第二部分双馈机组控制

风电变流器技术主讲：张学广WindPowerGroupPowerElectronics&ElectricalDrivesLabBringourideastogether!当前第1页\共有58页\编于星期三\8点风电机组类型：风电变流器及产业概况以变流器为分类标准无变流器：传统鼠笼式发电机直接并网部分功率变流器：双馈发电机全功率变流器：永磁发电机，电励磁同步发电机，鼠笼式发电机当前第2页\共有58页\编于星期三\8点风电机组类型：风电变流器及产业概况高速型：双馈、全功率（发电机体积最小！）低速型：全功率（发电机体积最大！）中速型：全功率（发电机体积中等！）永磁发电机与齿轮箱的集成—紧凑、高效当前第3页\共有58页\编于星期三\8点当前第4页\共有58页\编于星期三\8点当前第5页\共有58页\编于星期三\8点当前第6页\共有58页\编于星期三\8点当前第7页\共有58页\编于星期三\8点双馈电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况当前第8页\共有58页\编于星期三\8点全功率电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况当前第9页\共有58页\编于星期三\8点全功率电流型风机变流器拓扑优点：1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；2）由于阀侧电压近似正弦，无需du/dt滤波器；3）良好的短路保护能力和LVRT特性。缺点：1）功率器件及供货问题；3）储能电感体积大、增加了损耗；2）系统的动态响应和振荡问题。风电变流器及产业概况当前第10页\共有58页\编于星期三\8点电流型+电压型的风机变流器优点：1）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗2）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波3）较快的动态影响和稳定性缺点：1）变流器结构复杂2）控制复杂风电变流器及产业概况当前第11页\共有58页\编于星期三\8点矩阵型风机变流器优点：无中间储能环节，效率高；功率管的热应力相对较低（与电网频率相关），开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；du/du低。缺点：采用双向功率器件，且数量较多；输入输出耦合，FRT性能差。风电变流器及产业概况当前第12页\共有58页\编于星期三\8点国外主流风机变流器生产商

其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有国内前几位的市场份额风电变流器及产业概况当前第13页\共有58页\编于星期三\8点ABB风机变流器一类是应用于双馈发电系统的ACS800-67系列（0.85MW至3.8MW）一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的ACS800-77系列（0.8MW至6MW）特点：采用直接转矩控制（DTC）三相半桥模块化设计全封闭紧凑型设计ACS800-67LC液冷型适用于3MW机组的双馈风电变流器ACS800-77LC液冷型适用于5MW以下机组的全功率风电变流器配备有最新的软件和硬件，以支持各个地区的电网法规。如E.ON、R.E.E和FERCOrder661风电变流器及产业概况当前第14页\共有58页\编于星期三\8点ABB风机变流器风电变流器及产业概况当前第15页\共有58页\编于星期三\8点科孚德机电(Converteam)前身是法国知名企业阿尔斯通(Alstom)机电部，于2005年成为独立公司Converteam中国区总部科孚德机电(上海)有限公司位于上海市莘庄工业园区内，从2005年发展到现在已有110余名员工，并拥有2000余平米的生产基地。风机变流器系列：双馈变流器(ProWind)：0.5—5MW/690V低压全功率变流器(MV3000)：1—5MW/690V中压变流器(MV7000)：3—8MW/3300V、6600V

特点：低压系列采用相桥模块化设计，产品成熟、价格较ABB低。科孚德机电(Converteam)变流器风电变流器及产业概况当前第16页\共有58页\编于星期三\8点科孚德机电(Converteam)变流器风电变流器及产业概况当前第17页\共有58页\编于星期三\8点科孚德机电(Converteam)变流器风电变流器及产业概况当前第18页\共有58页\编于星期三\8点艾默生网络能源有限公司（美国深圳）1.5MW双馈风机变流器-风冷1.25MW/1.5MW双馈风机变流器-液冷2MW双馈风机变流器-液冷2.5MW双馈风机变流器-液冷3MW双馈风机变流器-液冷1.5MW全功率风机变流器-风冷风电变流器及产业概况当前第19页\共有58页\编于星期三\8点艾默生网络能源有限公司（美国深圳）

风电变流器及产业概况当前第20页\共有58页\编于星期三\8点美国超导公司于2007年9月11日在中国苏州市设立了全资子公司苏州美恩超导有限公司。目前中国公司主要负责生产变流器PowerModule™PM1000和PowerModule™PM3000W目前向中国客户华锐风电科技有限公司、东方汽轮机厂、中国南车时代-株洲电力机车研究所有限公司，沈阳鼓风机集团有限公司和许继集团提供风机的整体设计和电控系统，包括电力核心部件。美国超导公司AMSCWindtec（美国）风电变流器及产业概况当前第21页\共有58页\编于星期三\8点美国超导公司AMSCWindtec（美国）.PowerModule™PM系列实际上是一种便于快速开发变流器的可编程的核心功率平台（无输入、输出滤波器、电气开关等）风电变流器及产业概况当前第22页\共有58页\编于星期三\8点美国超导公司AMSCWindtec（美国）WindtecPM3000W技术参数一览表SpecificationsNominalACVoltage:690VACNominalDCBusVoltage:1150VDCMax.TransientDCBusVoltage:1400VDCPWMSwitchingFrequency:3kHzMax.ContinuousACPhaseCurrent:750A风电变流器及产业概况当前第23页\共有58页\编于星期三\8点美国超导公司AMSCWindtec（美国）风电变流器及产业概况当前第24页\共有58页\编于星期三\8点风电变流器及产业概况当前第25页\共有58页\编于星期三\8点26１５００KVA/３．３KV功率单元变压器冷却风机控制单元尺寸W３４００＊H２４００＊D１２００重量：５３００Kg日本安川电机的高压矩阵变频器风电变流器及产业概况当前第26页\共有58页\编于星期三\8点双馈电压型风机变流器拓扑风电变流器及产业概况当前第27页\共有58页\编于星期三\8点双PWM电能变换器控制目标电机侧变换器网侧变换器发电机运行在最优点减少电机侧谐波电流提供恒定的直流电压减少注入电网谐波电流双PWM（全功率）电能变换器协调控制变频变幅电压

恒频恒幅电压

当前第28页\共有58页\编于星期三\8点交流励磁双馈电机变速恒频运行原理定子电频率、转子电频率和转速对应的频率满足：根据转速相对于同步速之间关系将双馈电机运行区间分为：亚同步速区域同步速区域

超同步速区域当发电机的转速变化时，即fm变化时，若控制

f2

随之相应变化，可保持f1恒定不变，从而实现了双馈电机的变速恒频运行当前第29页\共有58页\编于星期三\8点双馈电机功率传递关系有功功率传递关系s＞0亚同步s＜0超同步双馈电机的功率流程图定子端功率

转子端功率

当前第30页\共有58页\编于星期三\8点双馈电机矢量控制

电压矢量：定子电压和转子电压

电流矢量：定子电流和转子电流

磁链矢量：定转子磁链和气隙磁链可供选择的定向矢量

变速恒频双馈电机风力发电系统中常用的定向矢量有：定子磁链、电网电压，转子磁链、气隙磁链、转子电流、转子感应电动势等。当前第31页\共有58页\编于星期三\8点电网电压相角:转子位置角:重要的角度：双馈电机电网电压定向矢量控制滑差角:电网电压可以直接测量不受电机参数变化的影响容易实现与电网电压同步有功功率无功功率计算简单有功功率和无功功率的解耦控制当前第32页\共有58页\编于星期三\8点电网电压定向矢量控制

定子开路

转子电流参考的选择优点:

提高补偿精度可以加快励磁阶段对定子电压的调整过程转子位置不存在误差

转子位置角初始误差补偿当前第33页\共有58页\编于星期三\8点分段并网并网条件双馈电机分段并网控制策略定子电压与电网电压满足：相位相同幅值相同频率相同从而可以实现平滑并网

双馈发电机并网控制一般包括：励磁阶段或者定子电压的建立阶段双馈电机的并网阶段当前第34页\共有58页\编于星期三\8点双环控制内环转子电流环外环定子电压控制环功率控制环并网控制阶段

转子位置初始误差补偿阶段定子电压建立阶段双馈电机并网阶段电网电压定向矢量控制

双馈电机分段并网控制策略当前第35页\共有58页\编于星期三\8点双馈电机分段并网控制策略

-

-

Zero_point_Detect

Trans.(1)

Inv.

Trans.

(2)

Usdref

Usqref=0

usq

usd

+

SPWM

ird

irq

R_Cur

Controller

S_Vol.

Controller

isd

isq

Trans.(2)

Trans.(1)

ira

irb

isa

isb

usa

usb

usc

Power

Controller

switch

Power

Calculation

Psref

Qsref

usd

usq

ugb

ugc

Grid

irdref

irqref

+

Controller

Com_RPE

cq

sq

2w

2q

rq

sq

)/(msLUrdrefiw-=

0=rqrefi

Trans.(1)

ugd

ugq

uga

当前第36页\共有58页\编于星期三\8点实验结果Stage1:定子电压建立阶段电网电压(蓝)&定子电压(红)转子电流(红)当前第37页\共有58页\编于星期三\8点实验结果Stage2:双馈电机并网阶段并网瞬间并网瞬间电网电压(蓝)&定子电压(红)电网电压(蓝)&定子电流(红)转子电流(红)当前第38页\共有58页\编于星期三\8点网侧变换器电网电压定向矢量控制网侧电流d轴分量为有功电流q轴分量为无功电流电网电压同步旋转坐标系的d轴按电网电压矢量定向当前第39页\共有58页\编于星期三\8点网侧变换器电网电压定向矢量控制网侧变换器典型控制结构框图采用级联式双环控制结构：

电压外环：负责直流母线电压的控制，实时地给出内环有功电流的参考值

电流内环：根据电压环给出的命令，负责实现网侧电流的控制；为实现单位功率因数运行，无功电流参考一般取为零当前第40页\共有58页\编于星期三\8点网侧变换器电网电压定向矢量控制电流环控制器采用前馈解耦控制：耦合电流环控制器PI参数可采用零极点对消的方法进行设计当前第41页\共有58页\编于星期三\8点突减负载(100%50%)突增负载(50%100%)突减网侧进线电压(100%50%)突增网侧进线电压(50%100%)实验结果InputcurrentDCbusvoltageDCbusvoltageInputcurrent当前第42页\共有58页\编于星期三\8点实验结果InputcurrentInputvoltage网侧单位功率因数运行当前第43页\共有58页\编于星期三\8点双馈发电机控制系统设计与实验研究双馈风电系统实验室模拟平台结构图当前第44页\共有58页\编于星期三\8点当前第45页\共有58页\编于星期三\8点

双馈风电系统实验室模拟平台控制柜

变换器控制系统变换器主电路及驱动电路

Crowbar电路当前第46页\共有58页\编于星期三\8点

论文成果_双馈发电机控制系统设计与实验研究并网前后转速变化动态波形当前第47页\共有58页\编于星期三\8点论文成果_双馈发电机控制系统设计与实验研究有功无功变化动态波形当前第48页\共有58页\编于星期三\8点网侧变换器实验波形论文成果_双馈发电