风力发电机变流器及其低电压穿越概述

风力发电机变流器及其低电压穿越概述导语：本文从三种典型风电系统动身，包括失速型风电系统、双馈与目前的风电系统构造，并对所承受的风力发电机进展了争论和分析。引言近年来随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都在大力变速变桨距调整技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征；在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机〔doubly-fedinductiongeneratordfig〕的双馈型风电系统市场份额最大，使用永synchronousgenerator，pmsg〕的直越与无功支持等功能进展了规定，我国也将会有类似的规章出台1-3。本文从三种典型风电系统动身，包括失速型风电系统、双馈与永流器和低电压穿越力量等，介绍了不同风电公司的相关产品与技术。几种典型风力发电系统为有齿轮箱和直接驱动型，有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。从不同的角度可以有不同的分类方法，本文从以下几种典型的风力发电系统动身进展争论4-5。1是一种典型的失速型风力发电系统，包括多级齿轮和鼠笼型感应发电机squirrel-cageinductiongeneratorsciscig通过变压scig需要从电网吸取无功功率，因此通常在定子scigscigvesta维斯塔斯bonusmadnordexscig失速型风电系统构造简洁，牢靠性高，本钱较低，适于大批量生产。但是风速波动用风能，效率低；不能向电网供给无功支持。2是典型的双馈型变速恒频风力发电系统，包括多级齿轮、双馈感应发电机和背靠背双pwmdfig定子侧直接与电网连接，pwm变流器与电网连接，其中转子侧变流器调整dfig变速恒频风电系统可以在较宽转速范围内运行，通常在同步速四周±30%左右，背靠背变流器的容量仅占发电机容量的25～30vestagames〔歌美飒，repower，nordexdfig风电系统产品，最大功率等级已经超5mwdfig电压稳定。dfig变速恒频风电系统，多级齿轮箱仍旧是主要故障点之一，存在摩擦损耗、发热，噪声等问题，需要定期维护；转子上的电dfig影响较大，会在转子侧产生较大的过流，可能造成变流器的损坏，帮助其实现低电压穿越与动态无功支持的掌握策略相对简单。3是典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统，包括永磁同步发电机和全功率背靠背双pwmpmsg通过全功率变流器直接与电网连接，通常极对数较多，低转速，大转矩，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状；由于省去了齿轮箱，从而简化了传动链，提高了系统效率，降低了机械噪声，减小了修理量，提高了dfig越功能。但是永磁材料目前的本钱仍旧较高；变流器容量较大，损耗较大，变流器的本钱较高。理论上永磁体在高温时存在失磁的风险，但是近年来随着永磁材料性能的不断提高、价格的下降，pmsg+全功率变流器已经成为一种很有吸引力和应用前景宽广的方案。目前，zephyros，mitsubishi，疆金风等公司在市场上有这类产品。以上争论了三种典型的风力发电系统，在目前的市场上占据较大4给出了不同风电机组类型在世界年度装机容量中的份额19952023年5scig19950202355%，替代失速型风电系统成为风电市场的主导机型；pmsg&eesg风电系统〔eesg将在后面争论〕10年间缓慢增长，202320%，目前其增长势头要更快将从本节介绍的三种风电机型动身，介绍其他的风电系统。随着风电技术的快速进展，风电机组单机容量将持续增大，从而节约安装空间与本钱，特别是海上风电，由于海上风速更高、空间更调掌握，低电压穿越与无功支持力量，高压直流输电〔hvdc〕在风力发电中的应用等相关技术将成为设备制造商与系统运营商共同关注的课题。风电系统发电机类型针对图1vestas公司提出了优化滑差〔optislip〕的概念，承受绕线转子感应发电机〔woundrotorinductiongeneratowriwrig优化，其他与典型的失速型风电系统一样。目前，vestas，suzlon等速范围越宽，电机滑差越大，电阻需要消耗的功率越多，电机效率越10%以内。2dfig风电系统，由于存在滑环和电刷会降低运行牢靠性，可以承受无刷dfibrushlessdfig，bdfibdfig具有双定子绕dfigpwmdfig比较，省去了滑环和电刷，但是电机制造与掌握更加简单。3pmsg直驱风电系统，还可以承受电励磁同步发电机electricallyexcitedsynchronousgeneratoeeseesc相比使用pmsgeesc在目前的直驱风电系统中应用较多，enercon公司主要经营这类产品。但是eesc需滑环和电刷。pmsg由于不是标准产品，在尺寸及构造上有很大的敏捷〔radialfluxpmmachin，rfp、轴向磁通axialfluxpmmachinafp〕和横向磁通transversalfluxpmmachine，tfp，其中rfpm构造简洁稳固，功率密度更高，在大功率直驱风电系统中得到了较多应用在以上争论的根底上，依据齿轮箱构造和发电机的不同，还有其+全功率变流器变速恒频风电系统，3的风电机组与pmsg1:10左箱系统比较，齿轮箱传动部件更少，是一种折衷的方案。multibrid，winwind等公司在市场上有这类产品。多级齿轮+全功率变流器变速恒频风电系统，可以使用pmsg或者scigpmsg时，电机体积更小，效率更高，与图2所示常规dfig容量较大；ge公司有这类产品。使用scig时，电机制造简洁，与图1常规失速型风电系统比较，掌握敏捷，变速运行、柔性并网、无功支持等功能都简洁实现，也存在变流器容量较大的问题；siemens公司在市场上有这类产品。随着电力电子器件本钱的下降，多级齿轮+全功率变流器会更有竞争力。风电变流器电力电子变流器作为风力发电与电网的接口，作用格外重要，既压穿越等功能；随着风力发电的快速进展和风电单机容量的不断增到应用，以下将对一些典型变流器拓扑构造进展争论。23中可以看到，典型的双馈和永磁直驱变速恒频风电pwm变流器，包括电机侧变流器〔或转子侧变流器pmsg直驱系统，电机侧pwm变流器通过调整定子侧的dqdfigd、q轴电流，实现转速调整及有功、无功功率的解耦掌握。电网侧pwm变流器均通过调整网侧的dq稳定，实现有功和无功的解耦掌握，掌握流向电网的无功功率，通常pwm变流器是目前风电系统中常见的一种拓扑，国内外对其争论较等方面。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5是不控整流+boost变换器+boost变换器实现输入侧功率因powerfactorcorrectiopf直流侧电压的稳定，对pmsg的电磁转矩和转速进展掌握，实现变速enercon、国内合肥阳光电源等公司有使用这种拓扑的产品。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，6是直驱风电系统中三电平背靠背双pwmpwm前已经比较成熟，对其的争论很多，主要集中在掌握策略的优化上研制的一些公司，都有多电平的产品方案；abb用于风力发电的变流acs100012脉冲二极管整流，逆变器承受三电平npc构造，器件承受igct；siemens也有相像的应用，功率器件承受高压igbtalstomigbt，另外还基于igct开发出了飞跨电容型五电平变频器。风电低电压穿越及无功支持随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了的规章，对并网风力发电提出了的要求，这些要求包括有功、无功功率掌握，电压、频率掌握，电能质量掌握，功和无功功率支持，帮助电网电压及频率的恢复及稳定9-1。lvrt介绍及技术现状lvrt〔lowvoltageridethrough，lvrt〕是“风电系统低电压穿越力量”的英文缩写。定义功功率，支持电网恢复，直到电网正常工作为止的力量。7给出了德国e.on标准规定的低电压穿越曲线，其中电网电压0，持续时间为150ms左右，当电网电压在曲线以上时，风电机组要保持并网，并能够在电压跌落及恢复阶段向电网供给无功功许风电机组脱网。这就要求风电系统必需具有较强的低电压穿越力量，能快速向电网供给无功支持。相间故障和三相故障等类型，其故障类型和比例为：单相对地故障70%15%10%5%；还可以分压跌落的深度不等，最低可以到零，持续时间为0.5个电网电压周期到数秒。目前国内外对双馈和直驱变速恒频风电系统在电网故障时的应对措施11-1，已经有较多争论，包括改进变流器掌握策略提高系统的动态特性使其具备肯定的lvrt力量，但在跌落深度较大时，仅依靠电机组捕获的风能。文献［13］对国内外双馈和直驱变速恒频风电系lvrt力量，常运行。变速恒频风电系统lvrt方面的文献大局部针对三相对称电网故障，也在增多，常规变流器矢量掌握下电压、电流只包含正序重量，不压波动14，因此随着对lvrt功能要求的提高，针对不对称故障需lvrt通常需要特地的电压跌落模拟装置，模拟不同的电网电压跌落故障。15〔voltagesaggenerato，vsg〕vsg实现方法，了比照；变压器形式vsg具有构造简洁、牢靠性高和本钱较低的优势，目前使用较多，电力电子变换形式的vsg因其体积小、便于携带和强大的功能。在产品中的应用目前国外生产直驱风电变流器产品的几大厂家如enercon、ge、abb、siemens等，为适应的电网规章对lvrt和无功支持的要求，都enercon风电机组当电网消灭问题时，功率，实现支持电网电压，在故障被修复、电网电压已经恢复后，风电机组马上恢复供电；文献［16］供给了enercon直驱同步电机系统－e66的仿真和测试结果，传递到电网的短路电流值只取决于变流器障及随之的电压跌落，被转化为附加电阻上的热能，因此，故障对发电机机械力矩的影响被降到最低。ge风电的低电压穿越技术能使风电机组在主要的电网故障发生时似的传输牢靠性标准。通过提高发电机组和掌握设计，lvrt技术能使风电机组在消灭严峻电网扰动时可以不连续运行；windvar技术通过的危急，降低电网解列的影响，lvrtwind