直驱式永磁同步风力发电变流器
直驱式永磁同步风力发电机概述
直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。
永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。
一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。
现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。
永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。
与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。
（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。
（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。
（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。
（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。
（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。
（7）永磁体存在退磁的可能。
目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。
2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。
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。
直驱式风力发电系统
第一章双PWM型变流电路简介本文讨论克驱式风电系统的一种电力变换装拓扑结构，选取背靠背双PWM型变流电路为研究对彖.直驱式风电系统结构原理如图1-1所示。
风轮电机图1-1永磁同步电机直驱式风力发电系统并网结构图双脉宽调制(pulse-width modulation, PWM)变流器是由2个电压源型变流器(voltage source converter, VSC)背靠背连接构成，2 VSC直流侧通过直流母线并联，两极直流母线Z间并联滤波电容器以提高直流电压的电能品质。
由于该电路结构是完全镜面对称的，文献中称这种结构为背靠背连接。
背靠背双PWM变流器以其控制功能灵活、交流侧功率因数可调和直流电压可控等诸多优点，在轻型直流输电、统潮流控制器和柔性功率调节器等柔性交流输电技术领域中获得了广泛的应用。
该电路拓扑结构如图1-2所示，整流和逆变部分都采用PWM三相桥实现，这种结构的优点：输入电流为正弦波，减少了发电机的铜耗和铁耗；发电机功率因数可调节为1,且能够与大阻抗的同步发电机相联接。
凤轮图1-2三相电压型PWM逆变器的拓扑结构第二章双PWM变流器动态数学模型三相桥式拓扑结构构中交流侧采用三相对称的无中线连接方式, 图中L代表交流侧滤波电感参数，R为电感中的寄生电阻，图中直流电压源1｝血代表并网变流器直流母线电压，同时也是与发电机转了绕组相连的变流器直流母线电压。
为建立三相电压源型并网变流器的数学模型，根据其其拓扑结构，首先作以下假设：1.电网电动势为平稳的纯正弦波电动势（e a,e b,e c）o2・主电路开关元器件为理想开关，无损耗。
3・三相参数是对称的。
4・网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。
以A相为例，当VI导通V2关断时，直流电源Ude正极直接加到节点a处，由图可知，U M1 =U dc/2；当V2导通VI关断时，直流电源Ude负极接于节点a处，同理可知，=-U dc/2,同理易知节点b和c也是根据上下MOS管V5、V6 ）导通情况决定其电位的，由此可见，三相中任一相输出的相电压都有正负两个电平，因此这种结构的逆变器称为三相两电平逆变器。
用于直驱型风力发电系统的变流器
用于直驱型风力发电系统的变流器Introduction：现在的能源越来越受到人们的关注，各种新的能源板块不断涌现。
在这其中，风能便是一种十分有前景的新能源，因此风力发电也是目前非常热门的产业之一，风力发电系统的核心组成部分就是变流器，本篇文章将围绕直驱型风力发电系统的变流器展开讨论。
直驱型风力发电系统的变流器变流器是能够将非直流电源转化成直流电源的电子设备，其作用在于将交流电能转化成可用直流电能。
风力发电系统的核心组成部分之一即为变流器，变流器可以将风起的旋转运动转换成直流电能，从而保证整个系统的正常运转。
因此直驱型风力发电系统的变流器是一个至关重要的部分。
直驱型风力发电系统的优点直驱型风力发电系统，顾名思义，即是指直接驱动风能发电机，适用于风速较大的场合。
相对于其它类型的风力发电系统，直驱型风力发电系统具有以下优点：1. 比传统型低速轴噪音小。
2. 没有减速箱，磨损小，寿命长。
3. 不需要润滑油，环保无污染。
4. 在风速越大时功率输出越高，效率相对较高。
直驱型风力发电系统的缺点然而，直驱型风力发电系统同样存在着缺点：1. 直驱式发电机，大功率和大尺寸难以实现高效、低成本和高可靠性。
2. 接口限制：没有旋转的传动部分，要直接接到风轮，因此不能使用具有偏心量的风刀片减小振动和抗风力突变的能力。
3. 运行稳定性有待提高。
直驱型风力发电系统中变流器的作用直驱型风力发电系统中的变流器具有将可变频率的风能产生的电能转换为稳定频率的电能输出的功能，从而满足系统对电能的要求。
直驱式变流器的核心是一个PWM逆变器，负责将直驱式风机的三相电能转换成电网电能，调节电压、电流、功率等参数，保证电网的稳定性和安全性。
直驱型风力发电系统中变流器的原理直驱型风力发电系统采用电子变频技术，因此变流器是其核心部件。
变流器能够将风力发电机转化所得的交流电转化为稳定的直流电，以保证系统的正常运转。
其中一个非常重要的环节就是控制变流器的换向工作。
modaqo-w1直驱式风力发电变流器
加热系统
Valve
冷却水管道
热量外部交换
M 3～
变点站
Y 400VAC
Y
Prima =660V Second=35KV
Third=400V
Uk=6%
S=2350KVA
图1 典型2MW永磁直驱式风力发电系统示意图
2 系统效率
对于风力发电机组，效率非常重要。负载工况运行时变频器的 效率符合表1中的数据。
－5－
性能指标
MODAQO-W1
表4：转矩控制要求
转矩，误差（偏离设定点） 转矩，重复误差 转矩，漂移
转矩，死区时间（新设定点作为目标转矩值） 转矩，时间常数
与上位机CAN通讯发送周期 转矩内部控制频率 发电机组最大加速度
在CAN通讯丢失情况下的dT/dt
< 2% < 0.5% < 1% < 0.010 s <=0.010 s
表1：部分负载时变频器能达到的效率
发电机输出功率 (%) 10
25 50 75 100
变频器效率
0.88
0.93 0.94 0.945 0.945
损耗计算要考虑变频器内所有的辅助电源的损耗。
3 发电机侧电气接口
额定电压：660V 额定频率：11.25Hz 额定转速：22.5rpm 额定功率因数：0.938 空载电压：692V 最大转速：29rpm 最大转速下的空载电压：892V
主发电控制器
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CAN通讯控制器
CAN总线
变频器1
G
变频器2 图2：变频器的通讯结构
MODAQO-W1
安装、运行、存储
安装、运行、存储
1 运输和存储
环境温度 -40°C 到 50°C 相对空气湿度 最高至100% 冷凝 提供防冷凝措施 防水 防止入口雨水进入 变频器振动限制 根据供方标准 提供适当的海运包装，运输可以使用卡车、轮船或火车。
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。
变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。
直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。
通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。
一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。
在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。
而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。
这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。
随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。
随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。
这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。
空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。
显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。
2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。
按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。
减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。
尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。
向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。
永磁直驱风电系统变流器拓扑分析
第２８卷第４期２００８年４月电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶ０１．２８Ｎｏ．４Ａｐｒ．２００８够Ｊ＾永磁直驱风电系统变流器拓扑分析胡书举１．２，李建林１，许洪华１（１．中国科学院电工研究所，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要：永磁直驱风电系统变流器为永磁同步发电机和电网的接口。
对其常用的拓扑进行了详细的分析和说明，包括不控整流＋逆变器、不控整流＋ＤＣ／ＤＣ变换＋逆变器、背靠背双ＰＷＭ变换器等拓扑，对其工作原理、应用和优缺点进行了介绍和对比，并针对风电机组对大功率变流器的需求．对大功率拓扑结构的特性和应用进行了详细的介绍。
不控整流＋Ｂｏｏｓｔ变换＋并网逆变器和背靠背双ＰＷＭ变换器２种拓扑是目前的优选方案。
多电平变换器因其优良的性能将具有良好的发展前景。
关键词：直驱式风电系统；永磁同步发电机；变速恒频；双ＰＷＭ变换器；多电平变换器中图分类号：ＴＭ７６４文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７（２００８）０４—００７７—０５Ｏ引言在目前的变速恒频风电系统中。
使用双馈感应发电机ＤＦＩＧ（Ｄｏｕｂｌｙ．．ＦｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）的双馈式系统占据主流地位。
而使用永磁同步发电机ＰＭＳＧ（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＧｅｎｅｒａｔｏｒ）的直驱式系统也正在得到越来越多的应用。
双馈式系统，其变流器容量只占系统额定功率的３０％（滑差功率）左右，电机高速运行，体积和重量较小，因而具有较低的成本；直驱式系统需要全功率变流器，变流器容量即为系统额定功率。
所需的低速ＰＭＳＧ体积和重量较大，因而具有较高的成本［１１。
但是双馈式系统需要增速齿轮箱，大量应用表明，齿轮箱是风电系统中最容易发生故障的组件之一，并且维护复杂，噪声较大；永磁直驱式风电系统采用低速ＰＭＳＧ，结构简单，不收稿日期：２００７一０３—１９；修回日期：２００７—０７—１８基金项目：中国博士后科学基金项目（２００６０３９００９２）需要齿轮箱，机械损耗小，效率高，便于维护，不需要外部励磁。
用于直驱型风力发电系统的变流器
Uo -Ulf-UD
（6）
其中：Ulf 为电感压降， 取 0.5 V；UD 为整流二极管 压降， 取 1.5 V；△Uopp 为输出电压最大纹波有效 值，取为输出电压下限值的 0.5%；由此得到滤波
电容的值为 90 uF。 但考虑到电解电容有等效串
联 电 阻 ESR，因 此 在 实 际 电 路 中 ，一 般 选 择 多 个
以实现在高频时的局部软开关性能。 控制芯片外 围电路如图 4 所示。
控制电路采用 UC3875 为控制核心，UC3875 是 Unitrode 公 司 生 产 的 相 移 式 PWM 控 制 器 ，主 要用于定频脉宽调制，同时配合零电压开关工作，
2.6 辅助电源设计 变换器中的辅助电源采用单片开关稳压电
电解电容并联使用，这样可以提高滤波效果，同时
留一定余量，选择电容值比这个值要大一些，最后
选用 3 个 330 uF/200 V 的电解电容进行并联。
2.5 控制电路设计
控制策略采用双闭环控制即是将电压反馈环
作为外环，电流反馈环作为内环，对输出电流进行
刘 军，等 用于直驱型风力发电系统的变流器
采样并转化为电压信号， 送第一级运算放大器的 反相端与正相端的电压基准比较， 输出的误差送 第二级运算放大器正相端作为电压基准， 和反相 端的输出电压采样信号比较，最后的输出送 PWM 比较器与三角波进行比较， 得到占空比变化的驱 动脉冲去控制移相全桥 DC/DC 变换器。 双环控制 系统原理框图如图 3 所示。
本文设计了用于分布式直驱型风力发电系统
的大功率变流装置。实验证明，该装置能有效地降 低风电变流过程中的损耗， 提高了风力发电的效 率和供电质量。 1 系统组成
风力发电变流装置主要包括风力机、发电机、 不控整流电路、LC 滤波电路、ZVSPWM 降压变换 器以及控制与保护电路（图 1）。 风机捕获风能，并 通过直驱式发电机将风能转化为三相 280～420 V 的交流电能，然后，经过整流将三相工频交流电转 化为直流电， 最后再通过一个 ZVS-PWM 全桥电 路将直流电稳定在 110 V， 以实现与太阳能装置 的并网运行。
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1.3风力发电变流器技术电力电子变流器(系统)是风力发电机组与电网的核心中间环节,堪称风力发电系统的重中之重。
在风机控制器的统筹管理下,变流器要实现发电机组的最大风能捕获(MPPT );同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能,向电网输送高品质电能。
并且受限于风电机组的空间尺寸与成本,变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。
这对变流器系统的电磁性能、结构及安全易用性等设计研究均提出了较高要求。
1.3.1变流器拓扑与控制以永磁直驱式风力发电系统为例,整个风机系统的控制框图如图1.4所示。
其中,变流器的控制主要包括PMSG的(电机侧)PWM整流控制技术与电网侧PWM逆变器控制技术。
电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制,实现电机转速调节,使其具备最大风能捕获功能,已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解辅控制,保持机组运行在变速恒频发电状态;同时,配合输出滤波器来保证电能质量,并对电网故障进行实时检测,以实现LVRT功能气图1.4风机系统的控制框图对于直驱式风电变流器系统,变流器拓扑常见的有如下几种[3 ]。
图1.5 二极管不控整流+逆变如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器,如图1.8。
利用PWM(脉宽调制)技术不但使电流波形得到很好的控制,而且PWM变流器可以四象限运行。
采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路,发电机可以在很宽的风速范围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。
特别是双PWM结构的变流器中,能量可以双向流动,使发电机控制的灵活性得到极大提高,通过釆用更多的先进控制策略,极大的提高了系统整体性能。
随着可控半导体功率器件技术的不断发展,双PWM背靠背变流器结构得到越来越广泛的应用。
1.3.2变流器结构设计正如前文所述,由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件(如风沙、严寒、沿海及海上等),同时受限于变流器有限的安装维护空间,对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛,这就对变流器的结构设计与生产提出了更高要求。
尤其对于兆瓦级低压(直流侧电压不大于1100V)大容量风电变流器,由于电压等级并不算太高,变流器通过的额定电流较大.一些在小容量应用场合中无需关注甚至根本不会存在的问题却会成为这类变流器设计的难点及关键,如开关器件的限制,各种连接线、接头及其线路杂散参数的影响,散热系统设计,系统的高效率、低成本、易于安装与维护等。
一般来讲,3MW以下的变流器的设计采用两电平的拓扑较为合理,三电平或多电平结构的设计会使系统成本增大。
为实现高功率密度,变流器容量的扩展可采用若干功能模块的并联来实现,如若干较低功率等级的器件并联、三相半桥功能模块并联等。
变流器总体设计可能会较为复杂,且对生产与工艺有较高要求,以便与实现器件或设备的均流控制。
随着单体功率器件等级的不断提高,也可釆用单个大功率IGBT功率模块构成一个完整三相半桥实现全部的能量传递。
其设计会相对简单,对生产与工艺的要求相对降低,控制也相对简单,但对功率器件性能及使用会有较高要求,同时必须尽量减小线路寄生参数,削弱较大di/dt与du/dt对开关器件的影响[3]。
目前,模块化的设计理念巳充分渗透至变流器结构设计研究中。
比如考虑装配、维护的要求和空间限制,将一个轿臂的两个IGBT功率模块、直流支撑回路、缓冲吸收回路与散热系统全部集成,形成一个相对独立的最小功率变换功能单元,通过组合,便可构成一套具备组件互换性的背靠背变流器。
甚至也能以此最小功率变换功能单元,构成其它拓扑结构的大功率变流器。
对于二极管不控整流+逆变拓扑结构,如图1.5。
由于机侧釆用的是不控整流,直流母线电压完全由机端电压决定,而对于网侧逆变器来说,直流电压必须大于某一定值才能向电网输出功率,当直流母线电压过高时,又会对变流器所用功率器件的耐压提出背刻要求,带来成本增加、整机效益降低的不良影响。
因此这类拓扑结构的变流器的运行范围通常较小,导致风能利用效率极大降低;并且由于能量的单向性,难以对风力发电机实施控制,导致MPPT能力不易实现并存在很大的低次谐波成分。
不控整流+BOOST变换器+逆变拓扑结构,如图1.6。
通过BOOST变换器实现输入侧功率因数校正(Power Factor Correction, PFC),提高发电机的运行效率,保持直流侧电压的稳定,对发电机的电磁转矩和转速进行控制,实现变速恒频运行。
但这种结构同样受限于能量单向性问题,无法直接对发电机实施有效的控制;并且在系统容量较高的应用场合,设计可靠高效的大功率BOOST电路会变得较为困难。
但在其它应用场合,得益于这种拓扑结构相对低廉的成本,尤其在较小功率的直驱风力发电工程中得到较多应用[3]。
相控整流+逆变拓扑结构,如图 1.7。
其中电机侧采用晶闸管可控整流技术。
通过控制晶闹管的导通时间,可以一定程度上解决直流母线电压泵升过高问题。
但是此类相控整流依然无法实现能量的双向流动,并且带来电机定子电流谐波更大等问题。
在严格的体积限制前提下,变流器的结抅及散热系统设计也需要充分考虑其所处的环境条件,包括较宽的温度范围(-15°C?45°C)、盐雾、腐烛、潮湿和振动冲击等。
为提高其环境适应性,大功率变流器中通常釆用液体闭式循环散热与空气循环冷却相结合的设计理念,而在海上风力发电场合,可以考虑直接利用海水进行高效外部冷却。
1.3.3风力发电变流器的发展趋势伴随着风力发电机组容量的不断增长及未来海上风力发电模式的牵引,近年来,风电变流器相关技术研究得到了广泛关注与高速发展。
(1)高功率密度、通用模块化设计采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。
目前风电变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT ),而随着变流器容量的增加,功率等级更高的集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT )可能将逐步得到推广应用。
而且由于IGCT器件采用平板压接结构(如图1.9所示),由上下两个散热端面对导器件工作时产生的损耗进行传导,与单面散热的常规丨GBT器件相比,先天就具备了提高器件功率密度的能力。
另外,IGCT采用压接封装结构,与常规1GBT 模块封装相比,具有更高的可靠性。
如图1.10中所示的积木式功能模块,具备了很高的可靠性和可维性。
该积木功能模块集成了 8个IGCT单元(包括驱动)、吸收缓冲电路及水冷散热回路,无需拆卸连接母排和冷却管路即可取出其中任何一个IGCT单元,并且设计集成了专门的智能保护系统,无需额外安装溶断器,保证单个丨GCT的损坏不会扩散至其余部件。
该功能模块已在ABB PCS6000 ( 5MW )全功率变流器中得到应用。
(2)电压电流等级不断提高,拓扑结构更加灵活多样随着风电变流器的电压与电流等级的不断提高,适用于更高电压等级与容量的多电平变流器拓扑得到了广泛关注。
变流器采用多电平方式后,可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求,有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现;同时,得益于其更多电平(台阶)的电压输出(相对较低的dv/dt),对变流器输出电能质量和电磁兼容性能的提升也起到了很好的效果。
ABB公司釆用IGCT器件的风力发电变流器PCS6000就是双向二极管钳位三电平结构(如图 1.1丨所示);Siemens AG采用高压IGBT器件,也采用类似的拓扑结构;ALSTOM公司釆用IGBT器件,不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用,甚至还基于IGCT开发出了飞跨电容型五电平变频器[3]。
在NPC三电平变流器的控制技术中,电压空间矢量调制技术与中点电压波动抑制技术是保证变流器性能的关键技术。
对于SVPWM技术,常用的两种调制技术的主要不同在于产生的中点电压波动与开关损耗不同;其次,NPC三电平变流器不论工作在线性区,还是过调制区,均会产生中点电压波动,因此有必要对中点电压波动规律与中点电压波动抑制技术进行深入研究。
(3)低压穿越问题研究逐步深入随着风力发电装机容量的快速提高,在电网故障导致电压跌落时,电网对风力发电机组低电压穿越(Low voltage ride through, LVRT )能力的需求越来越迫切,变流器正是实现这一功能的主要环节。
因此,使风力发电机组能够具备类似火力发电机组的特性标准成为了变流器设计的重要目标之一。
通过提高发电机组和变流器控制设计,在出现严重电网扰动时,具备LVRT技术功能的风电机组可以持续并网运行并快速向电网提供无功,降低电网电压崩遗的风险。
1.4风电机组低电压穿越技术近年来,风电变流器中的低电压穿越能力已成为大家所熟知的新名词。
根据电监会的事故通报结果:从201丨年2月至4月,甘肃酒泉、瓜州风场分别发生598台、702台风电机组脱网事故,损失出力约840兆瓦及1000兆瓦;同年4月,又有644台风电机组在河北张家口发生脱网事故,损失风电出力854兆瓦。
可见,由于风电机组低电压穿越能力的欠缺,对电网安全稳定运行造成了巨大的冲击。
目前我国风电场风电机组LVRT能力普遍不足,因此,打破国外技术垄断,研究如何突破LVRT能力无论是在学术上还是在工业应用方面,都具有重要的意义。
1.4.1低电压穿越定义低电压穿越是指,风电场公共并网点电压受电网故障或扰动影响而跌落时,风电机组在规定的条件下,能够持续在网运行;而且同时具备电网提供相当的无功以恢复电压,从而“穿越”这个低电压时间(区域),待故障消除后机组自动恢复正常运行。
如果大量风电机组切除(脱网),可能会导致临近电网系统潮流的大幅度变化甚至引发大规模的停电现象,对电网稳定性与运行安全产生负面影响。
因此,低电压穿越能力是风电机组所必需具备的能力。
欧洲等发达国家已相继制定了风力发电机组具备电网故障运行能力的强制性标准[24_27],且不同国家有不同的要求。
这些标准大体都可以用图1.12所示的低压穿越要求曲与使用两电平拓扑相比,三电平拓扑结构电压型逆变器(Three Level VSC )具有显著优点,例如能够突破开关管耐压的约束,实现更高电压的功率变换。
中点箝位型(NPC)三电平变换器结构是一种应用广泛的三电平结构形式[14]。
目前三电平结构已经广泛运用于大功率交流传动、高压直流输电等领域空间矢量脉宽调制算法因为属于计算密集型算法,易于数字化实现,直流电压利用率高,具有明显的优势,已成为三电平中点箝位型电压型逆变器的主要调制算法之一。