedinverter.CurrentlyinstalledinDFIGbasedonwindturbineinChina,in2023installedcapacityofnewwindturbine,DFIGwindturbinesaccountedfor82%ormore.But1.5MWDFIGwindturbineownsthelargestmarketshareofvariablespeedconstantfrequencywindpowerproducts.Therefore,theissuebasedonBeijingCoronaLimitedCorporation1.5MWdoubly-fedconverterasthebackgroundresearchontheconverterdesign.Windturbinebladeabsorbedfromthewind,thegearboxincreasesthespeedandconvertedtoelectricalenergy,double-fedinverterchangethegeneratorfrequency,filteringthem,thensendthemintothegrid.Converterbetweenthecoreandgridwindturbineenergyconversionunit.Thispaperstudiesthedesignofthe1.5MWdoubly-fedconverteristoconvertelectricalenergygeneratedbywindturbinesintopowerfrequency50Hz,690VAC,andthenthroughthestep-uptransformerwillbetransportedtothepowergrid.Doubly-fedwindpowersystemandthedrivingcontroldoublePWMconverteraremainlydiscussedandstudiedinthisthesis.Firstly,thispaperintroducesthedevelopmentofwindpowertechnologyathomeandabroad,researchingstatusandanalysisatconstantspeedconstantfrequencyelectricsystem,VSCFsystem,thenintroducesthecharacteristicsdoubly-fedmachineoperation.AnalysestheoperationprincipleofAC-DC-ACconverteronthebasisofvariablespeedconstantfrequency,throughputforwardthesignificanceofresearchingdoubly-fedconverterbyanalyzingandcomparingthebasicworkingprinciplesofdirectdrivingtypepermanentmagnetsynchronousmotorwindpowersystemsanddoubly-fedtypeasynchronousmotorwindpowersystems,finallydesignandanalysesitsmaincircuitanddrivecircuit.Keywords:windpower;Constantspeedconstantfrequency;Variablespeedconstantfrequency;Doubly-fedconverter;Drivingcircuit1绪论1.1风力发电简介地球上可供人类使用的化石燃料是极其有限和不可再生的。据联合国能源署报告，按可开采储量预计，煤炭资源可供人类用22023，天然气资源可用50年，石油资源可用30年。科学家预计，21世纪的最重要能源将是核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能和可燃冰。世界风能总量为，大约是世界总能耗的3倍。假如风能的1%被运用，则可以减少世界3%的能源消耗，风能用于发电，可产生世界总电量的8%~9%。风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛。随着人类对生态环境的规定和能源的需要，风能的开发日益受到重视，风力发电将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为，其中可运用的风能为。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦，开发运用潜力巨大。随着全球经济的发展，风能市场也在迅速发展。2023年全球风能装机总量为9万兆瓦，2023年全球风电增长28.8%，2023年终全球累计风电装机容量已超过了12.08万兆瓦，相称于减排1.58亿吨二氧化碳。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目之一，发展速度非常快。1997~2023年，全球风电装机容量年平均增长率达26.1%，目前全球风电装机容量已经达成5000万千瓦左右，相称于47座标准核电站。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2023年，中国风电累计装机容量已经达成260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的重要市场之一。2023年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2023年中国新增风电装机容量达成719.02万千瓦，新增装机容量增长率达成108.4%，累计装机容量跃过1300万千瓦大关，达成1324.22万千瓦。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。进入2023年下半年以来，受国际宏观形势影响，中国经济发展速度趋缓。为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛。截止到2023年初，全国已有25个省份、直辖市、自治区具有风电装机。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时赚钱能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提高。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。1.2风力发电的现状风力机用于发电的设想，始于1890年丹麦的一项风力发电计划。192023，丹麦己拥有风力发电机120台。第一次世界大战后，出现了现代高速风力机。1931年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相继建造了一大批大型风力发电机。目前，风能的运用形式重要是发电，风力发电在新能源和可再生能源行业中增长最快，年增长达成35%。图1-1所示为1996—2023年全球风电总装机容量。德国，丹麦及西班牙是世界上风能运用最佳的三个国家，德国风电已占总发电量的3%，丹麦风电已超过总发电量的10%。图1-11996-2023年全球风电总装机容量到2023年终，世界累计的风力发电设备总装机容量为6800万千瓦，欧洲占60%。我国风能资源丰富，储量为32亿千瓦，可开发的装机容量约2.5亿千瓦，居世界首位。目前，在广东、福建、内蒙古、新疆等地已建成26个风电场。尽管我国近几年风力发电增长都在50%左右，但装备制造水平与装机总容量与发达国家相比尚有较大差距。我国风力发电装机总容量仅占全国电力装机的0.11%，风力发电发展潜力巨大。根据WWEA记录截至到2023年6月，我国风电装机容量仅次于美国，排名世界第二。事实上根据中国可再生能源学会风能专业委员会的最新记录，截至到2023年终，中国风电装机容量已名列世界第一。但在技术上，我国风电多采用引进国外技术或与国外公司联合开发的模式，自主研发的能力较落后，满足不了我国风电的蓬勃发展的需求。在一些重要原材料及核心电控系统设计方面，与国外仍有较大差距，因此在该领域加强基础领域的科研投资，具有重大的现实意义。从国际风力发电技术发展的趋势来看，风力发电机组单机容量越来越大，陆地风力发电机组主力机型单机容量在1.5MW、2MW，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主流机型。国家科技部在“十五”期间的“863攻关计划”中支持了兆瓦级变速恒频风力发电机组的科技攻关工作，自主研制的1MW双馈机型变速恒频风力发电机组样机己投入试运营。由北京科诺伟业科技有限公司和中国科学院电工研究所共同研制的1MW双馈变速恒频风力发电机组控制系统和变流器样机已经在甘肃玉门风电场成功并网运营。这些项目的成功证明我国已初步掌握了双馈型变速恒频风力发电机组的控制技术和控制规律。尽管目前双馈型风力发电系统仍占风力发电市场主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注。直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，它采用风力机直接驱动多级低速永磁同步电机发电，然后通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网，省去了传统双馈型风力发电系统中的我国难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件，系统效率大为提高，有效地克制了噪声。无齿轮箱的直驱方式能有效的减少由于齿轮箱问题而导致的机组故障，可有效提高系统运营可靠性和寿命，大大减少了维护成本，得到了市场的青睐。2023年是我国风力发电事业快速发展的一年，东方汽轮机有限公司、新疆金风科技股份有限公司等迅速发展各自的风电业务，各地风电场风起云涌，机组功率等级从1MW发展到2.5MW。目前国内装机以双馈式风电机组为主，2023年，我国新增风电机组装机容量中，双馈式风电机组占82%以上。1.5MW双馈式风电机组是市场占有量最大的变速恒频风电产品。原定的中长期规划：2023年全国的风电总装机容量达成500万千瓦，2023年达成3000万千瓦，但就现在的发展情况，2023年终全国风电装机总容量已突破1000万千瓦，2023年则可达8000万千瓦乃至1亿千瓦。1.3风力发电系统简介风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，通常由风轮、齿轮箱、发电机、电控系统组成。其中风轮完毕风能向机械能的转换，齿轮箱将发电机转速提高到发电转速，发电机将机械能转换为电能，电控系统完毕最大功率跟踪。其中电控系统是整个风电机组的核心控制单元，对系统的性能、效率及电能质量有着重要影响。发电机所发出的电能有两种解决方式：可以直接给负载供电或并入电网；也可以通过储能设备进行蓄能，再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供应负载或并网。风力发电机组重要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成，如图1-2所示。图1-2风力发电系统框图风速与风向是随机变化的，为了能最大效率的吸取风能，规定风轮的转速可以随着风速的变化作出相应变化，以使风轮保持最佳的叶尖速比。根据叶轮转速的控制方式不同，发电机组通常可分为两种。恒速恒频发电系统是较为简朴的一种，另一种发电系统是变速恒频发电机系统，这是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统。变速恒频系统中的风轮可以实现变速运营，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，因而提高了风力机的运营效率，从风中获取的能量可以比恒转速风力机高很多。与恒速恒频相比，风电的转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵。以下分别简要介绍恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。1.3.1恒速恒频发电系统风力发电机与电网并联运营时，为减少发电机发出的电能对电网的污染，规定风力发电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频是指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能。恒速恒频风力发电系统框图如图1-3所示。图1-3恒速恒频风力发电系统框图恒速恒频发电系统一般来说比较简朴，所采用的发电机重要有两种:同步发电机和鼠笼型感应发电机。前者运营于由电机极对数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的转速运营。（1）同步发电机风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机，输出连接到临近的三相电网或输配电线。三相电机一般比相同额定功率的单相电机体积小、效率高并且便宜，所以只有在功率很小和仅有单相电网的少数情况下，才考虑采用单相电机。（2）感应发电机感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线型两种。在恒速恒频系统中一般采用鼠笼型异步电机，它的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用鼠笼型结构，转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而结构简朴、坚固，基本上无需维护。恒速恒频发电机组的特点是:（1）结构简朴，适合在野外缺少维护的环境下工作；（2）由于转速不变，无法进行最大功率点的跟踪控制，发电效率较低；（3）当风速快速跃升时，由于转速不变，风能将通过风叶传递给主轴，齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏，所以规定这些部件的机械强度足够高，增长了成本；（4）这种风电机组在正常运营时无法对电压进行控制，不能像同步发电机同样对电压提供支撑能力，不利于电网故障时的系统电压恢复和系统稳定；（5）恒速恒频风电机组发出的电能随风速的波动而敏感的波动，若风速急剧变化，也许会引起风电机组发出电能质量问题，如电压闪变、无功变化等，在工程中一般采用静止无功补偿器(SVC)来进行无功调节，采用软启动来减小发电机的启动电流。随着电力电子技术特别是变频调速技术的不断完善，更多的风力发电系统采用变速恒频风力发电系统。1.3.2变速恒频发电系统这是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，受当时控制技术和电力电子器件的限制，随着电力电子器件和控制技术的蓬勃发展，特别是在矢量控制、直接转矩控制等高性能控制理论出现以后，变速恒频发电技术应用成为也许。它将电力电子技术、矢量变换技术、微机技术和微机信息解决技术引入发电机控制之中，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机采用变速运营，发电机的转速随风速变化而变化，通过其他方法来得到恒频电能。目前看来最有前景的当属电力电子学，这种变速发电系统重要由两部分组成，即发电机和电力电子变换装置。发电机可以是市场上已有的通用电机，如同步发电机、鼠笼型感应电机，绕线型感应发电机等，也可以是近年来研制的新型发电机如磁场调制发电机，无刷双馈发电机等；电力电子变换装置有交流/直流/交流变换器和交流/交流变换器等。变速恒频风力发电系统允许风力机根据风速的变化而以不同的转速旋转。变速恒频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比有以下优点:（1）由于采用电力电子变频器，变速恒频风电机组结构相对较复杂；（2）通过对最大功率点的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出，提高了发电效率；（3）风轮机可以根据风速的变化而以不同的转速旋转，减少了力矩的脉冲幅度以及对风力机的机械应力，减少机械强度规定；（4）风轮机的加速减速对风能的快速变化起到了缓冲作用，使输出功率的波动减小；（5）通过一定的控制策略(如SVPWM控制)对风电机组有功、无功输出功率进行解耦控制，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具有电压的控制能力。最后两点非常有助于电网的安全稳定运营。综合上述特点，变速恒频发电机组适合用于大功率，通常大于1MW的系统。目前，主流的变速恒频风力发电机组可分为基于永磁同步发电机(PermanentMagneticSynchronousGenerator，PMSG)的直接驱动型机组和基于双馈感应发电机(Double-fedInductionGenerator，DFIG)的齿轮驱动型机组两类。1.永磁直驱同步发电机的变速恒频风力发电系统直驱变速恒频风力发电系统采用永磁直驱同步电机作为发电机，发电机直接与全功率变流器相连，经变流器输出电能再经升压变压器升压后直接并入电网。该系统的基本拓扑结构见图1-4图1-4直驱型永磁同步电机风力发电系统三相永磁直驱同步电机重要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料形状的永磁体，用以产生恒定磁场，没有励磁绕组。定子上有三相电枢绕组，接可控的变频电源。在新型的变速恒频风力发电系统里，采用永磁同步发电机直接联接叶片，能使叶片与发电机之间取消齿轮箱，成为无齿轮箱的直接驱动型。由于使用全功率变流器，使得系统调速范围宽，风能运用率高；同时由于是直驱系统，省去了齿轮箱，使传动效率提高，可靠性提高，成本减少。直驱式变速恒频风力发电系统同步发电机通过全功率变流器与电网相连，在低电压穿越方面较双馈式机组实现简朴，且暂态冲击较小。采用永磁同步电机的变速恒频系统也有缺陷，如变流器需按100%额定功率设计，成本偏高；永磁同步电机价格昂贵，体积重量大，运送、吊装困难。2.双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统目前在风力发电领域广泛应用的是双馈型变速恒频交流励磁风力发电系统，该系统采用双馈型感应发电机，发电机定子侧通过并网开关与电网相连，转子通过交直交变流器与电网相连，由变流器向转子提供可控的励磁电流，实现定子侧零冲击并网及有功、无功解耦控制。该系统的基本拓扑结构见下图1-5：图1-5双馈异步风力发电机系统采用该系统时，由于双馈异步感应电机的特性，其定子绕组直接接到电网上，转子通过背靠背变流器与电网连接，可以实现功率的双向流动。当风速发生变化时，双馈风力发电机转速发生变化，通过控制转子励磁电流的频率，可以使定子频率恒定，实现变速恒频发电。由于这种变速恒频控制是通过对转子绕组进行控制实现的，转子回路流动的功率是由发电机转速运营范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速设计在整个转速运营范围中间。假如系统运营的转差范围为士0.3，则最大转差功率仅为发电机额定功率的30%左右，因此该系统交流励磁变流器的容量仅为发电机容量的一小部分，可以大大减少成本。双馈型变速恒频交流励磁风力发电系统除了可实现变速恒频控制、减小变流器的容量外，还可实现有功、无功的解耦控制，可实现电网规定输出相应的感性和容性无功功率，这种无功控制的灵活性对电网非常有利。但是由于轮毂和发电机之间增长了高增速比齿轮箱，效率和可靠性有一定减少，价格相对较昂贵，且需经常维护。但是由于双馈异步风力发电机体积小，重量轻、所需变流器容量小、供电质量高等特点，使其仍然成为大型风力发电机的主力机型。双馈风力发电系统规定变流器具有双向能量流动的特性，同时要有良好的输入和输出特性，以减少谐波对电网导致的污染。随着电力电子技术和电力电子器件的发展，已有很多类型的变流器符合这一规定，所以双馈风力发电系统已经成为当下市场的主流。2双馈式风力发电机组2.1双馈式风力发电机组原理（1）双馈式风力发电机基本原理同步发电机在稳态运营时，其输出端电压的频率与发电机的极对数及发电机转子的转速有着严格固定的关系，即:式中：f——发电机输出电压频率，Hz；P——发电机的极对数；n——发电机的旋转速度，r/min。在发电机转子变速运营时，同步发电机不也许发出恒频电能，由电机的结构可以知道，绕线转子异步电机的转子嵌有三相对称绕组，根据电机原理可知，在三相对称绕组中通入对称三相交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数有关，即：（2-1-1）式中——n2为绕线转子异步电机转子的三相对称绕组通入频率为f2的三相对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子自身的旋转速度（r/min）；——p为电机的极对数；——f2为绕线电机转子三相绕组通入的三相对称交流点频率（Hz）。由式（2-1-1）可知，改变频率f2即可改变n2，并且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设n1为相应于电网频率为50Hz（f1=50Hz）的双馈发电机的同步转速，而n为异步电机转子自身的旋转速度，则只要维持常数，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时同样，其频率将始终维持f1不变。双馈电机的滑差率，则电机转子三相绕组内通入的电流频率应为：（2-1-2）上式表白，在双馈电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入滑差率（即f1s）的电流，则在异步电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。（2）双馈风力发电系统工作原理在双馈型风力发电机的风力发电系统中，双馈发电机定子侧通过并网开关与电网相连，转子通过双向变流器与电网相连，这种风力发电系统较突出的优点是变流器容量较小(通常为25%~40%)，还能满足风力机的调速范围的规定，在采用适当的控制策略后也可满足电网对风力发电机的规定。双馈风力发电系统框图如下图2-1所示。图2-1风力发电系统框图图2-1为风力发电变流器的系统简图，其工作原理为：系统正常运营时，断路器Q1闭合，电网电压通过预充电电阻R1给双PWM变换器直流母线充电，当直流母线的电压达成设定值后，主接触器Q3闭合，预充电电阻从电路中切出，变流器开始并网发电，直流母线电压此时为1100V。当发电机从定子侧输出电能，检测电路检测并网接触器Q2两端的电压、频率、相位相等时，并网接触器闭合，将定子电能输送到电网。空气断路器Q1做为整个系统的保护器件，实时检测电网的故障信息，当电网出线过压、过流、短路时，断路器可以及时切断发电机与电网的连接，从而有效的保护了双馈电机不受损坏。（3）双馈式风电机组的运营工况双馈风力发电机由外部风轮机拖动旋转，通过转轴吸取从风中捕获的风能，根据不同的转速区域和转子侧滑差功率(简称“转差功率”)的传递方向，常规双馈异步电机可工作在四种状态下，即次同步电动、次同步发电、超同步电动、超同步发电，在每种运营状态下双馈电机定子侧的功率P1，转差功率P2以及转轴上的机械功率Pmec的正负都不一致，下面对各种运营工况下电机能量的传递方向进行分析：对于定子侧的功率P1，向电网输出电能时为正，从电网吸取电能时为负；对于转差功率P2，向电网馈送电能时为正，从电网吸取电能时为负；对于机械功率Pmec，电机吸取机械功率时为正，输出机械功率时为负。①次同步电动图2-2次同步电动工况下能量流动图此时，电机转速小于同步转速，转差率s>0，并且电磁转矩的方向与转速方向一致，起驱动作用，所以当双馈电机工作在次同步电动的工况时，定子侧通过电网吸取功率P1，转子侧通过变流器向电网输出转差功率P2，电机向外输出机械功率Pmec。②次同步发电图2-3次同步发电工况下能量流动图此时，电机转速小于同步转速，转差率s>0，并且电磁转矩的方向与转速方向相反，起制动作用，所以当双馈电机工作在次同步发电的工况时，定子侧向电网输出功率P1，转子侧通过变流器从电网吸取功率P2，电机通过转轴吸取机械功率Pmec。③超同步电动图2-4超同步电动工况下能量流动图此时，电机转速大于同步转速，转差率s<0，并且电磁转矩的方向与转速方向一致，起驱动作用，所以当双馈电机工作在超同步电动的工况时，定子侧通过电网吸取功率P1，转子通过电网吸取转差功率P2，电机向外输出机械功率Pmec。④超同步发电图2-5超同步发电工况下能量流动图此时，电机转速大于同步转速，转差率s<0，并且电磁转矩的方向与转速方向相反，起制动作用，所以当双馈电机工作在超同步发电的工况时，定子侧向电网输出功率P1，转子向电网馈送转差功率P2，电机通过转轴吸取机械功率Pmec。上面共讨论了双馈异步电机在四种情况下的运营特性，但是由于在双馈风力发电系统中，双馈异步电机运营于发电状态，因此我们需要考虑的仅仅是②，④两种发电运营情况，即次同步发电和超同步发电状态。2.2双馈式风力发电机组的特点（l）柔性连接当遭遇阵风时，风电机组转速增长，将阵风的能量转换为系统的动能，增长的动能通过控制系统的控制回馈电网，从而实现了传动系统的柔性连接，减少了阵风对系统轴上的机械应力。（2）变流器成本低双馈电机系统所使用的转子侧变频电源只调节转差能量，在调速范围比较小的情况下，转差能量相对于整个电机的容量是比较小的，和定子侧直接变频系统相比，所需变频器容量大大减小，减少了系统的造价。（3）机组功率因数可调双馈电机调速系统通过调节转子电流幅值和相位来补偿定子侧无功功率，实现定子侧功率因数等于1，甚至可以得到超前的功率因数。（4）电网和谐型通过系统控制，风电机组可以动态调整无功功率，补偿电网波动。当发生电网跌落时，可实现低电压穿越功能，并在跌落期间为系统提供动态无功补偿。在电网发生扰动时，双馈电机系统可以通过改变转子侧频率的方法来迅速改变转速，充足运用转子动能，以达成释放或吸取能量，补偿电网扰动的目的。总之，双馈电机调速系统具有功率因数可调、效率高、变频装置容量小、投资省等优点，有广阔的市场与发展前景。由于风能是一种剧烈变化的随机性很强的可再生能源，所以在变速恒频双馈风力发电系统中，转差功率处在不断变化的状态，对于网侧变换器来说，事实上就是其负载的变化非常剧烈，这就规定网侧变换器要在剧烈的负载变化过程中保持直流侧电压稳定。直流侧电压的静态稳定性和动态调节速度对风电系统的运营特性至关重要。随着双馈电机应用的发展，为了适应各种不同应用场合的需要，特别是双馈型风力发电中应用的需要出现了多种不同的双馈电机控制拓扑结构。对双馈型风力发电机而言，由于其转子能量的双向流动性，需要转子变流器为双向变流器。目前可用于双馈电机的变流器拓扑结构重要可分为循环变流器、交直交变流器和矩阵变换器三种类型。为解决上述常规风力发电系统中存在的问题，一种由交直交变流器流励磁的双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统被提出。系统控制方案的实行是在发电机转子回路实现的，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运营范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，并且可以双向流动，因此可以大大减少变流器的体积和重量，并提高了系统效率。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运营的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，原动机与发电机电系统之间的刚性连接为柔性连接，从而一举解决了常规风力发电系统中存在的诸多问题。基于上述优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。本文以双馈发电机为研究基础，对其构成的交直交变流器系统进行研究设计。3双馈变流器的设计3.1双馈变流器的工作原理用于变速恒频双馈发电机的变流器应具有以下性能：1.为了实现最大风能捕获并尽也许的减少励磁变频器容量，需要发电机在选定的同步转速上下运营，发电机的励磁绕组的能量将双向流动，所以规定用于双馈发电机的变换器应当具有功率双向流动的能力。2.为保证发电机输出电能质量符合电网规定，规定励磁电流要谐波小且谐波频率高，即所选用的励磁用变频器要有优良的输出特性。因此变换器输出励磁电压应具有SPWM(正弦脉宽调制)波形。3.为了防止作为非线性负载的变频器对电网的谐波电流污染，规定变频器有良好的输入特性，即输入正弦电流，接近单位功率因数。目前，符合上述条件可用于双馈发电机交流励磁的装置有交交循环变换器、矩阵变换器、交直交双变换器，通过对比各个变换器的特点性能，选用了交直交双PWM变换器作为双馈发电机的交流励磁装置。在双馈风力发电系统中，电压源型交直交变流器是应用较为广泛的一种拓扑结构，同时电流源型变流器在电力拖动领域应用也比较广泛，特别在一些大功率变流场合，电流型变流器因其通常采用晶闸管器件，具有较大的电流密度，因此在大功率传动场合也得到了较为广泛的应用。但电流源型交直交变流器也存在着其明显的局限性之处，当采用方波调制时变流器的输出具有较丰富的低次谐波，并且由于双馈电机转子漏感的作用可以产生威胁到电机绝缘安全的尖峰电压，为此在大多数此类变换器中在其输出端装有并联电容器，用于吸取尖峰电压，当采用PWM调制时也需要在其输出端并联电容器用于吸取纹波电流，但这容易导致滤波电容和电机漏感之间谐振，控制较为复杂。相对于电流源型背靠背变流器而言，电压源型背靠背变流器控制较为简朴。双馈变流器的核心部分是双PWM交直交变换器，如图3-1所示，它是由两个完全相同的电压型三相PWM变换器通过直流母线连接而成，在双馈风力发电的系统运营过程中，这两个PWM变换器的工作状态是经常变换的，通常不以他们工作于整流或逆变的状态来区分它们，而是按照他们的位置分别称为电网侧PWM变换器和电机侧PWM变换器，即电网侧变换器和电机侧变换器。交直交变换器可以满足系统能量双向流动的规定，当电机处在次同步工况时，电机转子从电网吸取能量；当电机处在超同步工况时，电机转子向电网馈送能量。图3-1交直交变换器在具体的运营控制中，这两个PWM变换器各司其职。其中，电网侧变换器的任务重要有两个，一是保证其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合规定，理论上电网侧PWM变换器可获得任意可调的功率因数，这就为整个系统的功率因数的控制提供了一个途径；二是保证直流母线电压的稳定，直流母线电压的稳定是两个PWM变换器正常工作的前提，是通过对输入电流的有效控制实现的。机侧变流器的作用重要是给电机的转子提供励磁分量的电流，从而调节电机定子侧所发出的有功功率，使电机运营在风力机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪运营。在这种交直交的结构中，两部分变换器之间的直流母线电容使两部分变流器实现了解藕，这使得两部分变换器可以独立地分开控制而不会互相干扰。这种结构使得这种变换器自身具有对电网故障较强的适应能力。3.2双馈变流器的组成双馈变流器整个系统结构比较复杂，其主回路系统包含如下几个基本单元：并网开关、双PWM变换器、滤波电路、低电压穿越电路。3.2.1并网开关1.空气断路器空气断路器是风力发电系统中双馈电机与电网线路连接的核心保护器件，对整个系统起到保护的作用。在空气断路器的选择时应注意以下几个方面：①额定电流大小；②分断能力；③过电流脱扣器带或不带接地故障保护；④过流脱扣器；⑤3极和4极之分；⑥固定式和抽屉式，固定式主回路母排连接方式，抽屉式否是带导向框架；⑦操作机构及其电压等级；⑧第一级辅助脱扣器电压等级；⑨第二级辅助脱扣器电压等级；⑩辅助端子个数。（1）断路器的结构风力发电中连接电机与电网的断路器是整个风力发电并网系统中的核心器件，因此其结构性能也比普通的断路器要复杂，额定工作电流最大可达6300A。空气断路器重要由钢板制成，可分为抽出式和固定式两种结构。固定式的断路器尺寸比抽出式精致，一般应用在故障或平常维护时允许停电的场合；抽出式一般应用于故障或平常维护时仅允许短暂停电的场合，以及作为备用电源的双回路，但仅采用一个断路器。本系统中，空气断路器选择的是固定式。固定式断路器及抽出式断路器结构如下图3-2所示：a.固定式b.抽出式图3-2断路器结构（2）空气断路器的作用①控制作用。根据电力系统运营的需要，将部分或所有电气设备，以及部分或所有线路投人或退出运营。②保护作用。当电力系统某一部分发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无端障部分安全运营。空气断路器重要有过载、过压、欠压保护功能。（3）空气断路器总的并网电流空气断路器前端接入电网，后端分别接电机定子和转子侧变流器，当系统工作在1.5MW满功率发电工况时，取电网电压为690V，则此时空气断路器总并网电流为:（3-2-1）若按照机组功率因数为0.9，并当电网电压跌落10%时，空气断路器总并网电流有效值为：（3-2-2）所以可选取额定电流为1600A的空气断路器，能满足系统最大工况时额定电流的大小。2.并网接触器（1）并网接触器的工作原理接触器是一种自动化的控制电器。接触器重要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定期操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路。在风力发电系统中，并网接触器重要功能是决定风力发电机是否并网运营。当定子端输出的电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位相等时，并网接触器才被允许闭合，实现电能的并网发电。在电路设计中，往往在接触器的两端设立有电压检测电路，用于检测接触器两端的电压、频率以及相位是否匹配。（2）并网接触器电流等级的选取由双馈电机的参数可知，其同步转速为1500r/min，当双馈发电机1.5MW满功率发电时，此时的转速为1800r/min，所以转差率为：（3-2-3）此时定子侧输出的有功功率为：（3-2-4）令发电机组的并网发电功率因数为0.9时，并认为变流器并网功率因数为1，则由发电机侧提供的无功功率为：（3-2-5）再考虑到电网电压跌落10%，则发电机定子侧线路上最大的电流有效值为：（3-2-6）据此，并网接触器额定电流应大于1312A，并留有一定余量。3.网侧变换器主接触器考虑已知1.5MW双馈风力发电机的极限转速为2023r/min，此时转差率为：（3-2-7）可以得转子侧输出有功功率为：（3-2-8）由于电网侧变流器并网功率因数恒为1，所以发电机转子侧有功功率与电网侧变流器的有功功率相等。考虑到电网电压跌落10%时，变流器电网侧输出交流线路上的最大电流有效值为：（3-2-9）据此，应当选取额定电流大于349A的主接触器(电网侧接触器)并留有一定余量。3.2.2双PWM变换器电压源型的双PWM变换器基本结构框图如下图3-3所示，重要涉及IGBT组成的三相逆变桥（涉及机侧和网侧）、直流支撑电容、放电电阻、吸取电容。以下针对各器件的性能及参数进行分析。图3-3双PWM变换器框图（1）IGBT的性能参数表3-1交流（AC）电压直流（DC）母线电压选择器件耐压单相交流≦230VAC350VDC600V三相交流380V-460VAC600VDC(最大可达900VDC)1200V三相交流575V-690VAC750VDC(最大可达1100VDC)1700V1300VDC(最大可达1800VDC)2500V1500VDC(最大可达2100VDC)3300V2500VDC(最大可达3000VDC)4500V三相2.3kVAC3300VDC(最大可达4500VDC)6500V三相4.16kVAC5900VDC6.5kV串或三电平三相6.6kVAC9.4kVDC多电平①耐压的选取由于大多数IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，所以通常IGBT模块的工作电压（600V、1200V、1700V）均相应于常用电网的电压等级。考虑到过载，电网波动，开关的过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IBGT器件耐压都是直流母线电压的一倍。假如结构、布线、吸取等设计较好，就可以使用较低耐压的IGBT模块承受较高的直流母线电压。表3-1根据交流电网或直流母线电压列出了选择IGBT耐压的参考值。根据表3-1的参数，1.5MW双馈变流器直流母线电压为1100V，所以应选取1700V的IGBT。②电流的选择半导体器件具有温度敏感性，因此IGBT模块标称电流与温度的关系比较大。随着壳温的上升，IGBT可运用的电流就会下降，一般的IGBT模块是按壳温℃来标称其最大允许通过的集电极电流（）。对于所有的IGBT芯片来说，当℃时，这个电流值通常是一个恒定值，但随着的增长，这个可运用的电流值下降较快。需要指出的是：IGBT参数表中标出的是集电极最大直流电流，但这个直流电流是有条件的，一方面最大结温不能超过150℃，另一方面还受安全工作区（SOA）的限制，不同的工作电压、脉冲宽度，允许通过的最大电流不同。同时，一般的厂商也给出了2倍与额定值的脉冲电流，这个脉冲电流通常是指脉冲宽度为1ms的单脉冲能通过的最大通态电流值，即使可反复也需足够长的时间。在电力电子设备中，选择IGBT模块时，通常是先计算通过IGBT模块的电流值，然后根据电力电子设备的特点，考虑到过载、电网波动、开关尖峰等因素考虑一倍或者多倍的安全余量来选择相应的IGBT模块。但严格的选择，应根据不同的应用情况，计算耗散功率，通过热阻核算其最高结温不超过规定值来选择器件。③根据开关频率选择不同的IGBTIGBT的损耗重要由通态损耗和开关损耗组成，不同的开关频率，开通损耗和通态损耗所占的比例不同。而决定IGBT通态损耗的饱和压降和决定IGBT开关损耗的开关时间（，）又是一对矛盾，因此应根据不同的开关频率来选择不同特性的IGBT。在低频如时，通态损耗是重要的，这就需要选择低饱和压降型IGBT系列。若开关频率时，开关损耗是重要的，通态损耗占的比例要小。IGBT在高频下工作时，其总损耗与开关频率的关系比较大，因此若希望IGBT工作在更高的频率，可选取更大电流的IGBT模块；另一方面，软开关重要是减少了开关损耗，可使IGBT工作频率大大提高。随着IGBT模块耐压的提高，IGBT的开关频率相应下降。目前IGBT的制造厂商很多，如英飞凌、赛米控等。比对英飞凌及赛米控的IGBT,赛米控的IGBT重要是集成型的，即IGBT，驱动电路，散热器，传感器，过压、过流保护电路等集成的模块，考虑成本和日后维护的问题，在此选择英飞凌的IGBT。英飞凌模块命名系统如下：图3-4IGBT模块命名系统（2）机侧变换器机侧变换器的重要功能是在转子侧实现矢量变换控制，保证输出解耦的有功功率和无功功率。两个变换器通过相对独立的控制系统完毕各自的功能。机侧变换器由六个IGBT组成三相逆变桥，如图3-5所示。图3-5机侧变换器当发电机工作在极限转速2023r/min时，由式（3-2-7）可得转差率为s=-0.333，由此可得转子最大频率为：（3-2-10）当发电机满功率发电时，即转速为1800r/min，从而得到电机的转差率为：（3-2-11）转子侧输出功率为（3-2-12）由于转子侧输出电压范围是0~690V，而实际电压基本在400V左右，所以转子侧输出最大电流有效值为：（3-2-13）再考虑3倍以上的余量，机侧的IGBT的额定电流值应大于1080A，考虑到温升对IGBT载流的影响，可以选取1600A的IGBT。由于机侧直流母线端的电压为1050V，由之前的IGBT电压等级表可得出，所选IGBT的电压等级应为1700V。通过以上的参数计算可得机侧变换器应选择1700V，1600A,开关频率低的IGBT。参照英飞凌提供的器件参数，可选取FZ1600R17KE3的IGBT。该款IGBT属于单管，电流大，开关频率低。运用英飞凌提供的仿真软件可得出FZ1600R17KE3的仿真参数如下：单块IGBT的功耗仿真效果如下：图3-6FZ1600R17KE3功率仿真温度分布范围如下：图3-7FZ1600R17KE3结温分布仿真由以上仿真可看到IGBT的导通损耗和开关损耗为：431W，二极管的导通损耗和开关损耗为：262W,由IGBT的温度参数应满足：℃℃℃根据仿真结果,所选IGBT符合以上参数规定.（3）网侧变换器网侧变换器的重要功能是实现交流侧输入单位功率因数控制和在不同状态下保持直流环节电压的稳定，保证机侧变换器乃至整个励磁系统可靠工作。网侧变换器也是由六个IGBT组成的三相逆变器，原理结构图如图3-8所示。图3-8网侧变换器网侧变换器连接的是电网侧，所以交流额定电压为690V。由此可得网侧电流有效值为：（3-2-14）式中：——网侧IGBT电流额定值；——转子侧输出功率；再考虑3倍以上的余量，网侧IGBT的电流额定值应大于627A，考虑温升的影响和保守选取，可选取1200A的单管FZ1200R17KE3。运用英飞凌的仿真软件可得参数如下：功耗仿真如下：图3-9FZ1200R17KE3功耗仿真温度分布仿真如下：图3-10FZ1200R17KE3结温分布仿真由以上参数可知，选取FZ1200R17KE3的IGBT可以满足网侧电路的规定。（4）直流支撑电容该双PWM变流器由两个三相电压源型逆变器采用直流连接，中间的滤波电容C用来稳定直流母线电压，转子侧变流器向双馈感应发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流，完毕其矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子无功功率的调节。直流侧电容的选取需要结合实际实验情况综合考虑:一方面，电容值越大，滤波效果越好；另一方面，从体积、重量、价格和动态性能来看，电容值又不宜太大。随着膜电容技术的不断发展，电解电容被膜电容所取代已成为不争的事实，膜电容重要有以下优势：——承受高有效值电流的能力，可达1Arms/uF——能承受两倍于额定电压的过压——能承受反向电压——承受高峰值电流的能力——没有酸污染——长寿命——可长时间存储所以本次设计的变流器也采用膜电容作为直流母线的支撑电容，下面对电容的参数选取做计算：①电压规定：直流电压1050V，故选择1100V的膜电容，膜电容可以承受瞬间过电压，最大电压为1650V。②纹波电流规定：根据经验公式，其中为纹波电流，为逆变器侧交流侧输出的相电流。考虑输出相电流的1.1倍过载，取,则③容值的计算如下：纹波电压的规定：根据直流电压动态响应性能的规定，在额定运营的情况下，考虑极端的情况网侧变流器不工作机侧变流器的所有能量都加到直流电容上时，网侧采用PI调节，在开关频率为2kHz时，一个采样周期为500us，在500us的时间间隔内，直流电压最大波动应小于5%，所以计算的直流电容值如下：（3-2-15）即：（3-2-16）得出：直流侧过电压的规定：在2ms的时间间隔内，直流侧的最大电压不超过1260V，所需要的电容容量计算如下：（3-2-17）得出：所以得出直流支撑电容应大于。根据电路设计的需求，考虑采用420uF/1100V的膜电容，一共六个功率单元，每个单元采用六个膜电容，由此可得容值为：，符合理论计算规定。（5）放电电阻由于选用的膜电容是单个并联，无需考虑电容均压。只考虑放电电阻的选取。1.5MW共6个功率单元，每个功率单元上加1个放电电阻板。设放电时间为600s，由此可得出总的电阻为：（3-2-18）（3-2-19）从而可得每块功率单元的电阻为：（3-2-20）因此可选取5K/1W的电阻，每块电阻板由48个电阻串联而成。对功率的验证（3-2-21）而电阻的总功率为：（3-2-22）满足功率的规定。（6）吸取电容为了克制IGBT在快速开关过程中在母线分布电感上引起的过电压，需要在IGBT两端安装吸取电容。考虑中间直流电压最高1300V，IGBT最高耐压为170OV，则关断过压需小于500V并应留有余量。关断过压与IGBT关断速度、关断电流、直流母线及滤波电容的杂散电感有关。设每个吸取电容为0.22uF，每个功率单元安装3个并联成0.66uF；当母线电压为12O0V时，将最大关断电压控制在1300V以内，认为IGBT如抱负开关同样瞬时关断，则规定直流母线和滤波电容的总杂散电感为:（3-2-23）查阅电容资料可知，非低感设计的标准电解电容等效串联电感(ESL)为20nH，故规定线路杂散电感小于710nH即可，作为结构设计的参考值。由于0.22uF电容己有类似工况成功的应用，本设计吸取电容的容值选取为0.22uF。3.2.3预充电回路为了防止主接触器闭合后直流母线的支撑电容瞬间短路，特设立预充电电阻，如图2-1所示，预充电支路并联于主接触器两端，空气断路器闭合后，变流器开始工作，电网通过预充电电阻给直流母线预充电，当直流母线的电压达成设定值后，主接触器闭合，预充电支路从电路中切出，变流器开始并网发电，直流母线电压此时为1100V。电容充电放电时间计算公式。设为电容上的初始电压值；为电容最终可充到或放到的电压值；为t时刻电容上的电压值。则有（3-2-24）设A.直流电容充电到800认为充电完毕；B.充电时间不超过4s（根据并网时间是6-10s来拟定）；C.充电时直流电流不超过电容纹波电流值。三相正弦电源经二极管整流后认为是直流电源（忽略脉动），电容从零电压开始充电，到800V结束，充电时间为t，则有：（3-2-25）t=1.97RC（这里C取36个420uf膜电容，C=15120uF），保证t≦4s，则有：（3-2-26）可选取100Ω/400W的电阻。（3）建模仿真建立预充电模型，如下：直流电容为15120uF，电源线电压有效值为690V。3-11仿真模型预充电电阻为100Ω时，仿真波形如下：ab图3-12仿真波形从仿真结果看，到800V左右时用时3s，启动电流峰值为12A。3.2.4滤波电路由图3-3双PWM变换器框图可以看到，变流器的滤波电路重要有：网侧电感滤波、机侧du/dt电感滤波，以下对各部分的滤波回路进行分析。1.网侧滤波电路网侧三相电压型PWM变流器因其可以同时控制直流电压和网侧功率因数而被广泛应用于电机驱动、蓄电池充放电控制和并网发电等场合。变流器传统的网侧滤波器为电感L滤波器，由电感L将高频电流谐波限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。但随着