全功率變流器風電機組的工作原理及控制策略(編輯修改稿)
2025-07-22 04:17 本頁面
【文章內容簡介】 ，再裝上轉子， 把右定子固定在右端蓋中，左右端蓋扣緊固定，發(fā)電機就組裝好了，下圖為發(fā)電機外觀圖。 下圖為中間轉子盤式永磁發(fā)電機的剖面圖 下圖為側視的剖面圖。 電勵磁同步發(fā)電機(Electrically Excited Synchronous Generator，EESG)，通常在轉子側進行直流勵磁。使用EESG相比使用PMSG的優(yōu)勢在于，轉子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得 最小損耗；而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險，Enercon公司主要經營這類產品。但是EESG需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉子繞組直流勵磁需要滑環(huán)和電刷。永磁同步電機的數學模型定子電壓方程為其中，、分別為定子d、q軸電壓分量；、分別為定子d、q軸電路分量；為定子電阻；、分別為定子d、q軸自感；為轉子角速度；為轉子永磁體的磁鏈最大值。電磁轉矩方程為其中，p為電機的極對數。忽略附加損耗后的功率平衡方程為其中，、分別為電機的電磁功率、輸入功率和輸入功率；、分別為電機的鐵耗、機械損耗和定子銅耗。電磁功率與電磁轉矩的關系為 全功率變流器風電機組變流器電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網的接口，作用非常重要，既要對風力發(fā)電機進行控制，又要向電網輸送優(yōu)質電能，還要實現低電壓穿越等功能；隨著風力發(fā)電的快 速發(fā)展和風電機組單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結構進行討論。從 圖1中可以看到，典型的永磁直驅變速恒頻風電系統(tǒng)中，采用背靠背雙PWM變流器，包括電機側變流器與電網側變流器，能量可以雙向流動。對PMSG直驅系統(tǒng)，電機側PWM變流器通過調節(jié)定子側的dq軸電流，實現轉速調節(jié)及電機勵磁與轉矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能。電網側PWM變流器通過調節(jié)網側的dq軸電流，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現有功和無功的解耦控制，控制流向電網的無功功率，通常運行在單位功率因數狀態(tài)，還要提高注入電網的電能質量。背靠背雙PWM變流器是目前風電系統(tǒng)中常見的一種拓撲，國內外對其研究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何 提高其故障穿越能力等方面。國外公司如ABB、Alstom，國內公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產品。對直驅型風電系統(tǒng)，變流器拓撲的選擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓撲結構，通過boost變換器實現輸入側功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)，提高發(fā)電機的運行效率，保持直流側電壓的穩(wěn)定，對PMSG的電磁轉矩和轉速進行控制，實現變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能。國外Enercon公司的直驅風電系統(tǒng)e82(2mw)、國內合肥陽光電源的小型并網風力機變流器使用這種拓撲。圖2 不控整流+DC/DC變換+逆變拓撲隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎上，實現高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖3是直驅風電系統(tǒng)中三電平背靠背雙PWM變流器拓撲，與兩電平雙PWM變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管；直流側電容由兩個完全一樣的電容串聯組成，電容的中點作為變換器的箝位點， 由網側變換器保持直流側兩個電容的電壓均衡。這種結構在風電中的應用目前已經比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制策略的優(yōu)化上。 目前，世界范圍內從事大功率風力發(fā)電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，都有多電平的產品方案；ABB用于風力發(fā)電的變流器如acs1000，整流器采 用12脈沖二極管整流，逆變器采用三電平NPC結構，器件采用IGCT；SIEMEN
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