1.5M双馈变流器原理的工作原理

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1、双馈型风力发电系统的运行原理
1、双馈型风力发电系统的运行原理
11、、双双馈馈型型风风力力发发电电系系统统的的运运行行原原理理 双馈型风力发电系统结构图如图1所示,由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、
双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为:当风吹动风轮机转动时,风轮机
将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机,双馈电机将机械能转化为电
能,再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合
理的控制使整个系统实现风能最大捕获,同时,通过对变桨机构、变流器及Crowbar保护电
路的控制来应对电力系统的各种故障。 双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量,由于转子侧是通过变频器接入的低
频电流起到了励磁作用,因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是:定子
与一般三相交流发电机定子一样,具有分布式绕组;转子不是采用同步发电机的直流集中绕
组,而是采用三相分布式交流绕组,与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时,定
子绕组并入工频电网,转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电,
转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。 风 轮 机 制 动 器 定子接触器 变 压 器 电 网 齿 轮 箱 D F IG D F IG DD FF IIGG 变 桨 机 构 变 流 器 偏 航 滤 机 构 波 器 Crowbar Crowbar CCrroowwbbaarr 变流器控制 系统控制器 图1、双馈风力发电系统结构图 双馈异步发电机在稳态运行时,定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止,
此时有如下数学关系表达式: n
p n ± f 1 r
2 60 n ?n n s
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基于双馈风力发电机变流器的谐波分析
【摘要】:由于引入了变流器等电力电子装置,变速恒频双馈风力发电系统输出的电流中含有大量谐波,分析双馈风力发电机的谐波特性并减少其谐波含量,对风电并网具有重要意义。介绍了双馈电机的基波和谐波等效电路,在此基础上提出了双馈风力发电机转子侧变流器谐波分析方法,并用一台1.5 MW双馈电机进行了仿真验证。对电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的三种调制方式进行了研究,在1.5 MW双馈风力发电机满载和半载两种工况的仿真下,分析比较了SVPWM三种调制方式下的谐波情况,仿真结果表明采用七段式调制方式合成SVPWM时,双馈电机谐波含量最小。
【作者单位】:
【关键词】:
【分类号】:TM46;TM315【正文快照】:
0引言双馈风力发电是当今风力发电的主流方式。双馈电机结构类似于绕线式异步电机,其定子绕组直接接入电网,转子侧绕组通过双向变流器,经由变压器接入电网。由于转子侧馈入电网的仅为电机的转差功率,其变流器的容量仅约为系统容量的30%,大大降低了风电系统的成本。近年来,我国
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双馈风力发电变流器主要器件设计与系统控制策略
  1 引言
  随着地球常规能源的日益枯竭,发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家,都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。然而,除水能之外的所有可再生能源中,风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。随着风电技术的不断发展,双馈风力发电变流器凭借其体积小、价格低等优势被大多数风电厂采用,双馈风力发电变流器也逐渐成为风力发电系统中的研究热点。
  2 双馈风力发电变流器系统基本工作原理
  2.1双馈风力发电变流器系统介绍
  双馈风电变流器系统原理图如图2-1所示,采用的发电机为转子交流励磁的双馈发电机,其结构与绕线式异步感应电机类似。定子绕组直接接入电网,转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流,在转子中形成一个低速旋转磁场,这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出工频电压。
  由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行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,因此双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分,这样使变频器的成本、体积大大降低。
  这种控制方案通过控制转子电流幅值和相位还可以改变发电机的功率角。因此通过调节励磁可以实现有功无功的独立控制,达到功率因数灵活调节。对电网而言,输出无功功率可起到无功补偿的作用;吸收无功功率起到抑制过电压的作用,从而对于稳定电网做出贡献。
  这种方案的缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷;交流励磁双馈发电机的数学模型、能量关系复杂,控制策略也就相对比较复杂。
  2.22.0MW双馈变流器系统主回路说明
  如2-1图所示,本系统中设计了由KM2控制的预充电支路,当KM2闭合后,通过限流电阻缓慢对直流母线上电容充电,当母线电压达到一定值时方闭合KM1,并切除预充电支路,这样防止直接闭合网侧KM1时对变流器母线电容的冲击。
  网侧LC型滤波单元(U5),可以对变换器输出电压里富含的开关谐波起到滤波作用。
  在电网发生瞬间跌落故障时,制动单元(U3)与Crowbar单元(U6)配合动作,来保持变流器并网运行不脱网。
  转子侧LC滤波单元(U4),抑制机侧输出中的电压开关谐波,将dv/dt控制在一定范围内。
  网侧变流器单元(U2)是一个三相PWM整流器,为转子侧变流器单元(U1)提供稳定的直流电压;而转子侧变流器实际上是一个逆变器,为双馈电机转子提供交流励磁。网侧变流器单元与机侧变流器都有各自的DSP负责对其的实时控制。
  当变流器控制系统检测到机组满足并网条件时,控制并网开关(QF2)闭合,从而实现发电机组并网发电。
  3 2.0MW双馈风力发电变流器主要器件参数计算
  3.1电网侧滤波器设计
  3.1.1电网侧滤波器电感设计
  网侧PWM整流器交流侧进线电感的设计首先应该满足整流器输出有功(无功)功率的要求,同时也要满足抑制电流谐波及快速电流跟踪的要求。下面给出了PWM整流器工作在单位功率因数时对电感的约束条件
在本2.0MW双馈变流器系统中,三相PWM整流器总功率为720kW,交流进线电压690,直流母线电压为1100V,开关频率为2.5kHz,网侧额定电流值为600A。总电感选择时,谐波电流脉动最大允许值可以放大到额定电流的10%~20%,本系统中取电流谐波脉动最大允许值
  3.1.2电网侧滤波器电容设计
  设三相PWM整流器的总功率为,则电容上消耗的无功:
  直流母线电压最小1073V。选取直流母线电压为1100V。
  考虑到以上因素,及市面上IGBT的供货情况,留有一定裕量,我们选择1700V,1000A的IGBT并联,网侧每相单元采用两支并联,机侧每相单元采用三支并联,来满足本系统要求。
  3.3 直流母线滤波电容计算
  直流母线滤波电容C的容量选择主要考虑以下三方面因素:
  (1)电容值能满足期望的纹波电压
  (2)电容的额定电压
  (3)电容的额定纹波电流
  基于对纹波电流与电解电容发热量和寿命关系的分析,纹波电流对于电力电子装置滤波电容容量的选取起到关键的约束作用。因此,可根据纹波电流最大允许值来计算滤波电容容量。滤波电容的计算依据是在直流电流脉动最严重的情况下,保持电压脉动在容许范围内。
  假设负载电流为正弦电流,则直流回路的脉动直流电流也是有规律的,
  4.软件总体框架
  由于2.0MW风电变流器主拓扑采用交-直-交结构,硬件采用机侧网侧独立控制,因此其软件主要分为:网侧控制软件、机侧控制软件两部分。
  软件设计采用模块化设计,根据程序的功能将其分为个功能模块,机侧/网侧程序主要包括:系统初始化模块,AD采样滤波转换模块,CAN通信模块,波形显示模块、软启动模块,电压故障采集模块,低电压穿越处理模块,机侧/网侧控制算法模块,SVPWM生成模块,程序采用定时中断方式进行AD采集及相应的闭环控制,程序在AD中断及主定时中断中轮巡执行。程序中的算法主要是网侧的电压外环及双电流闭环控制、电机侧的电网电压定向矢量控制。
  4.1网侧控制策略
  电网电压定向矢量控制采用双闭环级联式控制结构:电压外环、电流内环。电压环的主要作用是控制直流母线电压;电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制,并实现单位功率因数运行。如下图所示。
  为了检测电网电压不对称跌落、系统采集负序电压、电流并通过双电流闭环进行独立控制。电网电压的低落则通过采集坐标变换在同步坐标下的d-q分量经滤波后,送给电流计算环节,对电网进行无功支撑。
  4.2机侧控制策略
  交流励磁双馈电机与电网之间采用柔性连接,通过对发电机转子电流的控制,就可在变速运行中的任何转速下满足并网条件,实现成功并网,双馈电机并网条件是定子电压和电网电压在幅值、频率及相位相同,因而并网之前应对定子电压进行调节。成功并网之后,风电机组根据实际风速、风向及电网调度需要对机组的有功功率,无功功率实时进行调节。因而并网之后应对双馈电机的功率进行调节。
  机侧分段并网控制策略,依次为转子位置初始误差的补偿阶段、定子电压的建立阶段、双馈电机的并网阶段。并网期间实时提取电网电压、转子电压电流的d-q分量并进行滤波、当母线电压过压、转子过流或过压时封锁机侧PWM信号,投入Crowbar电路保护电机转子,待电流稳定后恢复机侧变流器,采取无功支撑算法,当电压恢复时机侧变流器继续进行功率控制。
  5.结束语
  本文以2.0MW双馈风电变流器为例,介绍了系统主回路中网侧滤波器、母线电容、IGBT等器件参数的计算以及选型,其次对系统的软件总体框架、网侧和机侧控制策略加以说明。双馈电机原理
1 单馈电机与双馈电机
众所周知,一般线绕型异步电动机转子串电阻调速(图1a)或按可控硅低同步串级调速(图1b)其转子调速 (n)均低于定子同步转速(n1 ),转差功率 (PS)都是从转子绕组输出,前者消耗在外接电阻上,后者回输到电网上。 (转差功率 即转子铜耗。电机同步转速不变,输出转速变小时,转子电流增加,转子铜耗增加。即转速越低,转差功率越大; 异步电机定子旋转磁场与转子转速的差额率称 转差率 )
通常,人们将这种定子由固定电源(一般为工频电网电源)供电,转子消耗或回收转差功率的交流异步电动机称为D单馈‖电机。忽略电机损耗,设电机定子电磁功率为P1,电源相序为A-B-C ; 电机转子绕组同步转速为n2,(转子三相电流相序为a-b-c);转子输出机械功为PM,则单馈电机的功率与转速关系为:
P1=PM+PS ……………………………….....① 单馈电机功率(P1)=转子输出机械功(PM)+转差功率(PS)
n=n1-n2 ……………………………………….②单馈电机转速 (n)=定子同步转速(n1)―转子同步转速( n2)
欲使电机转速超越同步转速,根据电磁感应关系和电机稳定运行条件可知,电机转子绕组应由另一套输出电压为Ef的独立附加电源Sf(又称交流励磁电源)供电,并向转子绕组输入转差功率PS,且励磁相序应改为a-b-c(图1c)。这种定、转子绕组分别由各自交流电源供电的交流电机称为D双馈‖电机。工作于超同步电动状态的D双馈‖电机其功率及转速关系为:
P1+PS=PM ………………………………………③双馈电机功率=转子输出机械功(PM)―转差功率(PS)
n=n1+n2 ………………………………………......④双馈电机转速=定子同步转速(n1)―转子同步转速(n2)
D双馈‖与D单馈‖电机本质区别是:D单馈‖电机转子绕组三相电流是感生的,输出转差功率D发电‖D双馈‖电机的转子绕组三相电流由转子感应电势E2与Ef共同产生,Sf电源可强制性向电机输入
在调速传动中,线饶型电动机的应用并不少见,但作D双馈‖应用并不多,这是因采用D双馈‖虽可获得比D单馈‖更好的调速性能和技术、经济指标,但需要增加一套独立的双向变频电源Sf,且控制系统复杂。随着电力电子技术的发展,数控技术和微机控制技术的渗透,双馈调速也日益成熟,并得到推广应用。
2 D双馈‖电机的运转状态
设D双馈‖电机定子回路供电电压为U1,电流为I1;转子回路电流为I2,励磁电源Sf的输出电压为Ef;气隙磁通为Φm ,转子感应电势为E2 ,忽略电机各部分损耗,则:
定子侧电磁功率:1=3
转子侧转差功率:S=322 cosφ2 …………⑥(φ2 为I2与E2 相位差,即转子侧功率因数)
励磁电源容量:f≈S=3f2 cosδ…………...⑦ (δ为I2 与Ef 相位差,即励磁电源Sf 的功率因数)
转矩: M=KMI2Φm sinθ…………......................⑧(KM ―转矩比例系数,θ―I2 与Φm 相位差)
当控制φ1 ,φ2 相位角时,可以控制功率P1 与PS 的流转;当改变θ角时,可改变M的正负;当调节δ时,可调节励磁电流的有功分量与无功分量,从而调节cosφ 1 。图2示出了D双馈‖电机调节有功功率时(δ=0和180°时的)四种运转状态各量近似的相位关系。
从图2可知,双馈电机运转状态的改变既有标量控制,又有矢量控制,当需要调节cosφ 1 时,δ=0~180°
3 多级组合型励磁电源
为使电机获得由低同步~超同步的无级调速性能和有功与无功独立调节的运行特性,从上所述可知,作为D双馈‖调速转子励磁电源的基本条件是:功率可逆流转,且输出电压及其电流的幅值、频率、相位、相序均可调节。从理论上讲,励磁电源可分为二相,三相或多相,下面以选择三相为例加以说明:
3.1 晶闸管相控整流与有源逆变器组合电源(AC-DC-AC):相控变流电源 (图3)
它由两组完全相同的全控桥式整流电路组成,具有中间带大电感滤波直流环节。电机侧变流器Ⅰ和电源侧变流器Ⅱ在传递转差功率PS 时既可工作于D整流‖ 状态(AC-DC),又可工作于(有源)D逆变‖状态(DC-AC)。变压器T是考虑在一定调速范围内转子感应电压与电网相互匹配而设置的。 PPU1I1cosφ 1 …………⑤ (φ1为I1与U1相位差,即电机定子侧EIPPEI
优点 采用电网换流,主控电路简单,PS双向控制易实现。
缺点 励磁电流为方波,存在较大谐波转矩;在n→n1时电机侧变流器Ⅰ无换流电压,电机无法跨越同步转速点,系统运行不稳定,需另采取特殊换流措施。.
3.2 可控整流器与电压型SPWM逆变器组合电源(AC-DC-AC):SPWM变频电源(图4)
电源侧变流器Ⅰ是三相全控AC?DC相控整流器,电机侧变流器Ⅱ是三相电压型SPWM逆变器,具有电容滤波中间直流环节。前者为电网换流,后者为自换流逆变器,采用SPWM调制控制。
优点 该组合电源能为转子提供正弦电压或电流,可消除低次谐波转矩,可在同步转速点平滑过渡。
缺点 低频区输出波形较差,动态性能较差,大容量装置成本高。
3.3 双高频PWM整流器组合电源(AC-DC-AC)::双向高功率因素高频整流电源(图5)
在电源侧与电机侧各接一套三相高频PWM整流电路,通过中间电容滤波直流环节连接起来。当PS 输出转子,电源侧变流器Ⅱ用作高频PWM整流(AC-DC),电机侧整流器Ⅰ将高频PWM整流器转化为‖逆相‖运行(DC-AC),反之,亦然。
优点 能向电机转子提供三相正弦波励磁电压和电流,能使电源侧电压和电流为正弦波,且功率因素为1。
缺点 可关断器件读,低频特性差,成本高,控制较复杂。
4 单级励磁电源
该类电源仅有一级电能转换器组成。
4.1 晶闸管相控型交~交直接变频器(AC-DC):直接变频电源(图6).
图6是三相零式AC/AC变频电路,它是三相交~交变频器最简单的一种,由六组三相半波可控整流电路组成。主电路要用18个元件。在大容量系统中,要采用六组三相全控桥式整流电路,要用36个元件。在采用‖余弦交迭法‖对控制角(α) 进行‖调制‖控制时,可为转子提}

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