风力发电并网控制的变流器研究设计

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文风力发电并网控制的变流器研究设计 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化5班 届 次 2015届 学生姓名 张磊 学 号 20110816 指导教师 李有安 副教授 二一五年六月五日装订线. . . 目 录摘要IAbstractII1 引言11.1 课题背景及意义11.2 风力发电并网技术21.2.1 交流异步发电机形式21.2.2 交流同步发电机形式31.2.3 交流双馈发电机形式42 风电并网时对电网运行所产生的影响42.1 对电力电量平衡的影响52.2 对电网潮流的影响52.3 对电能质量的影响62.4 对电压及功率的影响63 风力发电

2、变流器的发展概述73.1 变流器控制技术发展73.2 变流器散热技术发展73.3 风力发电变流器发展趋势74 风电变流器的基本原理和数学模型84.1 直驱式风电并网变流器拓扑结构分类84.2 直驱式风电并网变流器系统特点84.3 双馈式风力发电机基本原理84.4 双馈变流器的工作原理95 直驱式风电并网控制的变流器设计105.1 风电变流器系统的要求105.2 风电变流系统相关参数设计105.2.1 主电路的设计105.2.2 直流母线电压的选取115.2.3 机侧整流器电感的选取115.2.4 机侧整流器二极管的选取125.2.5 直流母线侧滤波电容的选取125.2.6 机侧整流器和网侧逆变

3、器IGBT的选取135.2.7 输出滤波器的设计136 直驱式风电系统变流器仿真实验156.1 风电并网变流器系统的仿真实验156.2 仿真实验结果分析18参考文献19致谢20ContentsAbstractII1 Introduction11.1 Subject background and significance11.2 Wind power grid connected technology21.2.1 AC asynchronous generator form21.2.2 AC synchronous generator form31.2.3 AC doubly fed gener

4、ator form42 The influence of the wind power grid operation on the operation of the power network42.1 The impact of power balance of power52.2 Impact on power flow of power network52.3 The influence of power quality62.4 The influence of voltage and power63 Development of wind power converter73.1 Deve

5、lopment of converter control technology73.2 Development of converter cooling technology73.3 Development trend of wind power converter74 Basic principle and mathematical model of wind power converter84.1 Topological structure classification of direct drive wind power grid connected converter84.2 The

6、characteristics of direct drive wind power grid connected converter system84.3 Basic principle of doubly fed induction generator84.4 Working principle of doubly fed converter95 Converter design of direct drive wind power grid connected control105.1 Requirements for wind power converter systems105.2

7、Design of correlation parameters for wind power converter system105.2.1 Design of main circuit105.2.2 Selection of DC bus voltage115.2.3 Selection of inductance of machine side rectifier115.2.4 Selection of diode side rectifier diode125.2.5 Selection of capacitor of DC bus side filter125.2.6 Selecti

8、on of IGBT for machine side rectifier and net side inverter135.2.7 Design of output filter136 Simulation experiment of the converter of direct drive wind power system156.1 Simulation experiment of wind power grid converter system156.2 Simulation results analysis18References19Acknowledgement20i风力发电并网

9、控制的变流器研究设计张磊（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：随着当今社会经济的发展，对电能的需求量日益增加，可再生新能源也越来越成为人们的“新宠儿”。风能作为一种可再生重要的清洁新能源也渐渐引起人们的青睐和重视，已逐渐成为可再生能源的开发利用、国家面对能源危机的共同选择，经过近些年的飞速发展，已逐渐成为我国三大能源之一，风力发电技术也随之获得迅猛发展，并日臻成熟。在风力发电技术领域，尤其是并网控制方面，变流器是系统并网最重要的部件之一，因此对它的研究显得更加重要。本篇论文先简要介绍了可再生能源中风力发电的发展现状以及发展趋势，风力发电技术在发电过程中的分类构造类型，比

10、较其优缺点。紧接着，主要从电力电量、电网潮流、电能质量、电压及功率等四个方面说明在风电并网中，对系统大、小电网所形成的冲击影响1，介绍在风力发电中变流器的类型和部分发展趋势的探求。本文主要介绍了直驱式风电变流器的基本原理和数学模型和双馈式风电变流器的基本原理和数学模型，并且更加侧重于直驱式风力发电在并网控制过程中的变流器设计。为了获得并网系统的运行安全稳定性，在MATLAB仿真平台中搭建发电机侧整流器的风力发电并网变流器系统的仿真模型进行仿真实验。仿真结果表明,本文设计的风电并网变流器以及控制策略具有科学性和合理性。关键词：风力发电 变流器 并网控制 直驱式风机 Research and de

11、sign of converter for grid connected control of wind powerLei Zhang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract： With todays social and economic development, the increasing demand for electrical energy, renewable energy, also has b

12、ecome more and more people, the new darling. Wind energy as a renewable important new clean energy has gradually attracted peoples favor and attention, has gradually become the development and utilization of renewable energy, the country is faced with the common choice of the energy crisis, after th

13、e rapid development in recent years, has gradually become one of Chinas three major energy, wind power generation technology also followed the rapid development, and maturity.In the field of wind power generation technology, especially in grid control, the converter is the most important part of the

14、 grid connected system, so it is more important to study it. This paper briefly introduces the development of renewable energy sources of wind power and the development trend of wind power generation technology in the classification of the construction process of the type, comparing their advantages

15、 and disadvantages. Immediately after that, mainly from power, power flow, power can four aspects of quality, voltage and power of description in grid connected wind power, large and small system grid formed by the impact of 1, the search in wind power converter type and part of the development tren

16、d. Are introduced in this paper the basic principle and mathematical model of the basic principle and mathematical model of wind power converter and doubly fed wind power converter direct drive, and more focused on the direct drive wind power generation in the grid control in the process of the desi

17、gn of the converter. In order to obtain the security and stability of the grid connected system, the simulation model of the wind power grid connected converter system of generator side rectifier is built in the MATLAB simulation platform. The simulation results show that the wind power grid convert

18、er and the control strategy are scientific and reasonable.Keywords: Wind power converter and grid connected control of direct drive wind turbine191 引言1.1 课题背景及意义在当今世界中，环境的恶化、能源的枯竭已经成为制约人类社会发展的重大问题。在能源燃料中，比如煤炭、石油等一次化石能源在人类大量的长期的开发利用下日渐枯竭。目前在世界生态环境不断恶化和化石能源大量开采的情况下，世界各国正在不断地加大投入新能源的研发以及利用力度，以此来缓解能源危机所

19、带来的一系列问题2。 可再生能源是指在自然界中能够不断利用，并且循环再生的清洁一次能源。通常我们所说的可再生能源主要有太阳能、地热能、水能、风能、生物能和潮汐能。从能源技术和资源蕴藏量进行分析，适用于大规模发电的可再生清洁能源主要有太阳能、风能、水能、生物能、海洋能等。这些能源的资源潜力非常大并且可以得到永续利用，因此基本不存在面临资源枯竭的问题，同时这些清洁能源循环再用,环境污染比较低。因此，考虑到这些可再生能源的可持续利用性和清洁性,人们把更多的注意力放在这方面，并且在技术方面也得到了飞跃式发展。另外，核能、清洁煤等可再生能源均属于可持续能源，为响应国家科学发展观规划，实现可持续发展能源战

20、略，显著提高能源的利用率也是一个非常重要的方面3。在众多新兴的新能源发电技术中，风力发电明显是技术最成熟，而且最具备大规模开发利用，十分具备发展前景的一种发电方式。另外，风力发电在改善自然生态环境，优化地区性能源结构，促进区域性经济可持续跨越发展等方面具有非常显著的优势，世界各国都加大风力发电的资金和技术投入。世界上的风能资源储备含量极其丰富，根据科学家预测，预计到2020年，世界总的电力需求总量约为26万亿千瓦时，而在那个时候只要可以成功利用30%左右的风力资源，就可以满足世界一定范围内的基本电力需要1。随着风力发电中并网技术的快速不断发展，风力发电成本正在迅速减少。按照美国可再生能源实验室

21、的调查研讨数据统计，在1980-2005年的期间内，风力发电以90%左右的成本呈现快速下降的趋势，其下降速度远超于其他同类别的可在生能源。到2008年底，世界总的风力发电装机发电量平均每年能够达到 260TWh，约占全球总的发电量比例的1.5；仅在2009年一年的时间里，全球新增的风电装机容量就达到了37500MW，而全球总的装机容量仅为157900MW，增速达到30%多。另据专业人士预测，到2020年的时候，全球总的装机容量将有可能达到1500GW，风力发电装机容量有望在现有装机容量的基础上扩大到至少10倍以上，将至少为全世界提供12左右的电力4。在2005年的时候，中国政府出台了可再生能源

22、法，大力支持可再生能源的使用与发展，并且我国在新能源领域积累了比较长足的发展。我国风力发电装机总容量连续4年得到了成倍增长，已位居世界第三位。在2010年底，风力发电装机总容量达到了4000万千瓦，位居世界第二位。除此之外，太阳能光伏发电产业也得到了快速发展，全球市场占有率在短时间里达到了40%2。在中国的“十二五”规划中，新能源的发展目标已被初步确定为，太阳能发电装机总容量为500万千瓦，而风力发电的装机总容量为9000万千瓦。而在电力行业“十二五”的规划与统计中，在2015年一年时间里，风力发电装机总容量达到1亿千瓦，太阳能发电装机总容量达到200万千瓦，而且到2020年风电装机总容量将达

23、到1.8亿千瓦，太阳能总的发电容量达到2000万千瓦5。 据官方数据统计，截至2011年12月，中国风力发电累计装机总容量约占全球装机总量的26.3%，位列世界第一。中国已经渐渐有了在将来成为世界“风能强国”，并且引领世界风能快速发展的良好基础。就现在而言，我们的风电领域创新主要集中在技术引进、消化吸收后的再创新，集成创新弱，原始创新更少，这样将会严重阻碍我国风电领域的快速发展，甚至影响社会整体进步，因此要求得跨越发展，就必须发展自主创新3。要做到真正的原始创新就必须严抓、狠抓基础方面的研究工作。这是一项极其艰苦的工作，要经过很长期的艰苦奋斗才能做出一个比较有价值的、并且有很大实用性的研究成果

24、。由此可见，在发展低碳经济背景下，可再生新能源产业迎来了发展的机遇黄金期。风力发电作为一项重要的可大规模推广的清洁可再生能源,必将在中国的新能源市场中占据非常重要的一席之地。因此，风力发电技术的相关方面的研究在推进风电产业的快速健康发展中起着至关重要的作用6。1.2 风力发电并网技术一般在风力发电中，可以利用的风速通常为3-20m/s，依据与风轮机相串接的发电机转速是否不变，风力发电可分为变速运行和恒转速运行两种方式；而依据发电机内部结构的不同，又可大抵划分为交流异步发电机、交流同步发电机和交流双馈发电机等几种方式的风力发电并网系统7。1.2.1 交流异步发电机形式图1-1 交流异步发电机的风

25、力并网发电系统 交流异步发电机结构相对比较简单，所发出的交流工频电可以直接使用或经过变压器送入电网。在大多数的情况下，异步交流风力发电机是以恒定转速的形式运行的。绕线式异步电机主要是通过接入转子的可变电阻来实现低频励磁的调节，从而使转矩的大小发生变化，进而可以在变速状态下运行。因为交流异步发电机获取励磁电流的主要途径是从电网中吸收能量，所以在一般情况下，异步风力电机发电系统是不能脱离电网而单独运行的。交流异步发电机在系统并网过程中，接入电网一般需要通过晶闸管的控制来实现整个过程，在同步转速附近合闸并网的情况下，往往会产生比较大的冲击电流8。除此之外，有时候增加一个电容无功补偿装置来作为整个系统

26、的补充。1.2.2 交流同步发电机形式图1-2 交流同步发电机的风力并网发电系统 在早期的同步风力发电系统中，不论发电机转矩如何变化，但必须要求发电机转速是保持不变的，否则的话，发电机有可能会与电网发生列解，因此常常需要一个调频调速装置。由于同步发电机的在并网的过程中，需要串接一个调速机构，进而增加了整个系统的复杂性。当风能发生较大幅度的上下波动时，这个时候作用在转子上的转矩在一般情况下将会变得极其不稳定，此时，调速性能也很难达到同步发电机所要求的基本调速精度。随着现代电力电子技术的发展与进步，先进的同步风力发电系统通常采用交一直一交的接入电网方式，同步发电机输出的是交流电，先把交流电变为直流

27、电，然后经过逆变，在变为工频交流电，最终送入配电网或用户。1.2.3 交流双馈发电机形式图1-3 交流双馈发电机的风力并网发电系统双馈发电机与绕线式异步发电机的内部构造大致是相同的，唯一不同的就是，在其转子上有3个或4个滑环，它的馈电方式与馈电机或异步电动机超同步串级调速系统又是大致相同的，即定子绕组接电网，转子绕组则由交一交或交一直一交的变流器装置来提供频率、相位、幅值都可以进行调节的电源，从而达到恒频输出的目的。为了得到频率不变的稳定输出电流，一般先由变流器提供低频励磁电流，然后在转子中逐渐会形成一个旋转的磁场，这个磁场的旋转速度大致等于转子的机械转速与定子磁场的同步转速之差，这样工频电压

28、便会在定子绕组中逐渐感应出来，当发电机转子的转速变化受到风速变化等外界影响时，如果要使定子绕组旋转磁场的转速保持不变，那么就需要同时改变转子绕组中的励磁电流的频率和旋转磁场的转速，这样就可以实现恒频发电，得到并网所需的最理想电压9。2 风电并网时对电网运行所产生的影响在我国存在严重的风电站规模大，而电网容量小、电网建设水平相对较弱的问题，而风能资源相对较为丰富的地区又往往是电网比薄弱的地区，随着我国风电装机容量的不断增加，电网稳定运行的巨大压力也都随着风力发电的不稳定性而产生，不仅提高了电网的运行综合成本，也对电网稳定运行形成了巨大的挑战，同时也对电力供应的经济性产生不良的影响10。三相整流永

29、磁同步电机发电直流机模拟风机拖动电平转换DSP、FPGA控制器DC/AC电网、用户负载电网、用户负载电压传感器图2-1 风力发电并网系统流程图2.1 对电力电量平衡的影响因为风力发电的不可控制性和不确定性，导致在并网的过程中，风电机组的电力供电有时候基本无法满足稳定性、连续性和可调性等要求，不断随外界环境变化的输出功率将会在很大程度上冲击稳定的系统电网。同时，又因为环境的不断变化或不可预知性，调度工作人员有时候甚至无法对风力发电的实际情况做出相对比较有效的发电计划，在这种情况下，比较容易造成不可预知的严重后果，对电力电量的平衡性造成严重影响11。2.2 对电网潮流的影响风力发电并网将对电网的潮

30、流分布和事故后的潮流转移带来严重的影响。同时，它对会影响电力系统的暂态稳定性、电压稳定性，也会对频率稳定性和动态稳定性产生不好的后果。风电厂的有功输出主要取决于风的功率大小，但是风的大小是没有规律性可查的，因而电网对于风电功率的预测暂时还没有找到比较有效的解决办法，或者没有找到相关的预防控制措施。导致风机大量脱网的外界因素可能会有很多种，从而使电网潮流出现较大的波动和转移。其中，在诸多的因素中，影响风机稳定运行的最重要因素就是风速的大小，当风速小于3m/s时，风机是参与并网的，当风速大于25m/s时，并网的风机将会发生自动脱网。最严重的情况就是，因为受到地区恶劣突发自然气象条件的影响，导致较多

31、风机发生集体脱离系统电网的严重后果。另外，对于不具备低电压穿越能力的风机，一旦电压偏差超过1%时，也会产生自动脱网的现象，这就说明当远方故障点发生电压波动时，而且是较短时间的，也有可能产生风机脱网的现象，如果脱网的风机数量相对较多，那么电网潮流也将会发生大规模转移情况。以吉林白城地区电网事故为例，2008年4月9日，吉林白城地区电网白城至开发变电站66kV线路发生两相短路故障，最终电压超越安全界限数分钟，导致风机脱网。从而造成事故扩大，最终影响到省间联络线潮流12。2.3 对电能质量的影响因为风速、风量等不可控因素所产生的影响，导致其电力的质量相对较低。在这种情况下，直接并入配电网的风机也占有

32、不小的比重，因此所带来电网的供电质量问题在实际的运行中必须是重中之重，而且一定要考虑在内。一方面，风电并网可能会带来电压波动和闪变等情况。风力发电机组大多采用软并网方式并入电网，但是在启动过程中，依然会产生比较大的冲击电流。当出风速小于风速时，风机将自动退出额定的功率运行状态。如果在整个风电场中，所有风机同时启动，那么这种冲击将会更加显著地影响配电网的运行情况。不仅如此，风机输出的波动也会随着风速的变化和风机的塔影效应而变化，而其也正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内进行波动(低于25Hz)。因此，在正常运行的情况下，风机也会给电网带来比较严重的闪变问题，继而进一步影响电能的质量。另外，风电

33、并网还可能带来谐波的污染问题。风电主要有两种途径产生谐波的污染问题：一种是风力发电机本身带有的电力电子装置；另一种是风力发电机的并联补偿电容器有可能和线路的电抗发生谐振13。2.4 对电压及功率的影响由于风电机组类型不同，因此无功功率特性的差别也较大。固定转速风电机组异步发电机一般是在早期的风电场中使用，它主要用来吸收系统的无功功率，不可控性比较强，需要配备相应的补偿装置，并通过一定的方式进行改造，以此来进行无功的控制。因为风机的无功功率不可控性，必然会导致电压的高低情况不一，频繁投切无功补偿装置。在系统电压较高的时候对风机才是最有力的，但风机本身就是一个无功电源。目前普遍采用的是风机功率因数

34、接近于1.0的变速风电机组双馈异步电机和直驱风电机组永磁同步机，这样便不再向系统吸收无功功率，使部分无功电压的问题得到了一定的解决，但对恒电压的调节能力还是带有一定的缺陷。所以，有时候还需要通过AVC等系统手段来解决区域性无功电压的调节问题。另外，风电场一般通过安装SVC等动态无功补偿装置、或者输电通道动态无功补偿设备和设备的频繁投切的办法来提高对电压控制性。影响主网的潮流分布的主要是风电功率的波动，同时电压的波动将导致无功补偿设备频繁的投切使用。此外，风电场的利用率相对较低，时间一般为21002400h，当利用率最大时，一般发生在机组出力约占额定功率的95%的情况下，所以风电场将在轻载状态处

35、于一段相对较长的时间，电压肯定会变得偏高，低抗状态将在长时间情况下投入运行。3 风力发电变流器的发展概述 就一般而言，电网和风力发电的接口主要是风力发电变流器，不仅仅要对风力发电机的类型和规格进行严格控制，同时配合以风机控制器，进而为整个电网提供较高的电能质量。变流器顶层电气设计、变流器控制技术、变流器散热设计等几种技术是风力发电变流器中最的关键的，它们各自的发展方向大致如下。3.1 变流器控制技术发展 在双馈式和永磁式直驱变速恒频风电系统当中，实现控制的过程主要是通过对背靠背双PWM变流器的作用进行控制，它的特点是能量的流动具有双向性。而永磁同步电机直驱系统来说，要想实现转矩和电机励磁的解耦

36、控制，必须通过调节转速得以实现，进而保证发电机能在变速恒频的状态下能够稳定运行14。永磁直驱型变流器系统在将发电机发出的边频率和变幅值的交流电能逐渐转变为工频电能的同时，往往需要风机控制器的配合，该系统在实际的运行过程中，要想实现有功传输和无功补偿，必须要控制好电网侧逆变器，进而实现在电网整个传输过程中保持相对稳定的电功率，在保证电能质量方面，还必须选取合适的滤波器。3.2 变流器散热技术发展在研究变流器散热进程中，由于风电机组一般工作在相对比较恶劣的环境中，外界的自然环境因素会直接或间接地影响风机的正常工作。同时，在实际的风电机组工作过程中，一般会伴随高强度的热能的产生，关于变流器合理的散热

37、问题也渐渐成为当今科学家研究的热点之一。从变流器散热研究设计的过程来看，主要是通过改造并采用两电平拓扑结构，在对三电平结构设计加以采用的同时，它将大幅度增加整个系统的成本。而对变流器结构以及其散热整个系统的占地体积进行一定的限制，在实际的大功率变流器中，主要采用液体封闭式循环散热和空气循环冷却相结合的方式，有时候甚至借助于海水对其外部热状态进行冷却处理。3.3 风力发电变流器发展趋势风力发电变流器在研究的实际进程中，一方面要不断提高变流器的功率密度，使风力发电系统的可靠性和维护性得到一定程度的保证，尽可能的使用功率等级相对较高的半导体器件，使整个系统得到合理的模块化设计。另一方面则要降低风能的

38、损耗，使器件的功率处理能力得到充分的发挥，使电压的等级得到提高，进而提高电流的等级。在这样的情况下，它的拓扑结构中一定的灵活多样性得到较为充分的体现。4 风电变流器的基本原理和数学模型直驱式变速恒频风力发电系统中的风力发电机组通过全功率变流器与系统电网、用户之间连接在一起。直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。 风力机先将空气中的风能转化为机械能，使直驱式风力发电机进入工作状态，

39、然后再将变化的机械能变成所要的电能。输出电压的幅值的大小以及频率的变化将会受到外界风速等一系列环境的影响。为了得到系统电网所要求的电能质量参数，需要将发出的交流电先转换成直流电，再将直流电转换成系统电网要求的电压幅值、频率、相位及相序相一致的交流电，这样才能达到风电并网的目的。有时候，还需要调整两者电压的幅值以及相位关系实现能量的转化，达到工业、企业和居民用户的用电要求。4.1 直驱式风电并网变流器拓扑结构分类 直驱式风电并网逆变器拓扑结构可以简单描述为交流直流交流结构。根据发电机侧整流器和电网侧逆变器结构的不同组合,可以得到不同的直驱式并网变流器拓扑结构，主要包括5种结构：不可控整流器+晶闸

40、管逆变器+无功补偿系统拓扑结构、.不可控整流器+PWM电压源型逆变器拓扑结、不可控整流器+电流源型逆变器拓扑结构、不可控整流器+Boost升压电路+PWM电压源型逆变器拓扑结、PWM整流器+电压源型PWM逆变器拓扑结构15。 除了上述几种变流器拓扑结构以外，常见的直驱型风力发电变流器还有二极管箍位型变流等不常见的变流器，这些拓扑结构有着主电路结构复杂度高、使用电力电子器件数量多、控制方式复杂、系统特性好等特点，目前尚处于理论研究阶段。4.2 直驱式风电并网变流器系统特点 1.电机一般使用多极永磁同步结构，使电机运行在低速状态，而且不需要滑环和电刷13，使机械的运行维护成本得到很大的降低； 2.

41、电机内部结构和整流桥一样，都是采用的六相结构，这样可以减少电压的波动，使电压输出稳定在某一状态；3.升压斩波器运用并联多重化结构，同样并网逆变器也采用相同的结构，这样一方面可以使本身的电流大小得到降低一，另一方面可以采用合理的调制模式以及正确的预防处理办法达到有效地抑制高频谐波的目的16；4.3 双馈式风力发电机基本原理 同步发电机运行在稳定状态时，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可以用下面的公式进行表达17，即: （4.1）式中：f发电机端电压输出频率，Hz； P发电机的极对数； n发电机转子的转速，r/min。 当发电机转子处于变速运行的状态时，从电机的内部结构和电机原

42、理来看，我们可以知道，把对称的三相交流电通入到三相对称绕组中，那么将在电机气隙内产生旋转磁场，旋转磁场的转速主要受所通入的交流电的频率和电机的极对数影响，它们的关系可表示如下18，即： （4.2） 式中：旋转磁场的转速，r/min； p为电机的极对数； f为绕线电机转子三相绕组通入的三相对称交流电的频率，Hz。4.4 双馈变流器的工作原理双馈变流器整个系统结构比较复杂，并网开关、双PWM变换器、滤波电路、低电压穿越电路等几个重要部分共同组成了变流器的整个系统。用于变速恒频双馈发电机的变流器应具有以下性能： 1. 为了减少励磁变频器的容量，发电机必须运行在规定的同步转速下，发电机的励磁绕组将会产

43、生双向流动的能量，所以一般要求用于应该具备功率双向流动的能力的双馈发电机的变换器。 2. 为使发电机输出的电能质量可以达到电网的基本要求，因此需要的励磁电流谐波较小，并且谐波频率比较高，即所选用的励磁用变频器输出特性应该是优良的。因此变换器的输出励磁电压一般应具有正弦脉宽调制波形。 3. 为了防止电网的谐波电流受到污染，因此变频器的输入特性要求是相对较高的。目前，符合上述条件并且可用于双馈发电机交流励磁的装置主要包括交交循环变换器、矩阵变换器和交直交双变换器，通过对每种类型的变换器特点性能进行比较，更多情况下一般会选用交直交双PWM变换器作为双馈发电机的交流励磁装置19。在双馈风力发电系统中，

44、电压源型交直交变流器是实际的应用中较为广泛，同时电流源型变流器也广泛应用于电力拖动领域，尤其在一些大功率变流场合得到了大部分的使用，电流型变流器通常采用晶闸管器件构成，它的电流密度相对比较大，因此，也广泛的应用在大功率传动场合中。5 直驱式风电并网控制的变流器设计5.1 风电变流器系统的要求网侧变流器需要实现以下功能：（1）直流母线侧电压保持恒定不变；（2）交流电由直流电变化而来，功率要符合要求；（3）交流电的电压频率应和系统电网的电压保持同步，相位相同；（4）系统并入电网的电流谐波要尽可能相对较小20。对于电网因突发事故、外界不可预知因素等原因所引起的电网突变，或者由于外界电路故障所引起的电

45、压不对称情况，本论文将不做考虑。 附： 国家对风电系统并网标准要求如下表：表5-1 并网标准化指标容量（KVA）电压差（%）相位差（）频率差（Hz）0-50010200.3500-15005150.31500-100003100.1表5-2 电压谐波技术指标N次谐波N1111N1717N2323N3535N总谐波%4.02.01.50.60.35.05.2 风电变流系统相关参数设计 在本设计中，假定直流侧母线电压的规定值为1000V，并网逆变器的额定功率为1.2MW，系统电网电压为380V，直流侧电容一般采用3.33mF规格的，调制方式采用正弦脉宽调制（SPWM）方式。5.2.1 主电路的设计

46、图5-1 直驱式风力发电变流器主电路本设计中，并网逆变器的前级没有控制直流母线电压恒定，直流侧电压源可以用受控电压源来代替。直流侧电容在机侧变流器已在前面章节进行简单概述，故需要设计的参数主要是交流侧滤波电路，即LC滤波电路以满足输入电网电流的谐波要求。5.2.2 直流母线电压的选取风力发电变流器网侧逆变器一般采用三相全桥拓扑结构，通过三相断路器逆变输出直接输入配电网或经电压调整后送入用户。电网额定相电压为220V，其幅值为311V，对于10KV及以下等级的电力系统电压偏移不应超过额定电压的，因此相电压幅值变化范围为289V-333V。三相全桥逆变器一般采用SPWM和SVPWM等调制方式来变化

47、交直流21。对于SPWM调制方式，三相逆变器输出的相电压幅值最大值为： (5.1) 由式(1)可见，采用SPWM调制方式时，直流母线侧电压的最小值为666V。对于SVPWM调制方式，三相逆变器输出的相电压幅值最大值可用下列公式进行表示： (5.2)由式(2)可见，采用SVPWM调制方式时，直流母线侧电压的最小值为576V。综合计算分析，对电压裕量的一定值进行考虑，因此直流母线电压选取的额定值为700V。5.2.3 机侧整流器电感的选取当风力发电变流器在额定功率输出状态下进行工作时，输出有功功率为1500W，此时，Udc=700V，Idc=2.14A。对于发电机侧整流器，其直流母线的负载电阻可计

48、算为：在本篇论文中，风力发电机的额定输出相电压有效值采用100V，其允许的转速范围为额定转速的。因此发电机输出的相电压有效范围为：70V120V。对于三相单管整流器而言，升压倍数可由下面公式进行计算： (5.3)因此，三相单管整流器的升压倍数M的取值范围为2.384.08。对于三相单管整流器的电感，其值的大小可用公式（4）进行表示： (5.4)在上式中，R为整流器的阻抗，为开关周期，K是与三相整流管升压倍数M相关的系数。 假设整流器在临界状态下进行工作，那么根据M取值的范围来说，可选取K=0.05。此时，开关选用的频率为，即。由上式可计算得出管整流器的升压电感为：由上式可知，在实际的选取过程中

49、，升压电感可选值为lmH。5.2.4 机侧整流器二极管的选取在开关作用的一个周期范围内，当三相单管整流器斩波开关管处于断开状态时，升压电感的电流下降为零后，此时整流二极管承受最大电压大小为： 此时，整流二级管中通过的最大电流大致与斩波IGBT相同，为16.97A。考虑一定的电压、电流幅值要求变化，一般选用600V/30A的二极管整流桥。对于机侧整流器二极管来说，当斩波开关管处于导通状态时，此时二极管承受的最大反向电压与直流母线电压值大小相等，为700V。当斩波开关管在导通状态下工作时，二极管处于截止状态，电流被阻断；而当斩波开关管工作在断开情况时，升压电感内储存的电流将通过二极管对电容进行充电

50、，而电流将慢慢减小，因此流过二极管的最大电流大致等于流过的斩波二极管的最大电流，其电流大小为16.97A。考虑一定的电压、电流幅值变化裕度，一般会选用800V/30A的二极管。5.2.5 直流母线侧滤波电容的选取 在一般情况下，直流母线电容的选取应该遵循的原则为：（1）经过电容滤波后，母线电压纹波足够小；（2）电容耐压值达到直流母线侧电压的基本要求；（3）在系统额定工作状态下，母线纹波电流应足够小。由于输出的三相电流为正弦波，导使得在直流母线上会出现在工频周期里，脉动电流将会重复变化6次，直流母线侧的电压幅值将会因此发生波动，与负载功率公交变化关系可表示： (5.5)在上式中，A为与负载功率因

51、数有关的参数，I为输出相电流的有效值，为逆变器基波角频率。由式(5)可求得，直流母线侧电压脉动系数为： (5.6) 当网侧逆变器在额定状态下进行工作时，输出的电能功率因数大致为1，此时可求得输出相电流大小： 查阅相关书籍可知，对应的功率因数相关量可取值为A=0.0535。在本论文中，直流母线电压的脉动系数K%的允许值取为0.2%。由式（6）可以计算求得直流母线滤波电容： 查阅电容的相关规格参数，并考虑一定需求条件，直流母线侧滤波电容最终选取耐压值为1000V、电容值为的电容。5.2.6 机侧整流器和网侧逆变器IGBT的选取当机侧整流器在稳定状态下进行工作时，直流母线侧电压值大小为700V，因此

52、斩波IGBT在关断时承受的电压值为700V。当IGBT开通时，各相电感L充电，在一个开关周期里，IGBT流过的最大电流为： (5.7) 在上式中Usm为发电机相电压幅值，D为斩波占空比，Ts为开关周期，L为升压电感。若考虑极端状况，DTs=0.1ms，而L=lmH，可计算求得最大电流为： 按照1.52倍的电流裕量进行考虑，选择1200V/40A的IGBT为斩波IGBT。 风力发电并网变流器工作于额定功率输出状态时，网侧逆变器的IGBT承受的最大电压为直流母线电压,其额定值为700V，每相输出额定电流为2.27A，因此电网侧逆变器IGBT流过最大的电流为3.21A。考虑1.52倍的电流裕量，选择

53、1200V/10A的IGBT为电网侧逆变器IGBT。5.2.7 输出滤波器的设计风力发电并网变流器电网侧逆变器输出的电压含有大量奇次谐波，对比三相L C滤波器和LCL滤波器的优缺点，采用LCL滤波器作为网侧逆变器输出滤波器，如下图所示。图5-2 电网侧逆变器输出LCL滤波器由此可以得到LCL滤波器的幅频关系为： （5.8） 大量经验数据表明，当5XLI/XL210且2XC5时，LCL滤波器滤波效果和滤波电感体积都较为适中。 通常情况下，应限制滤波器电容的无功功率为额定功率的15%之内，可得到电容的取值范围为： (5.9) 在上式中，P为三相逆变器的输出功率，fs为输出电压基波频率，U0为输出相

54、电压。取Xc=4，求得电容值为，此时滤波器电容的无功功率满足式(9)。 LCL滤波器的电感电流纹波值为： （5.10）在上式中,fk为幵关频率。 通常取纹波电流为额定相电流的15%20%，本文中取纹波电流为20%的额定相电流，根据式(10)可求得L1=9.64mH。取XL1/XL2=8，可得L2=1.2mH。 LCL滤波器中存在电感和电容，网侧逆变器输出特定次谐波电流可能使LCL产生谐振，影响系统的稳定性。滤波器的谐振频率为： (5.11)大量经验数据表明,滤波器固有的谐振频率应该满足： （5.12） 式中，fs为逆变器输出基波频率，fres为滤波器谐振频率，fk为开关频率。根据式(11)可得LCL滤波器的谐振频率为fres=3.45KHz，满足式(12)的要求。因此，LCL滤波器的设计是合理的。6 直驱式风电系统变流器仿真实验 为了验证上述直驱式风电并网变流器理论参数和硬件的选取设计的是否符合基本要求，因此利用MATLAB/SIMULINK平台进行仿真实验，对直驱式风力发电并网变流器的系统参数进行一定程度的验证。仿真结束后，对仿真结果进行整理、分析，从而得出一定的结论。6.1 风电并网变流器系统的仿真实验根据风力发电中直驱式风电并网变流器理论参数和硬件设计，结合其余部件的工作原理，利用MATLAB/SIMULINK仿