风力发电变流器技术
直驱型永磁同步风力发电系统变流器的控制研究
三、直驱型永磁同步风力发电系 统变流器的控制策略
控制策略是直驱型永磁同步风力发电系统变流器的核心，其目的是在风速变化 和负载变化的情况下，保持系统的稳定性和效率。以下是几种常见的直驱型永 磁同步风力发电系统变流器的控制策略：
1、最大功率点追踪（MPPT）：MPPT控制策略的目的是在风速变化的情况下， 使风力发电机始终工作在最大功率点附近。通过实时监测风速和发电机输出功 率，并调整功率变换器的控制参数，使发电机输出功率与风速对应，以实现最 大功率点的追踪。
3、混合控制
混合控制是一种将直接电流控制和间接电流控制相结合的控制方法。该方法结 合了直接电流控制的高效性和间接电流控制的稳定性优点，能够更好地实现变 流器的控制。在混合控制中，可以通过调节PI控制器和发电驱型永磁同步风力发电系统变流器控制方法进行了深入研究，介 绍了直接电流控制、间接电流控制和混合控制三种常见的控制方法。这些控制 方法在实现变流器的高效控制和提高系统稳定性方面都具有重要作用。随着风 电技术的不断发展，我们可以进一步研究更先进的变流器控制策略，以提升直 驱型永磁同步风力发电系统的性能和稳定性。
5、系统集成与优化：研究如何将各个系统部件进行更好的集成和优化，以实 现整个风力发电系统的最优化。
6、网络安全与可靠性：随着风力发电系统变得越来越复杂，如何确保其网络 安全和可靠性将成为一个重要的研究课题。需要研究有效的防护措施和容错策 略来应对潜在的网络攻击和故障。
参考内容
随着人们对可再生能源的需求日益增长，风力发电技术在全球范围内得到了快 速发展和广泛应用。直驱型永磁同步风力发电系统由于其高效率、低噪音等优 点，逐渐成为了风力发电领域的研究热点。在直驱型永磁同步风力发电系统中， 变流器控制策略对于提高系统效率和稳定性具有重要意义。本次演示将对直驱 型永磁同步风力发电系统变流器控制方法进行深入研究。
风力发电系统中的变流器模型简化方法
风力发电系统中的变流器模型简化方法风力发电系统中的变流器模型简化方法随着环保意识的不断提高，越来越多的国家开始关注并推广可再生能源，其中风力发电已成为各国广泛采用的一种新型能源形式。
风力发电系统通常由风力机、变速器、发电机、变流器等组成，其中变流器是将风力机产生的交流电转换为直流电，并将其输出到电网上的重要环节之一。
然而，变流器的电路结构复杂，参数异常，对系统稳定性和运行效率有着很大的影响。
因此，对风力发电系统中的变流器模型简化方法进行研究和探索，具有一定的理论和实际意义。
一、风力发电系统中变流器的功能风力机是风力发电系统的核心部件，能够将风能转化为电能，但直接输出的电能是交流电，无法直接接入电网。
因此需要通过变流器将交流电转化为直流电，再通过逆变器将直流电转化为交流电，实现电力的输出与注册。
变流器是在风能转化为电能的过程中，起到负责调节、传递、控制等作用的关键设备。
在风力机转化为交流电并输出时，变流器调整和控制电流和电压，以保证电能准确输出，并且稳定性和够用度可以得到保证。
二、影响变流器性能的主要因素1、换流方式：换流方式不同，变流器所能完成的功率也不同。
直接换流法和谐波控制换流方式能够更好地控制输出的直流电，并提高变流器的效率。
2、电压等级：电压等级越高，变流器输出的电力效率越高，但也会给变流器带来更高的压力，因此需要根据实际情况选择合适的电压等级。
3、电感电容等电参数：对变流器来说，电感电容等电参数的选取非常重要，因为它们与工作频率、过载能力、效率等关系密切。
三、变流器模型简化方法在风力发电系统中，变流器模型是一个非常复杂的数学模型，对其进行数学运算和分析需要耗费大量的时间和精力，并且存在着一定的误差。
为了更好地实现风力发电系统的运行和监测，简化变流器模型方法成为了一种重要的研究方法。
目前常用的变流器模型简化方法有以下几种：1、均值模型方法：该方法将变流器中的单芯片直接转换模型转变为平均模型，在模型计算时，忽略变流器中出现的部分损耗。
风力发电机变流器及其低电压穿越概述
风力发电机变流器及其低电压穿越概述导语：本文从三种典型风电系统出发，包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。
根据齿轮箱结构及发电机类型，讨论了目前的风电系统结构，并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。
1 引言近年来随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业，其相关技术发展很快，从失速型到变速恒频风电系统，从有齿轮箱到直接驱动型风电系统，我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长。
为提高风能利用效率，降低风电成本，风电机组单机容量大型化是风电技术发展的大趋势，采用变速变桨距调节技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征；在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机（doubly-fed induction generator，dfig）的双馈型风电系统市场份额最大，使用永磁同步发电机（permanent-magnet synchronous generator，pmsg）的直驱型系统发展很快。
随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了新的风电并网规则，对低电压穿越与无功支持等功能进行了规定，我国也将会有类似的规则出台［1-3］。
本文从三种典型风电系统出发，包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。
根据齿轮箱结构及发电机类型，讨论了目前的风电系统结构，并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。
对作为风力发电与电网接口的风电变流器进行了说明，随着风电机组单机容量的增大，大功率多电平变流器将会得到较多应用；对风电系统低电压穿越及无功功率支持等进行了分析。
针对风电系统发电机、变流器和低电压穿越能力等，介绍了不同风电公司的相关产品与技术。
2 几种典型风力发电系统风力发电系统，根据发电机转速，可以分为失速型与变速恒频型，其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型；根据传动链组成，可以分为有齿轮箱和直接驱动型，有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略全功率变流器是一种将风力发电机产生的交流电能转换为电网所需的直流电能的电子装置。
它的主要功能是实现风电机组的功率调节、保护以及与电网的连接。
全功率变流器由三个主要的模块组成：整流器、逆变器和控制单元。
整流器模块将风电机组产生的交流电能转换为直流电能，通过控制交流电能的整流部件（如晶闸管或IGBT）的导通角度，可以实现对输出直流电压的控制。
整流器的输出直流电压通过一个滤波电容进行平滑，以减小输出的脉动。
逆变器模块将整流器输出的直流电能转换回交流电能，通过控制逆变部件（如IGBT）的开关状态和频率，可以实现对输出交流电压和频率的控制。
逆变器的输出交流电能经过一个输出滤波器进行滤波，以去除输出的高次谐波。
控制单元对整个全功率变流器进行监测和控制。
它通过读取风电机组和电网的各种参数，如转速、电压、电流等，来实现对整流器和逆变器的控制。
控制单元采用先进的控制算法，如PID控制算法，来实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
调频控制方式是通过控制风电机组的转速来实现对输出功率的控制。
该控制方式根据电网的需要，调节风电机组的转速，以使输出功率与电网的需求匹配。
调频控制可以使风电机组在不同的风速下运行在最佳转速范围内，提高风电机组的发电效率。
功率控制方式是通过控制全功率变流器的输出功率来实现对风电机组的控制。
该控制方式通过调节变流器的导通角度或输出电压，以控制风电机组的输出功率。
功率控制可以使风电机组根据电网的需求进行平稳的功率输出，提高电网的稳定性。
此外，全功率变流器还具有多种保护功能，如过电流保护、过电压保护、过温保护等，以确保风电机组和电网的安全运行。
控制单元还可以实现对功率输出的统计和调度，以优化风电机组的运行效果。
总之，全功率变流器通过整流器和逆变器的转换作用，将风力发电机产生的交流电能转换为电网需要的直流电能，并通过控制单元的监测和控制实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
风电变流器的多种并网控制方法比较
风电变流器的多种并网控制方法比较引言：风电发电作为可再生能源的重要组成部分，越来越受到关注和推广。
而风电变流器作为风电发电系统中的核心设备之一，起到了将风力发电机产生的交流电能转换为可与电力系统交互的直流电能的重要作用。
在风电变流器的设计中，并网控制方法的选择是至关重要的，不同的并网控制方法会对风电的发电效率、稳定性以及对电力系统的影响产生不同的影响。
本文将对当前常用的风电变流器的多种并网控制方法进行比较，并对其优缺点进行探讨。
一、直接并网控制方法直接并网控制方法是风电变流器中最为简单的一种方式。
其通过将风电发电机输出的交流电能直接与电力系统相连，达到将风能转化为电能并注入电力系统的目的。
该方法主要包括电压控制和频率控制两种方式。
1.1 电压控制电压控制是直接并网控制方法中较为常见的方式。
其通过对风电发电机输出电压进行控制，使其与电力系统的电压保持一致，从而实现风电发电机与电力系统的高效并网。
电压控制的优点在于不需要对电流进行独立控制，因此结构简单，容易实现。
然而，由于电压的波动会对电网稳定性产生影响，因此在实际应用中需要合理设计控制策略，以保证电网的稳定性。
1.2 频率控制频率控制是直接并网控制方法中另一种常见的方式。
其通过对风电发电机输出的频率进行控制，使其与电力系统的频率保持一致，从而实现风电发电机与电力系统的并联。
频率控制的优点在于可以减小电力系统频率的波动，提高电网的稳定性。
然而，由于频率控制需要对电流进行独立控制，因此控制系统的复杂度较高。
二、间接并网控制方法除了直接并网控制方法外，还存在一种称为间接并网控制的方式。
该方法通过使用一个电容器将风电发电机输出直流电能转换为交流电能，再将其与电力系统并联。
间接并网控制方法主要包括无感双闭环控制和模型预测控制两种方式。
2.1 无感双闭环控制无感双闭环控制是间接并网控制方法中较为常用的一种方式。
其通过对风电发电机输出电流进行控制，同时检测电网侧的电流和电压，从而实现风电发电机与电力系统的并联。
海上风力发电变流器的冷却技术研究
海上风力发电变流器的冷却技术研究随着气候变化和能源需要的不断增长，风力发电作为一种可再生能源逐渐成为了一种重要的能源选择。
随着技术的不断进步，风力发电机组的容量迅速增长，尤其是海上风力发电。
然而，海洋环境的复杂性和变化性给海上风力发电系统的设计和运行带来了许多挑战，其中之一便是变流器的冷却技术。
变流器是将风力发电机组产生的交流电转换为适用于电网的直流电的关键设备，其性能和可靠性对风力发电系统的工作效率和可持续性起着重要的影响。
海上风力发电变流器由于长时间暴露在恶劣的海洋环境中，温度和湿度的变化、海水腐蚀等因素对其冷却系统提出了更高的要求。
首先，海上风力发电变流器的冷却技术需要具备良好的散热效果。
由于海风的强劲和海洋环境的湿度导致变流器的散热问题变得尤为重要。
传统的空气散热方式在海洋环境中的散热效率存在一定的限制，因此需要研究和开发更高效的冷却方式。
液冷系统是一种被广泛研究和应用的方式，其利用冷却介质使变流器内部的热量传递到外部环境中，从而实现散热。
这种方式可以避免受到海风和海水的直接影响，提高散热效果。
其次，海上风力发电变流器的冷却技术需要具备很强的耐腐蚀性。
海洋环境中的海水具有较高的含盐量和强腐蚀性，容易对金属材料产生腐蚀作用，使得变流器的性能和寿命受到影响。
因此，在冷却系统的设计中需要采用抗腐蚀材料，如不锈钢和耐腐蚀涂层，以保护冷却系统免受海水的侵蚀。
另外，海上风力发电变流器的冷却技术还需考虑到风力发电机组的运维和维修便利性。
由于海上风电场一般位于远离陆地的海域，变流器的维修和检修存在一定的困难。
因此，冷却系统的设计应考虑易于维护和更换冷却设备的方便性，以减少维修时间和成本。
针对这些挑战，当前的研究主要集中在以下几个方向。
一方面，研究人员正在寻找更高效的散热方式，如热管技术和冷却板技术。
这些技术利用导热介质将热量从变流器传递到散热板或散热器上，通过增大散热面积或提高导热性能来提高散热效果。
另一方面，研究人员也在研发新型的抗腐蚀材料，如纳米涂层和氧化层，以提高冷却系统的耐蚀性能。
风电变流器的应用和技术发展研究
风电变流器的应用和技术发展研究摘要：随着全球能源需求的增加和环境问题的日益突出，可再生能源的利用成为重要的发展方向。
风能作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的潜力和优势，因此风电发电成为了重要的能源开发领域。
风电变流器作为风力发电系统的核心部件，对风能的高效利用和电网的稳定运行起着至关重要的作用。
基于此，本文将对风电变流器的应用和技术发展进行简单探讨，以期为风力发电技术的进一步发展提供帮助。
关键词：风电变流器；应用；技术发展1.风电变流器的基本原理和分类1.1基本原理风电变流器的基本原理是通过电子器件对电流进行控制和调节，实现电能的转换和传输。
其主要原理包括：（1）电流整流：将风轮发电机产生的交流电转换为直流电。
通过整流桥电路，将交流电转换为直流电，并通过滤波电路消除电流中的脉动。
（2）电流逆变：将直流电转换为交流电。
通过逆变器将直流电转换为交流电，并通过PWM（脉宽调制）技术控制输出电压的幅值和频率，以满足电网的要求。
（3）控制系统：通过控制系统对变流器进行控制和调节，实现对输出电流、电压和频率的精确控制。
1.2分类根据不同的工作原理和结构特点，风电变流器可以分为以下几类：（1）逆变器：逆变器是将直流电转换为交流电的关键设备，主要有PWM逆变器和谐波消除逆变器两种类型。
PWM逆变器通过控制开关管的导通和截止，实现对输出电压的调节；谐波消除逆变器通过谐波滤波器消除逆变器输出电压中的谐波成分，提高电能质量。
（2）整流器：整流器是将交流电转换为直流电的设备，主要有可控硅整流器和IGBT整流器两种类型。
可控硅整流器通过控制可控硅的导通和截止，实现对输出电流的调节；IGBT整流器通过控制IGBT的导通和截止，实现对输出电流的调节。
（3）混合型变流器：混合型变流器是整流器和逆变器的组合，既可以将交流电转换为直流电，也可以将直流电转换为交流电。
它具有结构简单、体积小、效率高等优点，适用于小型风力发电系统。
1.风电变流器的应用2.1风电场中的变流器应用首先，风电变流器能够实现风力发电机与电网之间的有效连接。
直驱风电变流器的工作原理
直驱风电变流器的工作原理
直驱风电变流器的工作原理主要涉及以下几个步骤：
风轮驱动发电机：直驱型风力发电系统采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电。
电能转换：发电机产生的电能通过功率变换电路转换。
并入电网：转换后的电能并入电网。
在转速较低时，由于直驱式发电机采用较多的极对数，使得发电机定子电压输出频率仍然比较高，完全可以在电机的额定等级下工作。
频率调整：发电机定子输出电压通过变流器后再和电网相接，定子频率变化并不会影响电网频率。
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1
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Real Axis
Frequency (rad/sec)
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2 1 0 -1 -2
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如果将坐标系d轴与磁链 的方向一致，那么通常 情况下d轴电流可以用来 控制磁链，q轴用来控制 转矩
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将旋转DQ坐标的D轴坐标和定子磁链方向相同
定子磁链的幅值保持不变，忽略定子电阻
此时，定子侧的有功，无功功率表达式：
由于定子电压为电网电压，因此可以认为功率只和电流成比例
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关键技术： 关键技术：
– 网侧滤波 – 锁相同步 – 电流控制
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IGBT逆变器 LCL滤波器 电网接口
☺ 功率器件少，易系统集成 ☺ 双向转换 滤波器设计复杂 电流控制较复杂 直流电压高
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L滤高频衰减差 ◦ 电流跟踪速度慢
20 功耗（W） 15 10 5 0 0 2 4 6 阻尼电阻（Ω） 8 10
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LCL滤波器设计原则：
◦ 滤波电感Lf：根据逆变器纹 波电流。 ◦ 滤波总电感量Lf+Lo：根据电 流的跟踪速度。 ◦ 滤波电容：根据无功容量要 求。 ◦ 阻尼电阻：损耗，高频衰减， 谐振抑制 ◦ 滤波器截止频率。（Hz)
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电网电压 定子电压 定子电流 直流电压 控制信号 转子电流
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id = ia cos θ + ib cos(θ − 2π / 3) + ic cos(θ + 2π / 3)
iq = −ia sin θ − ib sin(θ − 2π / 3) − ic sin(θ + 2π / 3)
Real Axis
0
2000
-2.5 -2.5
-2.5 -2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
Real Axis
34
0.5 x 10
1
4
PI控制比例系数设计 ◦ 通过根轨迹z=2500
2 Imaginary Axis
x 10
4
Root Locus
Phase (deg) Magnitude (dB)
x 10
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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 双馈发电机变流器系统 机变流器系 直驱发电机变流器系统 网侧变流器
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3.1 原理
◦ 根据风力发电的特点，发电机工作在特定的功率下。
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电机控制器
◦ ◦ ◦ ◦ 控制转子电流 控制转速 控制发电功率 控制定子功率因素
Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
Ki H = eTi s
Phase (deg)
-40 90 0 -90 -180 -270 2 10
Ti=1/12500 Kp=5 z = 2500
10
3
10 Frequency (rad/sec)
4
10
5
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谐振点的影响
0.5 0 -0.5 -1 -1.5
-2 -2.5 -20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
z=5000
1
2.5 x 10
4
Real Axis
z=10000
2.5 x 10
4
Root Locus
Root Locus
Imaginary Axis
2
2
0 -0.5
Imaginary Axis
1.5
1.5
1
1
0.5 0 -0.5 -1
Imaginary Axis
-2 -1.5 -1 Real Axis -0.5 0 0.5 x 10
4
Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
0.5 0 -0.5 -1
-2 -8000
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-1.5
-1.5
-2
-2
-4000
2
-1
2 1 0 -1 -2
1 0
-2
-1 -2
-10000 Real Axis
0
5000
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2012-4-11
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常规PI控制面临的问题：
◦ 谐振点的影响 ◦ 低频增益
Bode Diagram 60 40 Magnitude (dB) 20 0 -20
5
通过变换器控制并网电压，当满足并网要求时并网。 低于额定风速时跟踪最大功率，获得最大风能 高于额定风速，运行在风力机额定功率，获得稳定功率输 出。
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6
风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 风力发电变流系统框图 变流 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器
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vSa vSb v Sc
[T ]
dq
vSd
ˆ vSd ≡ v S
vSq
ˆ ω
ˆ θ
1 s
ˆ θ
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常规控制框图
Gc = K p (s + z) s
s2 + s
R 1 + L LC H iL = 2R 2 + ) sL( s 2 + s L LC
Lf=Lo=L Cf=C Rc=R KiH=1
Bode Diagram Gm = -Inf dB (at 0 rad/sec) , Pm = 68.1 deg (at 1.1e+004 rad/sec) 100 0 -100 180 0 -180 2 10
4 6
1 0 -1 -2 -15000
-10000
-5000
0
10
10
Real Axis
Frequency (rad/sec)
4
Pole-Zero Map
Bode Diagram Gm = -Inf dB (at 0 rad/sec) , Pm = 73.4 deg (at 8.08e+003 rad/sec) 100 0 -100 180 0 -180 2 10
3 4 5
1 0 -1 -2 -6000
Lf = 1mH Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
姚文熙 2012/2/28
风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器
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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 网侧变流器
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PI控制比例系数设计
通过根轨迹z=5000
x 10
4
Root Locus
2
2
Cf =4.7uF Lo = 1mH Rc = 1
Imaginary Axis 0 1
Imaginary Axis
Lf = 1mH
Phase (deg) Magnitude (dB)
x 10
4
Pole-Zero Map
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z=2500
2.5 x 10
4
Root Locus
2
Imaginary Axis
PI控制积分常数的设计 ◦ 增加一个极点在原点处 ◦ 增加一个零点在横轴上。
x 10 2
4 Root Locus
2 1.5 1
R 1 s +s + L LC H iL = 2R 2 sL ( s 2 + s + ) L LC
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5.4.电压型三相并电网同步方法 5.4.电压型三相并电网同步方法
典型PLL锁相环设计： 典型PLL锁相环设计： PLL锁相环设计 鉴相器， 鉴相器，Phase Detector (PD) 低通滤波， 低通滤波，Loop Filter (LF) 压控振荡器， 压控振荡器，Voltage Controlled Oscillator (VCO)
转子位置检测
计算获得转差
定子电压、电 流采样
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4/11/2012
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3.13 双馈电机的并网控制
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风力发电的基本原理 风力发电变流系统框图 双馈发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 直驱发电机变流器系统 电机变流器系 网侧变流器
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LC滤波器
◦ 滤波效果受电网阻抗 影响
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