變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組
變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,變速,恒頻雙饋,風(fēng)力,發(fā)電,機(jī)組
變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電
機(jī)組無功輸出能力研究
題 目
二○一一年六月
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文)
系 別
電力工程系
專業(yè)班級(jí)
電氣07K2班
學(xué)生姓名
陳煥
指導(dǎo)教師
常鮮戎
華 北 電 力 大 學(xué) 科 技 學(xué) 院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）附 件
外 文 文 獻(xiàn) 翻 譯
學(xué) 號(hào)： 071901010202 姓 名： 陳煥
所在系別： 電力工程系 專業(yè)班級(jí)： 電氣07K2
指導(dǎo)教師： 常鮮戎
原文標(biāo)題： Power Electronic Technology in Wind Generation System of Variable Speed –constant Frequency
2011年 3 月 25 日
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)
摘 要
對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)的最新發(fā)展做了全面綜述。介紹了常用的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)， 并重點(diǎn)以直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，介紹了全功率變換器、雙脈寬調(diào)制( P WM) 變換器、矩陣變換器等典型的功率變換技術(shù)及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用。另外，還介紹了轉(zhuǎn)子電流控制器等一些最新的在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的電力電子變換技術(shù)。
關(guān)鍵詞 ：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻 ；電力電子技術(shù)
POWER ELECTRONIC TECHNOLOGY IN WIND GENERATION SYSTEM OF VARIABLE SPEED-CONSTANT FREQUENCY
Abstract
The latest development of power electronic technology in wind generating system of variable speed-constant frequency (VSCF) is summarized. The typical structure, merits and demerits of general VSCF wind generating system are analyzed. The relative power electric technology and application in the direct-driven wind generating system and double-fed wind generating system, such as the full power converter, dual PWM converter, matrix converter, are introduced in detail. In addition some new converters in VSCF wind generating system, such as rotor current controller, are also discussed.
Keywords: wind generation；variable speed constant frequency ; power electronic technology
1引言
隨著人類社會(huì)和工業(yè)的發(fā)展，全球能源消耗還將高速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的能源資源將會(huì)不斷枯竭。從能源發(fā)展策略講人類必須找到一條可持續(xù)的能源發(fā)展之路。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們更加注重改善生活環(huán)境，環(huán)境保護(hù)意識(shí)也不斷增強(qiáng)。開發(fā)和利用以風(fēng)能為代表的各類可再生能源已成為人類解決生存問題的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一，也是許多家重點(diǎn)開發(fā)的新能源發(fā)電技術(shù)。
2主要方法
2.1恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和控制技術(shù)的不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)組和變速恒頻發(fā)電機(jī)組兩大類。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用籠型異步發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本相對(duì)較低，且可以直接并網(wǎng)，在假定電網(wǎng)無窮大的前提下，其輸出電壓和頻率由電網(wǎng)整定，風(fēng)力機(jī)一旦并網(wǎng)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速基本不變，即恒速恒頻運(yùn)行的方式。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
恒速恒頻機(jī)組只能固定運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速時(shí)才能達(dá)到最高運(yùn)行效率， 當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降。異步風(fēng)力機(jī)組輸出的電能質(zhì)量比較差，功率因數(shù)較低，同時(shí)，當(dāng)無窮大電網(wǎng)的假定不存在時(shí)，每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整都會(huì)對(duì)局域電網(wǎng)產(chǎn)生很大影響，風(fēng)速、風(fēng)向的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出電壓、頻率、功率發(fā)生變化。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)逐步退出市場(chǎng)。2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications
王孝洪， 楊金明，吳 捷
為解決恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電能質(zhì)量差、 功率因數(shù)低等問題，并提高機(jī)組發(fā)電效率、有效緩解甚至消除驅(qū)動(dòng)鏈中的應(yīng)力與力矩振蕩，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組越來越受到人們的關(guān)注。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)可在大范圍的風(fēng)速變化時(shí)保持高效運(yùn)行，其優(yōu)越性使各國都投人了大量的人力物力進(jìn)行研究。
目前，實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的方案有很多種，根據(jù)關(guān)鍵部件的不同有以下幾種分類方法，各種分類之間具有特定的組合，比較實(shí)用和研究較多的有：使用異步發(fā)電機(jī)、具有齒輪箱、交直交全功率型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 ( a ) 所示；使用永磁同步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)型(無齒輪箱) 、交直交全功率型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 ( b ) 所示；使用雙饋電機(jī)、雙向功率變換器勵(lì)磁控制的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 ( c ) 所示。
下文將分別對(duì)典型的全功率機(jī)組和雙饋機(jī)組中的電力電子技術(shù)予以介紹。
2.2全功率機(jī)組中的電力電子技術(shù)
為實(shí)現(xiàn)變速恒頻的目的，發(fā)電機(jī)定子繞組通過交--直-- 交變換器與電網(wǎng)連接，將隨風(fēng)速、風(fēng)向變化而變化的變頻變壓電功率轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率同電壓的電功率。由于所有的功率都要通過功率變換器進(jìn)行變換，因此，此類系統(tǒng)中的電力電子裝置稱為全功率變換器。
具有齒輪箱的交直交全功率型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)含有齒輪箱， 在正常運(yùn)行時(shí)齒輪箱的損耗及其較大的體積也是該系統(tǒng)的一個(gè)不足。發(fā)電機(jī)類型可采用籠型異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、電勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)和繞線式異步發(fā)電機(jī)。直驅(qū)型(無齒輪箱)交直交全功率型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用多極低速永磁或電勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)，雖然省去了齒輪箱，但電機(jī)的體積仍顯得十分龐大笨重。與有齒輪箱的變速恒頻機(jī)組類似，發(fā)電機(jī)定子繞組也同樣需要通過一個(gè)交直交變換器與 電網(wǎng)連接。因此，以上兩種類型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率變換器，結(jié)構(gòu)和原理基本相同。根據(jù)定子側(cè)變換器(整流器)和網(wǎng)側(cè)變換器(逆變器)的不同方案，此類系統(tǒng)有以下幾種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.2.1“不控整流電路+電壓型逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方法成熟。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過 P WM 電壓型逆變器，輸出電壓、頻率、相位與電網(wǎng)相符的交流電，并且可以控制系統(tǒng)輸出的有功和無功功率，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。
由于發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓和頻率都是變化的，因此經(jīng)過不控整流之后的直流電壓也是變化的，雖然可以通過調(diào)節(jié) P WM逆變器的調(diào)制深度使輸出電壓保持恒定，但其調(diào)節(jié)范圍也是有限的，當(dāng)直流母線電壓低于門限值時(shí)，逆變器將不能輸出功率。因此，如果想拓寬此類裝置的使用范圍，需要加入升壓環(huán)節(jié)，根據(jù)升壓環(huán)節(jié)隔離變壓器的類型， 并網(wǎng)逆變可分為低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變、高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變及非隔離型并網(wǎng)逆變。
2.2.2“不控整流電路 +非隔離穩(wěn)壓電路 +電壓型 PWM 逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，相對(duì)于上一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的逆變器輸入直流電壓不穩(wěn)、電壓值不高等缺點(diǎn)，在不控整流電路和逆變電路之間加了一級(jí)非隔離的D C．D C斬波器。加入斬波電路后，風(fēng) 速、 發(fā)電機(jī)輸出電壓變化時(shí)，可以通過斬波電路使逆變器輸入直流電壓穩(wěn)定在期望值附近，對(duì)于逆變器的控制系統(tǒng)來說，源效應(yīng)大大減小。
這里的斬波器一般采用 BOOST升壓電路，BOOST電路不僅可以穩(wěn)壓、升壓，同時(shí)可以提高輸入電路的功率因數(shù)，減小諧波?？紤]到BOOST電路只有一個(gè)功率管，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)容量較大時(shí)，單管一般很難滿足要求。因此，大多采用多重化BOOST電路，這樣不僅可以減小功率管的容量、提高電路可靠性，同時(shí)可以提高等效開關(guān)頻率，減小濾波電容的容量和輸出的紋波電壓等。
2.2.3 “不控整流電路 +電壓型 PWM逆變電路 +工頻升壓變壓器” 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，這里提高電壓的途徑是在逆變器并網(wǎng)輸出側(cè)加入升壓變壓器。
圖5 不控整流電路+電壓型PWM逆變電路 + 工頻升壓變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
加入升壓變壓器后，發(fā)電機(jī)的工作電壓范圍可進(jìn)一步拓寬，考慮到非隔離型并網(wǎng)在一些國家禁用，采用變壓器后，系統(tǒng)與市電電網(wǎng)的完全電隔離，提高了電網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、效率較高，但變壓器體積和重量大、原材料消耗較多，造成成本的增加，并帶來了音頻噪聲污染。
2.2.4“不控整流電路+隔離穩(wěn)壓電路+電壓型 PWM逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
采用高頻變壓器來代替工頻變壓器完成變壓和隔離的任務(wù)，可大大降低成本，提高功率密度。這種類型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，與非隔離穩(wěn)壓電路不同，該電路在 D C — D C斬波電路中加入了高頻變壓器。因此，這種變換器又稱為高頻鏈功率變換器，其中，典型的隔離型 D C — D C變換器為全橋式變換器，這種變換器國內(nèi)外研究較多，在此不再贅述。
圖 6 不控整流電路+隔離穩(wěn)壓電路+電壓型PWM逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2.2.5“不控整流電路+高頻鏈 P WM 逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
高頻鏈功率變換器按功率的傳輸方向可分為單向型和雙向型，上一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就屬于單向型,由于能量需要經(jīng)過四級(jí)功率變換,即低頻整流、高頻逆變、高頻整流和低頻逆變，因此通態(tài)損耗較大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。雙向電壓源高頻鏈功率變換器不僅能雙向傳輸功率，而且只需要經(jīng)過低頻整流、高頻逆變器和周波變換器三級(jí)功率變
換，其結(jié)構(gòu)比單向電壓源高頻鏈功率變換器簡(jiǎn)單，通態(tài)損耗低， 系統(tǒng)效率高。采用高頻鏈逆變電路的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7 所示。高頻鏈逆變電路主要由高頻逆變器和周波變換器電路等組成。
2.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)
全功率變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中， 發(fā)電機(jī)定子繞組必須通過電力電子裝置與電網(wǎng)連接， 雖然提高了輸出電能的質(zhì)量， 但由于電力電子裝置連接于主電路中，其容量必須大于等于發(fā)電機(jī)容量，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的成本明顯提高。為了降低電力電子裝置的容量， 雙饋發(fā)電機(jī)開始應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。雙饋電機(jī)根據(jù)有無電刷和滑環(huán)可以分為有刷雙饋電機(jī)和無刷雙饋電機(jī) 。有刷雙饋 電機(jī)的研究起步較早 ， 目前在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 占據(jù) 主流地位 ； 無刷雙饋電機(jī)則省去了易損的電刷和滑環(huán)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此，不少研究人員也開始了對(duì)無刷雙饋電機(jī)及其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用的研究。
2.3.1 雙饋電機(jī)原理與運(yùn)行特性
有刷雙饋電動(dòng)機(jī)是利用繞線型異步電動(dòng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 將電動(dòng)機(jī)的定子直接聯(lián)接到j(luò)相對(duì)稱工頻電網(wǎng) ，而繞線型轉(zhuǎn)子采用交流變頻電源供電， 并采用相應(yīng)的控制策略來控制轉(zhuǎn)子電流的幅值、 頻率、 相位和相序。由于電機(jī)是分別通過對(duì)定、 轉(zhuǎn)子單獨(dú)饋電而工作的， 因此被稱為雙饋電機(jī)。由雙饋電機(jī)構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)見圖8 。
有刷雙饋電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速如式( 1 ) 所式：
式中： n ——電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
——分別為定子繞組的電流頻率和磁勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角頻率；
— — 分別為轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率和磁勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角頻率。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)， 電機(jī)運(yùn)行于亞同步狀態(tài)，，相同方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，定子電流與轉(zhuǎn)子電流相序相同，式( 1 ) 中前為“—”，控制器從電網(wǎng)吸收能量送給轉(zhuǎn)子繞組。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)， 相反方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)， 定子電流與轉(zhuǎn)子電流相序相反， 式( 1 ) 中前為“+”，控制器從轉(zhuǎn)子繞組吸收能量送給電網(wǎng)。當(dāng)為0時(shí)，電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行， 此時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由交流勵(lì)磁變?yōu)橹绷鲃?lì)磁， 電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與普通的同步電機(jī)完全相同。
式( 1 )表明，當(dāng)P一定，風(fēng)速改變促使電機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，可以通過改變使保持恒定，即由于控制繞組的存在，不論風(fēng)速風(fēng)向如何變化， 只需 相應(yīng)改變雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制繞組電流的幅值、頻率、相位、相序， 就可以方便地實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率跟蹤、變速恒頻恒壓的目的。同時(shí)，控制繞組的功率變換器儀流過轉(zhuǎn)差功率，因此，其容量相對(duì)全功率變換器大大減小，一般約為總發(fā)電功率的 1 ／ 4 ， 這也正是無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)所在。
無刷雙饋電機(jī)由串級(jí)感應(yīng)電機(jī)發(fā)展而來， 經(jīng)過不斷的演化和改進(jìn)， 將兩個(gè)同軸串聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)合二為一，把兩個(gè)獨(dú)立的定子簡(jiǎn)化為一個(gè)， 其轉(zhuǎn)子繞組具有與籠型轉(zhuǎn)子一樣的堅(jiān)固和可靠性，又能滿足電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的要求。無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有與有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)相同的特性，但沒有滑環(huán)和電刷，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，是風(fēng)力發(fā) 電中變速恒頻發(fā)電的優(yōu)化方案。
無刷雙饋電機(jī)工作原理如圖9所示。定子繞組由兩套三相對(duì)稱繞組構(gòu)成， 分別稱為功率繞組和控制繞組， 功率繞組極對(duì)數(shù)記為 ， 控制繞組極對(duì)數(shù)記為并且兩套繞組極對(duì)數(shù)不同。當(dāng)功率繞組接入頻率為的工頻電源， 控制繞組接入頻率為的電源后， 由于兩套定子繞組同時(shí)有電流流過 ，在氣隙中產(chǎn)生兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng) ， 這兩個(gè)磁場(chǎng)通過轉(zhuǎn)子的調(diào)制發(fā)生交叉耦合，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)能量傳遞轉(zhuǎn)換 的基礎(chǔ)。經(jīng)分析可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式( 2 ) 所示：
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)， 電機(jī)運(yùn)行于亞同步狀態(tài)， 式( 2 ) 中 前為“一”，功率變換器從電網(wǎng)吸收能量送給控制繞組；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)，式( 2 ) 中 前為 “ + ”，功率變換器從控制繞組吸收能量送給電網(wǎng)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，控制繞組勵(lì)磁由交流勵(lì)磁變?yōu)橹绷鲃?lì)磁，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與普通的同步電完全相同。無刷雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)原理與有刷雙饋電機(jī)基本相同，根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率；通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，以捕獲最大風(fēng)能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的調(diào)節(jié)[1]。
雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)核心是交流勵(lì)磁技術(shù)，這有賴于輸入／輸出性能好、無電力諧波、特別是功率可雙向流動(dòng)、低頻( 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率) 性能好的“綠色”變換器的研制?？捎糜陔p饋電機(jī)控制的變換器有傳統(tǒng)的晶閘管交交變頻器、 雙PWM變換器、 矩陣式變換器等。傳統(tǒng)的晶閘管交交變頻器采用相控的方式，這會(huì)引起電流與電壓波形的畸變，無論是輸入端還是輸出端都含有豐富的諧波，造成嚴(yán)重的諧波效應(yīng)；而且其最高輸出頻率一般不超過電源頻率的1/3~1/2，功率因數(shù)低，因此在風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)合并不適用。下文將介紹雙 P WM變換器、矩陣式變換器。
2.3.2 雙 PWM變換器
在全功率機(jī)組中,發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過二極管不控整流電路進(jìn)行整流,再進(jìn)行逆變、并網(wǎng),由于二極管的單向?qū)щ娦?，因此功率只能單向流?dòng)， 這在全功率機(jī)組中可以滿足要求， 但是不適用于雙饋機(jī)組。如果使用雙向整流器——PWM整流器來代替二極管不控整流電路， 就能滿足功率雙向流動(dòng)的要求。
雙PWM變頻器組成的變速恒頻雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖10。電壓型雙PWM變換器由兩套結(jié)構(gòu)完全相同的全橋電路組成兩組變流器,在系統(tǒng)不同的能量流動(dòng)狀態(tài)下，兩組變流器交替實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能，例如：在亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，雙PWM變換器由電網(wǎng)向電機(jī)提供功率,此時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器作PWM整流器使用，電機(jī)側(cè)變換器作逆變器使用；在超同步轉(zhuǎn)速時(shí)，雙PWM變換器由電機(jī)向電網(wǎng)提供功率，此時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器作逆變器使用，電機(jī)側(cè)變換器作PWM整流器使用。
在雙PWM變頻器中,PWM逆變技術(shù)相對(duì)成熟，而電網(wǎng)側(cè)的PWM整流器作為與通用變頻器的主要差異點(diǎn)，決定了能量能否回饋、回饋的品質(zhì)如何、電動(dòng)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)是否可調(diào)等關(guān)鍵問題。對(duì)于PWM整流器，開關(guān)橋采用電壓控制可關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管( I G B T) 組成， 通過高頻率開關(guān)切換，使得整流器輸 入側(cè)線電壓為一系列連續(xù)的
開關(guān)脈沖，其基波成分為與電網(wǎng)輸入電壓同頻率的正弦電壓。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，低次工頻諧波的幅值近似為零，因此整流器輸入側(cè)電流的正弦度較高。通過調(diào)節(jié)開關(guān)切換的順序和時(shí)間，可改變輸入側(cè)電流的相位，從而實(shí)現(xiàn)功率、功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。
2.3.3 矩陣式變換器
交直交通用變頻器通常采用不可控整流器加大電容濾波電路輸入結(jié)構(gòu)。非線性元件與儲(chǔ)能元件的組合，使得其輸入功率因數(shù)低，輸入電流波形嚴(yán)重畸變。而雙PWM變換器雖然可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，輸入電流連續(xù)，但也需要大電容濾波，這些無源元件含造成系統(tǒng)成本上升、 集成度低、可靠性降低等問題。 矩陣變換器是一種新 的“ 綠色” 變換器，除了必需的為消除開關(guān)紋波的小容量高頻濾波器外， 不含任何無源元件。如果實(shí)施良好的控制算法，基本不需要開關(guān)緩沖電路。
三相-三相矩陣式變換器原理如圖11所示。由9個(gè)雙向開關(guān) 組成，每個(gè)雙向開關(guān)均具有雙向?qū)ê碗p向關(guān)斷的功能，可由兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件連接構(gòu)成。9個(gè)雙向開關(guān)按照3×3的矩陣進(jìn)行排列， 通過雙向開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，三相交流輸入一相可以連接至二相交流輸出中 的任意一相。矩陣式變換器的輸入側(cè)還需要三相電感電容( L C) 濾波器以濾除輸入電流中由開關(guān)動(dòng)作引起的高頻諧波。
矩陣變換器具有眾多優(yōu)越的性能：能量可雙向流動(dòng)、無中間直流環(huán)節(jié)、 可實(shí)現(xiàn)輸出幅值、頻率和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的獨(dú)立控制等。因此，在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。
2.4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的其他電力電子技術(shù)
2.4.1大功率風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向是逐步大型化。隨著機(jī)組容量的不斷增大，原有的功率變換器受到器件容量的制約，因此需要研究大容量的新型功率器件或者推出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在不改變電路基本原理的前提下，可通過器件的串并聯(lián)來提高器件的容量，但必須考慮由器件的串并聯(lián)而帶來的均壓和均流的問題。更多的方法是采用與通信電源系統(tǒng)中類似的單元電路并聯(lián)的方式，另外還有多重化技術(shù)和多電平技術(shù)等。
2.4.2分布式風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電另一個(gè)發(fā)展方向是小型化、分布式。利用小型風(fēng)能、 太陽能等方式發(fā)電的分布式電源，對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電具有實(shí)用價(jià)值。日本及歐洲正朝向小功率分布式的方向發(fā)展， 每家每戶都有風(fēng)力發(fā)電機(jī)或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，不論功率大小，均可并網(wǎng)運(yùn)行，或一個(gè)小區(qū)域組成一個(gè)微電網(wǎng)。
一種具有能量存儲(chǔ)功能的分布式發(fā)電系統(tǒng)中的每個(gè)風(fēng)力機(jī)組， 通過整流器將發(fā)出的電能送到掛有蓄電池組或者超級(jí)電容的直流母線上， 然后通過集中逆變將電能送往電網(wǎng)。由于直流母線電壓相對(duì)穩(wěn)定， 為了達(dá)到風(fēng)力機(jī)組的最大功率跟蹤，整流器一般采用電流源輸出結(jié)構(gòu)。
2.4.3變漿距系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)
隨著變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在提高機(jī)組運(yùn)行可靠性的同時(shí)， 也在追求輸出功率的優(yōu)化。在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)，可以與變槳距裝置形成互補(bǔ)，分別作用于風(fēng)速中的高頻和低頻分量，使輸出功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是通過電力電子變換器來控制繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的一項(xiàng)技術(shù)，在風(fēng)電系統(tǒng)中，根據(jù)外部風(fēng)速變化改變異步電機(jī)的外接電阻值， 使轉(zhuǎn)子電流跟蹤功率調(diào)節(jié)器輸出的給定值，保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而穩(wěn)定輸出功率。
轉(zhuǎn)子電流控制器與發(fā)電機(jī)同軸安裝，并與轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成電氣回路。其原理如圖12，主電路主要由外接電阻、開關(guān)器件等組成，通過三相整流橋與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路相連。開關(guān)器件通過控制單元給出的PWM信號(hào)不斷開通與關(guān)斷，調(diào)整每周期外接電阻接入的平均值，達(dá)到跟蹤給定電流的目的。加裝轉(zhuǎn)子電流控制器的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變速恒頻和功率調(diào)節(jié)[3]。
3 結(jié)語
隨著各國越來越重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，更多、更大規(guī)模的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逐步投人運(yùn)行，加大適用于此系統(tǒng)的電力電子技術(shù)的研究， 將會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及新能源開發(fā)帶來重要的推動(dòng)作用。
12
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] 孫國偉,程小華.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)[ J ].電機(jī)與控制應(yīng)用,2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 8 - 6 1 ．
[ 2 ] 王孝洪,吳捷,楊金明．矩陣式變換器電流環(huán)無源性控制[ J ].控制理論與應(yīng)用，2 0 0 8 ( 2 ):341—343．
[ 3] 王相中.帶有RCC的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特性分析[ J ].太陽能學(xué)報(bào)，2005 ( 4 ) ：447—451．
華北電力大學(xué)科技學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
學(xué)生姓名： 陳煥 班級(jí)： 電氣07K2
所在系別： 電力系 所在專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)（論文）題目： 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功 輸出能力研究
指導(dǎo)教師：
2011年 2 月 21 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
一、結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫不低于2000字的文獻(xiàn)綜述。（另附）
二、本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
主要內(nèi)容是為了更好地發(fā)揮功率可雙向流動(dòng)的變頻器在變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組中的控制作用，根據(jù) PWM 控制的交—直—交電壓源型變頻器的機(jī)理和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，以整流和逆變部分同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制作用為目標(biāo)對(duì)變頻器的控制策略進(jìn)行探討：在假定變頻器采用理想開關(guān)器件和只考慮電容器充放電動(dòng)態(tài)過程的前提下，提出變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略， 并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器；同時(shí)基于 MATLAB 軟件建立變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型，并以漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)為例對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真研究，用來說明控制策略的合理性及控制器設(shè)計(jì)的有效性，在保證有功輸出的情況下能夠有效地調(diào)節(jié)無功功率，以保證變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
三、指導(dǎo)教師意見：
1． 對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
2．對(duì)學(xué)生前期工作情況的評(píng)價(jià)（包括確定的研究方法、手段是否合理等方面）：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
華北電力大學(xué)科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
所在系別 電力工程系
專業(yè)班號(hào) 電力07K2
學(xué)生姓名 陳煥
指導(dǎo)教師簽名
審批人簽字
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功輸出能力研究
2011年02月21日
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容
1．了解變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理。
2．了解變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻器工作原理。
3．了解變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功輸出能力與變頻器的關(guān)系。
4．設(shè)計(jì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙向變頻器及其控制回路。
5．用Matlab仿真變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其雙向變頻器，驗(yàn)證控制效果。
6、總結(jié)，撰寫畢業(yè)論文。
二、基本要求
1、閱讀的參考文獻(xiàn)不能少于15篇，且其中應(yīng)有一定的外文文獻(xiàn)。撰寫本課題的文獻(xiàn)綜述，要求字?jǐn)?shù)不少于2000字。
2、掌握變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙向變頻器及其控制回路的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
3、翻譯一篇與本專業(yè)有關(guān)的外文文獻(xiàn)，要求其中文翻譯字?jǐn)?shù)不能少于3000字。
三、設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度
序號(hào)
設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱
完成時(shí)間
備注
1
查閱文獻(xiàn)、撰寫文獻(xiàn)綜述、明確研究方法、完成開題報(bào)告
2周
2
設(shè)計(jì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙向變頻器
2周
3
設(shè)計(jì)雙向變頻器的控制回路
3周
4
Matlab仿真、調(diào)試
6周
5
撰寫論文
1周
設(shè)計(jì)(論文)預(yù)計(jì)完成時(shí)間：2011年6月19日
四、參考資料及文獻(xiàn)
大量風(fēng)電并網(wǎng)后華北電網(wǎng)適應(yīng)性的研究(第二章) 于嘯 華北電力大學(xué)碩士論文
其他資料自己查閱
關(guān)于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功輸出能力研究的文獻(xiàn)綜述
前言
最近二十年，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界各國風(fēng)力發(fā)電廠的主流機(jī)型。【1】
所謂雙饋就是發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。采用變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)不同的工況變速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，工作效率高。雙饋型發(fā)電機(jī)的最大特點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行交流勵(lì)磁，發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出；通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。【2-4】雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(AEVSCF)研究備受關(guān)注。
本文主要是就變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻器的控制策略與其無功輸出能力關(guān)系進(jìn)行研究。
一、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的研究現(xiàn)狀
1變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?
采用繞線異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)并對(duì)其轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一，可控電源的實(shí)現(xiàn)方法通常是采用交—交變頻器或交—直—交變頻器。 傳統(tǒng)交—直—交變頻器的缺點(diǎn)是直流回路需要大容量的儲(chǔ)能元件，輸出功率因數(shù)低。而交—交變頻器（或稱為循環(huán)變流器）沒有中間的直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲(chǔ)能元件，但缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，需要的電力電子器件較多，控制也比較復(fù)雜。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用脈寬調(diào)制（PWM） 控制方式的交—直—交變頻器能夠很好地克服上述兩種傳統(tǒng)變頻器的缺點(diǎn)，并在近年來的國內(nèi)外工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?！?】
2基本控制算法
交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)即雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多控制策略，主要包括矢量控制、標(biāo)量控制以及直接功率控制等。
二、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率特性的研究
過去采用的恒速恒頻發(fā)電機(jī)存在風(fēng)能利用低、需要無功補(bǔ)償裝置、輸出功率不可控、葉片特性要求高等不足，成為制約并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量和規(guī)模的嚴(yán)重障礙。變速恒頻發(fā)電是二十世紀(jì)70年代中后期逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小、頻率和相位、或變槳距控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)追求風(fēng)能最大轉(zhuǎn)換效率；因此可以大大提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性?！?】盡管變速系統(tǒng)與恒速系統(tǒng)相比，風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置中的電力電子部分比較復(fù)雜和昂貴，但成本在大型風(fēng)電機(jī)組中所占比并不大，因而發(fā)展變速恒頻技術(shù)和控制理論技術(shù)將是今后風(fēng)力發(fā)電的必然趨勢(shì)【7】。
目前雙饋異步風(fēng)電機(jī)組大多是基于=1的恒定功率因數(shù)方式運(yùn)行，而未能根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求運(yùn)用其無功調(diào)節(jié)能力，如何充分利用雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的靈活調(diào)控能力來控制其無功輸出能力已經(jīng)成為雙饋異步風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制研究領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。文獻(xiàn)【8-9】在雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍方面做了有益的嘗試，文獻(xiàn)【8】在考慮變流器電源限制的條件下，分析了雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍。文獻(xiàn)【9】在考慮轉(zhuǎn)子變流器電流、電壓、定子變換等因素的約束下，從理論上分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍。
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，有顯著的優(yōu)越性：低風(fēng)速時(shí)它能根據(jù)風(fēng)速變化，在運(yùn)行中保持最佳尖速比以獲得最大風(fēng)能【10】；高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存儲(chǔ)或釋放部分能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使有功功率輸出更加平穩(wěn)。同時(shí)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，具有一定的無功功率吸收和輸出能力，不但可以作為有功電源向電網(wǎng)發(fā)出電能，也可以作為無功電源向穩(wěn)定電網(wǎng)電壓或?qū)ο噜徲脩魺o功消耗起到無功補(bǔ)償作用【11】。所以，通過變頻器的控制策略，計(jì)算不同風(fēng)速下變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的無功功率極限，對(duì)于選擇雙饋風(fēng)電機(jī)組無功控制策略，確定變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的無功功率控制的整定值具有重要意義。因此，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功無功功率調(diào)控能力研究一直是人們比較關(guān)注的一個(gè)方面。
三、總結(jié)
風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)整能力有助于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和風(fēng)電機(jī)組本身的穩(wěn)定運(yùn)行，但是對(duì)于機(jī)組控制性能也提出了更高的要求。除了考慮風(fēng)電機(jī)組本身的特殊設(shè)計(jì)和容量外，還需要考慮變壓器和電纜等能量傳輸設(shè)備的容量和風(fēng)電場(chǎng)的控制能力【12】。雖然風(fēng)電場(chǎng)配電站一般都具有有載調(diào)壓、補(bǔ)償電容組，但從控制速度和控制效果而言，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行無功調(diào)整，對(duì)于電壓穩(wěn)定的影響是最直接的，因此風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)控設(shè)備是從總體上保證對(duì)電網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量【13】。如果在局部電網(wǎng)中，風(fēng)電的比例較高，那么對(duì)于對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控和在緊急情況下處理能力的要求將成倍提高。也就是說，不僅風(fēng)電機(jī)組根據(jù)測(cè)量到的電網(wǎng)參數(shù)和本身的運(yùn)行參數(shù)做出相應(yīng)的控制，而且風(fēng)電機(jī)組接受遠(yuǎn)方控制中心調(diào)度，做出有功功率和無功功率調(diào)整【14】。為此，本文基于頻器的控制策略并基于定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)下的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組電氣控制部分的控制策略并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的變頻器【15】。 同時(shí)基于MATLAB軟件建立變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型，針對(duì)提出的控制策略對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究，研究該控制策略的合理性及控制器設(shè)計(jì)的有效性，使雙饋發(fā)電機(jī)在保證有功輸出的情況下能夠有效地調(diào)節(jié)無功功率， 保證變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
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