第8章_電力電子

1、風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)制作人：制作人：朱永強朱永強, , 田軍田軍華北電力大學華北電力大學風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)28 8 風電場中的電力電子技術(shù)風電場中的電力電子技術(shù) v8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)v8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器v8.3 8.3 無功補償與電壓控制裝置無功補償與電壓控制裝置風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)31. 電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用于電力領(lǐng)域，即使用電力電子器件對電能進行變換與控制2. 電

2、力電力交流電（常用）直流電（不常用）太陽能光伏發(fā)電 ；電鐵的牽引機車火電廠、水電站、風電機組；各種電動機 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.1 8.1.1 電力電子技術(shù)簡介電力電子技術(shù)簡介風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)4 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.1 8.1.1 電力電子技術(shù)簡介電力電子技術(shù)簡介交流電交流電直流電直流電電壓頻率電壓頻率3. 電力電子電力電子 設(shè)備作用設(shè)備作用轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電源電源輸配電網(wǎng)輸配電網(wǎng)用電設(shè)備用電設(shè)備轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電壓頻率電壓頻率無功補償、電壓控制無功補償、電壓控制風電場電

3、氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)5 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.2 8.1.2 電力電子器件電力電子器件半導(dǎo)體器件電真空器件電力電子器件不可控器件：電力二極管（Power Diode） 半控型器件：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件 全控型器件 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET） 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)6 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.3 8.1.3 變流技術(shù)變流技術(shù)電力變換 整流：交

4、流變直流（AC-DC）逆變：直流變交流（DC-AC） 斬波：直流變直流（DC-DC） 變壓、變頻、移相：交流變交流（AC-AC） 實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)直流斬波器逆變器變壓器、變頻器移相器整流器風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)7 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制PWM控制的理論基礎(chǔ)是控制的理論基礎(chǔ)是面積等效原理面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。其效果基本相同。這里所說的沖量，是指窄脈沖在時域波

5、形圖上的面積；效這里所說的沖量，是指窄脈沖在時域波形圖上的面積；效果基本相同，是指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。果基本相同，是指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)8 風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)9 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制圖8-7 用矩形脈沖序列等效正弦波形 圖8-8 正弦波的兩種PWM波形風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)10 8.1 8.1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電

6、力電子技術(shù)基礎(chǔ) 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制PWM波形生成方法 計算法：特定諧波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination） 調(diào)制法跟蹤控制法風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)118.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器8.2.1 直驅(qū)式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器8.2.2 交流勵磁雙饋式機組的并網(wǎng)換流器8.2.3 無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器8.2.4 風電機組并網(wǎng)換流器的總結(jié)風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)12圖8-12 帶有并網(wǎng)換流器的直驅(qū)式風

7、電機組示意圖 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.1 8.2.1 直驅(qū)式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器直驅(qū)式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)13(a) 發(fā)電機側(cè)為不可控整流(b) 發(fā)電機側(cè)為可控整流圖8-13 直驅(qū)式風電機組并網(wǎng)換流器的常見設(shè)計方案(c) 發(fā)電機側(cè)為不可控整流Boost升壓 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.1 8.2.1 直驅(qū)式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器直驅(qū)式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)14圖 8

8、-14 交流勵磁雙饋式風電機組結(jié)構(gòu)示意圖 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.2 8.2.2 交流勵磁雙饋式機組的并網(wǎng)換流器交流勵磁雙饋式機組的并網(wǎng)換流器風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)15v 雙向換流器的電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)兩個部分，都用可控器件實現(xiàn)，均采用PWM控制方式，因此又稱為雙PWM變流器。雙PWM變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖8-15所示。 圖8-15 雙PWM型變換器主電路結(jié)構(gòu)圖 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.2 8.2.2 交流勵磁雙饋式機組的并網(wǎng)換流器交流勵磁雙饋式機組的并網(wǎng)換流器風電場電氣

9、系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)16v 無刷雙饋式風力發(fā)電機組，其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接連接電網(wǎng)；另一個稱為控制繞組，通過雙向換流器連接電網(wǎng)。其作用分別相當于交流勵磁雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，并網(wǎng)換流器也要求是雙向換流器。v 其容量也僅為發(fā)電機容量的一小部分，類似于交流勵磁雙饋式風電機組的并網(wǎng)換流器。除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，降低變頻器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，同時發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了成本，又提高了運行的可靠性。 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.3 8.2.3 無刷雙饋式

10、機組的并網(wǎng)換流器無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)17v （1 1）容量）容量v 雙饋型系統(tǒng)的變流器容量（相當于轉(zhuǎn)差功率）一般只占發(fā)電機組額定功率的30左右，體積和重量較小，因而具有較低的成本。直驅(qū)型系統(tǒng)需要全功率變流器，即變流器的容量需要按風電機組額定功率設(shè)計，體積和重量大，因而具有較高的成本。v （2 2）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)v 直驅(qū)式風電系統(tǒng)的變流器接于定子繞組與電網(wǎng)之間，功率輸送是單向的，即只能從發(fā)電機定子繞組流入電網(wǎng)。因此可以考慮采用低成本的不控或半控器件。 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.4 8.

11、2.4 風電機組并網(wǎng)換流器的總結(jié)風電機組并網(wǎng)換流器的總結(jié)風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)18v 交流勵磁雙饋式風電系統(tǒng)的變流器，連接于電網(wǎng)與可控勵磁電流所在的轉(zhuǎn)子繞組之間。v 無刷雙饋式風電系統(tǒng)的變流器，連接于電網(wǎng)與可控勵磁電流所在的定子控制繞組之間。兩種雙饋式系統(tǒng)，變流器中的功率流動都要求是雙向的，因此要求按雙向變流器設(shè)計，即兩側(cè)變流器都應(yīng)采用全控器件，實現(xiàn)雙PWM控制。 8.2 8.2 風電機組并網(wǎng)換流器風電機組并網(wǎng)換流器 8.2.4 8.2.4 風電機組并網(wǎng)換流器的總結(jié)風電機組并網(wǎng)換流器的總結(jié)風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中

12、的電力電子 技術(shù)技術(shù)198.3 無功補償與電壓控制裝置無功補償與電壓控制裝置8.3.1 8.3.1 風電場的無功和電壓控制需求風電場的無功和電壓控制需求8.3.2 8.3.2 靜止無功補償器靜止無功補償器(SVC)(SVC)8.3.3 8.3.3 靜止同步補償器靜止同步補償器(STATCOM)(STATCOM)風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)20 8.3 8.3 無功補償與電壓控制裝置無功補償與電壓控制裝置 8.3.1 8.3.1 風電場的無功和電壓控制需求風電場的無功和電壓控制需求v 隨著風速的變化，風電機組的發(fā)電功率和電壓頻率也會發(fā)生變化，這個很容

13、易理解。實際上，風電的間歇性、隨機性，不僅對頻率和有功有影響，還會對電壓和無功產(chǎn)生影響。v 風電場常用的無功補償設(shè)備，主要有三大類：并聯(lián)電容器，靜止無功補償器（SVC），靜止同步補償器（STATCOM）。風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)21v 靜止無功補償基于電力電子技術(shù)及其控制技術(shù)，將電抗器與電容器結(jié)合起來使用，能實現(xiàn)無功補償?shù)碾p向、動態(tài)調(diào)節(jié)。實際上，SVC是一類設(shè)備的統(tǒng)稱，常見的幾種基本形式如圖8-17所示。 8.3 8.3 無功補償與電壓控制裝置無功補償與電壓控制裝置 8.3.2 8.3.2 靜止無功補償器靜止無功補償器(SVC)(SVC)TCR

14、TCTTSCSRTCRTCTTSCSRTCRTCTTSCSR圖8-17 幾種典型SVC結(jié)構(gòu)示意圖風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)22v STATCOM的主電路一般都由電壓源型逆變器（VSI）和直流電容組成，如圖8-19所示。 8.3 8.3 無功補償與電壓控制裝置無功補償與電壓控制裝置 8.3.3 8.3.3 靜止同步補償器靜止同步補償器(STATCOM)(STATCOM)圖8-19 STATCOM的基本構(gòu)成風電場電氣系統(tǒng)風電場電氣系統(tǒng)風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術(shù)技術(shù)23v 優(yōu)點：v STATCOM具有更好的出力特性。在低電壓時，表現(xiàn)為定電流特性，無功功率只隨電壓的降低按一次方關(guān)系下降。v STATCOM采用PWM控制，具有更快的響應(yīng)特性。v STATCOM中，無功調(diào)節(jié)不是通過控制容抗或感抗的大小實現(xiàn)的，無需直接與系統(tǒng)連接的電容器或電抗器，不存在系統(tǒng)諧振問