全功率變流器風(fēng)電機組的工作原理及控制策略(編輯修改稿)
2024-07-22 04:17 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ，再裝上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子盤式永磁發(fā)電機的剖面圖 下圖為側(cè)視的剖面圖。 電勵磁同步發(fā)電機(Electrically Excited Synchronous Generator，EESG)，通常在轉(zhuǎn)子側(cè)進行直流勵磁。使用EESG相比使用PMSG的優(yōu)勢在于，轉(zhuǎn)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(fēng)險，Enercon公司主要經(jīng)營這類產(chǎn)品。但是EESG需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉(zhuǎn)子繞組直流勵磁需要滑環(huán)和電刷。永磁同步電機的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子角速度；為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈最大值。電磁轉(zhuǎn)矩方程為其中，p為電機的極對數(shù)。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(zhuǎn)矩的關(guān)系為 全功率變流器風(fēng)電機組變流器電力電子變流器作為風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，作用非常重要，既要對風(fēng)力發(fā)電機進行控制，又要向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能，還要實現(xiàn)低電壓穿越等功能；隨著風(fēng)力發(fā)電的快 速發(fā)展和風(fēng)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(yīng)用，以下將對一些典型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行討論。從 圖1中可以看到，典型的永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，采用背靠背雙PWM變流器，包括電機側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器，能量可以雙向流動。對PMSG直驅(qū)系統(tǒng)，電機側(cè)PWM變流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的dq軸電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及電機勵磁與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲功能。電網(wǎng)側(cè)PWM變流器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的dq軸電流，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無功功率，通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，還要提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。背靠背雙PWM變流器是目前風(fēng)電系統(tǒng)中常見的一種拓?fù)?，國?nèi)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(nèi)公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產(chǎn)品。對直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)，變流器拓?fù)涞倪x擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過boost變換器實現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)，提高發(fā)電機的運行效率，保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，對PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)變速恒頻運行，在額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲功能。國外Enercon公司的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)e82(2mw)、國內(nèi)合肥陽光電源的小型并網(wǎng)風(fēng)力機變流器使用這種拓?fù)?。圖2 不控整流+DC/DC變換+逆變拓?fù)潆S著風(fēng)電機組單機容量的不斷增大，風(fēng)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?fù)涞玫搅藦V泛關(guān)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(chǔ)上，實現(xiàn)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(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中三電平背靠背雙PWM變流器拓?fù)?，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(cè)電容由兩個完全一樣的電容串聯(lián)組成，電容的中點作為變換器的箝位點， 由網(wǎng)側(cè)變換器保持直流側(cè)兩個電容的電壓均衡。這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)電中的應(yīng)用目前已經(jīng)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(nèi)從事大功率風(fēng)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(chǎn)品方案；ABB用于風(fēng)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(jié)構(gòu)，器件采用IGCT；SIEMEN
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