風電場電氣工程 第8章 風電場中的電力電子設備

1、風電場電氣工程風電場電氣工程第第8 8章章 風電場中的電力電子設備風電場中的電力電子設備風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術第第8 8章章 風電場中的電力電子技術風電場中的電力電子技術 v8.1 8.1 電力電子技術基礎電力電子技術基礎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2風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術1. 電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術模擬電子技術數(shù)字電子技術應用于電力領域，即使用電力電子器件對電能進行變換與控制2. 電力

2、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 電力電子技術基礎電力電子技術基礎 8.1.1 8.1.1 電力電子技術簡介電力電子技術簡介3風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術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 設備作用設備作用轉換轉換電源電源輸配電網(wǎng)輸配電網(wǎng)用電設備用電設備轉換轉換轉換轉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 8.1 8.1 電力電子技術基礎電力電子技術基礎 8.1.1 8.1.1 電力電子技術簡介電力電子技術簡介4風電場電

3、氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 8.1.2 8.1.2 電力電子器件電力電子器件半導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） 電力場效應晶體管（MOSFET） 門極可關斷晶閘管（GTO） 5風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 8.1.3 8.1.3 變流技術變流技術電力變換 斬波：直流變直流（DC-DC） 實現(xiàn)直流斬波器逆變：直流變交流（DC-AC） 實現(xiàn)實現(xiàn)逆變器變壓、變頻、移相：

4、交流變交流（AC-AC） 實現(xiàn)變壓器、變頻器移相器整流：交流變直流（AC-DC）實現(xiàn)整流器6風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 8.1.4 PWM 8.1.4 PWM控制控制PWM控制的理論基礎是控制的理論基礎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)的輸出響應波形基本相同。果基本相同，是指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應波形

5、基本相同。 7風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 8風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 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9風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 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） 調制法跟蹤控制法10風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電

6、子風電場中的電力電子 技術技術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 直驅式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器直驅式永磁同步機組的并網(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8.2.3 8.2.3 無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器8.2.4 8.2.4 風電機組并網(wǎng)換流器的總結風電機組并網(wǎng)換流器的總結11風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術圖8-12 帶有并網(wǎng)換流器的直驅式風電機組示意圖 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

7、式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器直驅式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器12風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術(a) 發(fā)電機側為不可控整流(b) 發(fā)電機側為可控整流圖8-13 直驅式風電機組并網(wǎng)換流器的常見設計方案(c) 發(fā)電機側為不可控整流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 直驅式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器直驅式永磁同步機組的并網(wǎng)換流器13風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術圖8-14 交流勵磁雙饋式風電機組結構示意圖 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

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14風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 雙向換流器的電網(wǎng)側和電機側兩個部分，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變流器的主電路結構如圖8-15所示。 圖8-15 雙PWM型變換器主電路結構圖 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15風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 無刷雙饋式風力發(fā)電機組，其

9、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 無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器無刷雙饋式機組的并網(wǎng)換流器16風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場

10、中的電力電子 技術技術v （1 1）容量）容量v 雙饋型系統(tǒng)的變流器容量（相當于轉差功率）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計，體積和重量大，因而具有較高的成本。v （2 2）結構）結構v 直驅式風電系統(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 8.2.4 風電機組并網(wǎng)換流器的總結風電機組并網(wǎng)換流器的總結17風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的

11、電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 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。v 以上兩種雙饋式系統(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計，即兩側變流器都應采用全控器件，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)換流器的總結風電機組并網(wǎng)換流器的總結18風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術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

12、.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)19風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術 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

13、 風電場常用的無功補償設備，主要有三大類：并聯(lián)電容器，靜 止 無 功 補 償 器 （ S V C ） ， 靜 止 同 步 補 償 器（STATCOM）。20風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 靜止無功補償基于電力電子技術及其控制技術，將電抗器與電容器結合起來使用，能實現(xiàn)無功補償?shù)碾p向、動態(tài)調節(jié)。實際上，SVC是一類設備的統(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)T C RT C TT S CS RT C RT C TT

14、 S CS RT C R T C TT S C S R圖8-17 幾種典型SVC結構示意圖21風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 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的基本構成22風電場電氣工程風電場電氣工程風電場中的電力電子風電場中的電力電子 技術技術v 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系下降。v STATCOM采用PWM控