【正文】 ...................................................................................................................... 44 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................................ 45 附 錄 ........................................................................................................................................ 47 風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 1 1 緒論 論文直接針對(duì)新能源課題中的 MW 級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的研制這一研究項(xiàng) 目，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案。隨著風(fēng)電技術(shù)的改進(jìn) ,風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越便宜和高效。隨著融資成本的降低和開發(fā)商的經(jīng)驗(yàn)日益豐富 ,項(xiàng)目開發(fā)的成本也相應(yīng)得到降低。 ⑵ 海上風(fēng)電悄然興起 海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域 ,使得近海風(fēng)電技術(shù)成為近來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。到 2020 年末 ,圍繞歐洲海岸線 ,海上風(fēng)電總裝機(jī) 600 MW ,集中在丹麥、瑞典、荷蘭和英國(guó)。全球的風(fēng)能約為 109MW，其中可利用的風(fēng)能為 2107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總 量還要大 10 倍。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從多種結(jié)構(gòu)形式逐步向少數(shù)幾種過(guò)渡的過(guò)程。到現(xiàn)在只剩下以水平軸﹑上風(fēng)向﹑三葉片的機(jī)組為主，其中又有定槳距和變槳距風(fēng)輪，定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，有齒輪箱和無(wú)齒輪箱等幾種。全球風(fēng)電裝機(jī)總量預(yù)計(jì)在未來(lái)五年增加兩倍至 44700 萬(wàn)千瓦，且可能在十年內(nèi)擴(kuò)大至近 100000 萬(wàn)千瓦。同年，美國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的漲勢(shì)也強(qiáng)勁，其新增裝機(jī)容量上漲 39％，約為 1 萬(wàn)兆瓦，總裝機(jī)容量達(dá)到 萬(wàn)兆瓦。其中，西班牙新增容量達(dá)到 2460MW，德國(guó)達(dá)到 1920MW。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)五年，全球風(fēng)電仍將保持 20％以上的增長(zhǎng)速度。 最后，從政策上來(lái)了解各國(guó)對(duì)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的態(tài)度。歐洲的德國(guó)、丹麥、荷蘭等采用政府財(cái)政扶持、直接補(bǔ)貼的措施發(fā)展本國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè) 。印度通過(guò)鼓勵(lì)外來(lái)投資和加強(qiáng)對(duì)外合作交流來(lái)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè) 。多種多樣的優(yōu)惠政策促進(jìn)了各國(guó)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展。經(jīng)過(guò)初期發(fā)展﹑單機(jī)分散研制﹑示范應(yīng)用﹑重點(diǎn)攻關(guān)﹑實(shí)用推廣﹑實(shí)用化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個(gè)階段的發(fā)展，無(wú)論在科學(xué)研究﹑設(shè)計(jì)制造，還是試驗(yàn)﹑示范﹑應(yīng)用推廣等方面均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和很高的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1986 年 4 月，中國(guó)第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電， 3 臺(tái) 55KW 機(jī)組是由航空部和山東省由丹麥引進(jìn)的，同年 10 月作為國(guó)際科技合作項(xiàng)目，利用比利時(shí)政府贈(zèng)送的 4臺(tái) 200KW 機(jī)組建成平潭示范風(fēng)電場(chǎng)。 1997 年當(dāng)年裝機(jī)超過(guò) 10 萬(wàn)千瓦，達(dá)到一個(gè)高峰。 2020 年中國(guó)成為第一大風(fēng)電 裝機(jī)市場(chǎng)，新增裝機(jī)容量為 1375 萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)率連續(xù)6 年超過(guò) 100％，成為增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。 2020 年我國(guó)的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)。截至 2020 年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘窟_(dá) 1613 萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng) ％ .其中， 2020 年風(fēng)電電量為 269 億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng) ％，占總電風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 3 量的 ％ 。 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。預(yù)計(jì)到 2020 年，將在新疆﹑甘肅﹑內(nèi)蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立 6 個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地 ，在河北﹑內(nèi)蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)力機(jī) ,經(jīng)齒輪箱升速后驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)的發(fā)展依賴于大容量電力電子技術(shù)的成熟 ,從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方面可分為直接驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)包括繞線式異步發(fā)電機(jī)、變頻器和控制環(huán)節(jié) ,其定子繞組直接接入電網(wǎng) ,轉(zhuǎn)子采用三相對(duì)稱繞組 ,經(jīng)背靠背的雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連 ,給發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁 ,勵(lì)磁頻率即為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻 率。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 ,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進(jìn)一步成熟。 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、過(guò)載能力強(qiáng)以及運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn) ,是過(guò)去幾年主要的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。因此它的并網(wǎng)運(yùn)行將給系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來(lái)許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的新問(wèn)題 ,隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大 ,這些問(wèn)題將愈加突出。風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電 (比如火電、水電和核電 ) 相比 ,主要區(qū)別如下 ： (1) 由于風(fēng)力的隨機(jī)性和間歇性 ,風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出亦具有隨機(jī)性 ,大小取決于風(fēng)速的變比 ,而常規(guī)能源的有功輸出和無(wú)功輸出都可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。 (3) 相對(duì)于常規(guī)能源機(jī)組 ,風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量較小 ,大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)的重要特點(diǎn)。異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)時(shí) ,沒(méi)有獨(dú)立的 勵(lì)磁裝置 ,并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有電壓 ,因此并網(wǎng)時(shí)必然伴隨一個(gè)過(guò)渡過(guò)程 ,流過(guò) 5～6 倍額定電流的沖擊電流 ,一般經(jīng)過(guò)幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。滑差越大則交流暫態(tài)衰減時(shí)間就越長(zhǎng) ,并網(wǎng)時(shí)沖擊電流有效值也就越大。但對(duì)小容量的電網(wǎng)而言 ,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)瞬間將會(huì)造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌 ,從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運(yùn)行 ,甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全 。 (2) 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量的影響 風(fēng)速變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停 。功率的變化將會(huì)使電網(wǎng)頻率在一定范圍波動(dòng) ,影響電網(wǎng)中頻率敏感負(fù)荷的正常工作。此外 ,風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng) ,將會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流 ,引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變 ,并可能引發(fā)由諧振帶來(lái)的潛在問(wèn)題。異步發(fā)電機(jī)在發(fā)生近距離三相短路故障時(shí)不能提供持續(xù)的故障電流 ,在不對(duì)稱故障時(shí)提供的短路電流也非常有限。另一方面 ,盡管風(fēng)力發(fā)電提供的故障電流非常有限 ,但也有可能會(huì)影響現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置的正確運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí) ,其輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響會(huì)比較顯著 ,影響了電網(wǎng)的一些頻率敏感負(fù)荷的正常工作。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 這種并網(wǎng)方式要求并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與 電網(wǎng)的相序相同， 當(dāng)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的 90%100%時(shí)，即可完成自動(dòng)并網(wǎng)，如圖 11 所示。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單，但并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，并網(wǎng)沖擊電流達(dá)到額定電流的 45 倍，會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降，因此這種并網(wǎng)方式只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下 [12]。 圖 11 直接并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 雙饋并網(wǎng) 針對(duì)定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)方案開始采用。變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與定速型鼠籠發(fā)電機(jī)相同的是，發(fā)電機(jī)定子都直接并網(wǎng)，能將大部分電能輸入電網(wǎng)，同時(shí)從電網(wǎng)吸收勵(lì)磁功率 。該功率變換器的容量?jī)H為電機(jī)容量的 1/3，并且能量可以雙向流動(dòng)。 結(jié) 構(gòu)圖如圖 12 所示 [11]。隨著風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電的頻率也是不斷變化的。變頻器，將這些頻率不斷變化電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電， 輸入電網(wǎng)。 圖 13 直驅(qū)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 目前先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中的典型技術(shù)方案，不外乎變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和無(wú)齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種，二者各有優(yōu)劣。直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)具有傳動(dòng)鏈能量損失小、維護(hù)費(fèi)用低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn) [16]。 缺點(diǎn) :發(fā)電機(jī)功率因數(shù)低，在發(fā)電機(jī)輸出電壓低于電網(wǎng)電壓 (低風(fēng)速 )時(shí)無(wú)法將能量饋入電網(wǎng)。但開關(guān)主器件完全能夠國(guó) 產(chǎn)化，大大降低了風(fēng)機(jī)的成本。本文提出的晶閘管整流 +晶閘管有源逆變變流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)理論分析，其在性能基本不變的情況下大幅度地降低了風(fēng)機(jī)變流器的成本，提高了風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的比重。它已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的變流電路種類繁多，其電路結(jié)構(gòu)多種多樣，但是其實(shí)現(xiàn)的功能和目標(biāo)都是一樣的，那就是如何將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相，能與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)柔性連接的交流電。但是交交變流電路諸如周波變換器要求輸入電壓 (發(fā)電機(jī)輸出電壓 )頻率低于 1/3 輸出電壓 (并網(wǎng)電壓 )50HZ 頻率，這樣就要求發(fā)電機(jī)工作的頻率低于 16HZ，但是發(fā)電機(jī)最優(yōu)工作頻率很難達(dá)到 16HZ，另外周波變換器采用的是晶閘管，需要的數(shù)量也較多，因此，交交變流電路很少在變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用，主要用交直交變流電路。 主電路工作原理 本文中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流系統(tǒng)采用三相橋式晶閘管可控整流，把風(fēng)機(jī)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的幅值不固定、頻率不固定的 交流電轉(zhuǎn)化為直流，由經(jīng)電容器的濾波轉(zhuǎn)化成直流電壓，經(jīng)平波電感平流和限流后，再由三相橋式電路的晶閘管有源逆變器轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)側(cè)電壓頻率一致的交流電，經(jīng)過(guò)一個(gè)升壓變壓器并到網(wǎng)上。三相橋式逆變電路即是三相橋式全控整流電路在 /2α 范圍內(nèi) (對(duì)應(yīng) 0β /2)作為有源逆變的運(yùn)行方式，因此可利用整流電路的分析方法去分析三相逆變電路。平波電抗器 L 的電感量如果足夠大，電流為平滑直流。小于 120176。另一種是在觸發(fā)一個(gè)晶閘管時(shí)，同時(shí)給前一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖，即雙窄脈沖觸發(fā)，本文系統(tǒng)中采用的是用寬脈沖的形式來(lái)觸發(fā)晶閘管 [4]。 β是逆變控制角。一般情況下，有源逆變器的輸入也是固定的，這時(shí)就只能依靠調(diào)節(jié)逆變角 β來(lái)調(diào)節(jié)反饋功率的大小。 逆變顛覆及其防止 晶閘管在逆變狀態(tài)下，如果發(fā)生晶閘管觸發(fā)不導(dǎo)通以及交流電源本身原因造成缺相，則逆變時(shí)的直流電源可能會(huì)通過(guò)逆變電路晶閘管形成短路，也可能使直流電源與逆變電路直流側(cè)電壓順串短路。這種情況稱為逆變顛覆或逆變失敗。使得應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管不能正常導(dǎo) 通，致使直流側(cè)電壓極性相反，與直流電源順極串聯(lián)短路而造成逆變顛覆。在應(yīng)該阻斷期間，器件失去阻斷能力，如斷態(tài)重復(fù)峰值電壓裕量不 足 ，正向阻斷期誤導(dǎo)通，造成直流側(cè)電源瞬時(shí)極性相反，也構(gòu)成回路極性串聯(lián)短路，逆變顛覆。由于直流輸入電源仍存在，晶閘管仍可以導(dǎo)通，但此時(shí)沒(méi)有平衡直流電源的交流電壓，反電勢(shì)將通過(guò)晶閘管短路，造成逆變頗覆。 為了防止逆變顛覆，在晶閘管相移有源逆變器中需要采取必要的措施。另外一個(gè)重要的措施是從逆變角的角度來(lái)考慮，必須限制逆變角在一個(gè)允許的最小角度 βmin內(nèi)。一般元件的關(guān)斷時(shí)間 tq=200300181。5176。隨直流平均電流及換流電 抗的增大而增大。=15176。 3)安全裕量 φ=10176。 這樣，最小逆變角 βmin=θ+181。35176。 換流重疊現(xiàn)象 和整流電路一樣，實(shí)際逆變電路中各晶閘管支路總存在有各種電感，主要是變壓器的漏感及線路的一些雜散電感。即導(dǎo)通元件中的電流不是由零瞬時(shí)增大到 Id。這樣，流經(jīng)每個(gè)晶閘管的電流波形將為梯形波，如圖所示。兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的換流重疊時(shí)間折算成電角度 γ稱為換流重疊角。 與整流電路不同的是逆變過(guò)程的換流重疊現(xiàn)象將使直流側(cè)電壓 Ud 波形增加一塊面積，造成直流平均電壓 Ud 略有提高。/2 (26) 換流 重疊角現(xiàn)象的存在對(duì)于逆變運(yùn)行可能帶來(lái)不良后果。 控制系統(tǒng)概述 任何控制系統(tǒng)都有三