第二部分雙饋機組控制

風電變流器技術主講：張學廣WindPowerGroupPowerElectronics&ElectricalDrivesLabBringourideastogether!現(xiàn)在是1頁\一共有58頁\編輯于星期四風電機組類型：風電變流器及產業(yè)概況以變流器為分類標準無變流器：傳統(tǒng)鼠籠式發(fā)電機直接并網(wǎng)部分功率變流器：雙饋發(fā)電機全功率變流器：永磁發(fā)電機，電勵磁同步發(fā)電機，鼠籠式發(fā)電機現(xiàn)在是2頁\一共有58頁\編輯于星期四風電機組類型：風電變流器及產業(yè)概況高速型：雙饋、全功率（發(fā)電機體積最?。。┑退傩停喝β剩òl(fā)電機體積最大?。┲兴傩停喝β剩òl(fā)電機體積中等！）永磁發(fā)電機與齒輪箱的集成—緊湊、高效現(xiàn)在是3頁\一共有58頁\編輯于星期四現(xiàn)在是4頁\一共有58頁\編輯于星期四現(xiàn)在是5頁\一共有58頁\編輯于星期四現(xiàn)在是6頁\一共有58頁\編輯于星期四現(xiàn)在是7頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋電壓型風機變流器拓撲風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是8頁\一共有58頁\編輯于星期四全功率電壓型風機變流器拓撲風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是9頁\一共有58頁\編輯于星期四全功率電流型風機變流器拓撲優(yōu)點：1）適合于高壓大容量系統(tǒng)（功率器件串聯(lián)相對容易）；2）由于閥側電壓近似正弦，無需du/dt濾波器；3）良好的短路保護能力和LVRT特性。缺點：1）功率器件及供貨問題；3）儲能電感體積大、增加了損耗；2）系統(tǒng)的動態(tài)響應和振蕩問題。風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是10頁\一共有58頁\編輯于星期四電流型+電壓型的風機變流器優(yōu)點：1）主變流器采用電流型拓撲且以方波調制以減低損耗2）次變流器采用電壓型拓撲且以低容量實現(xiàn)有源濾波3）較快的動態(tài)影響和穩(wěn)定性缺點：1）變流器結構復雜2）控制復雜風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是11頁\一共有58頁\編輯于星期四矩陣型風機變流器優(yōu)點：無中間儲能環(huán)節(jié)，效率高；功率管的熱應力相對較低（與電網(wǎng)頻率相關），開關損耗減少（半數(shù)的功率器件處于自然換流）；du/du低。缺點：采用雙向功率器件，且數(shù)量較多；輸入輸出耦合，F(xiàn)RT性能差。風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是12頁\一共有58頁\編輯于星期四國外主流風機變流器生產商

其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有國內前幾位的市場份額風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是13頁\一共有58頁\編輯于星期四ABB風機變流器一類是應用于雙饋發(fā)電系統(tǒng)的ACS800-67系列（0.85MW至3.8MW）一類應用于永磁同步電機且無齒輪箱的ACS800-77系列（0.8MW至6MW）特點：采用直接轉矩控制（DTC）三相半橋模塊化設計全封閉緊湊型設計ACS800-67LC液冷型適用于3MW機組的雙饋風電變流器ACS800-77LC液冷型適用于5MW以下機組的全功率風電變流器配備有最新的軟件和硬件，以支持各個地區(qū)的電網(wǎng)法規(guī)。如E.ON、R.E.E和FERCOrder661風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是14頁\一共有58頁\編輯于星期四ABB風機變流器風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是15頁\一共有58頁\編輯于星期四科孚德機電(Converteam)前身是法國知名企業(yè)阿爾斯通(Alstom)機電部，于2005年成為獨立公司Converteam中國區(qū)總部科孚德機電(上海)有限公司位于上海市莘莊工業(yè)園區(qū)內，從2005年發(fā)展到現(xiàn)在已有110余名員工，并擁有2000余平米的生產基地。風機變流器系列：雙饋變流器(ProWind)：0.5—5MW/690V低壓全功率變流器(MV3000)：1—5MW/690V中壓變流器(MV7000)：3—8MW/3300V、6600V

特點：低壓系列采用相橋模塊化設計，產品成熟、價格較ABB低?？奇诘聶C電(Converteam)變流器風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是16頁\一共有58頁\編輯于星期四科孚德機電(Converteam)變流器風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是17頁\一共有58頁\編輯于星期四科孚德機電(Converteam)變流器風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是18頁\一共有58頁\編輯于星期四艾默生網(wǎng)絡能源有限公司（美國深圳）1.5MW雙饋風機變流器-風冷1.25MW/1.5MW雙饋風機變流器-液冷2MW雙饋風機變流器-液冷2.5MW雙饋風機變流器-液冷3MW雙饋風機變流器-液冷1.5MW全功率風機變流器-風冷風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是19頁\一共有58頁\編輯于星期四艾默生網(wǎng)絡能源有限公司（美國深圳）

風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是20頁\一共有58頁\編輯于星期四美國超導公司于2007年9月11日在中國蘇州市設立了全資子公司蘇州美恩超導有限公司。目前中國公司主要負責生產變流器PowerModule?PM1000和PowerModule?PM3000W目前向中國客戶華銳風電科技有限公司、東方汽輪機廠、中國南車時代-株洲電力機車研究所有限公司，沈陽鼓風機集團有限公司和許繼集團提供風機的整體設計和電控系統(tǒng)，包括電力核心部件。美國超導公司AMSCWindtec（美國）風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是21頁\一共有58頁\編輯于星期四美國超導公司AMSCWindtec（美國）.PowerModule?PM系列實際上是一種便于快速開發(fā)變流器的可編程的核心功率平臺（無輸入、輸出濾波器、電氣開關等）風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是22頁\一共有58頁\編輯于星期四美國超導公司AMSCWindtec（美國）WindtecPM3000W技術參數(shù)一覽表SpecificationsNominalACVoltage:690VACNominalDCBusVoltage:1150VDCMax.TransientDCBusVoltage:1400VDCPWMSwitchingFrequency:3kHzMax.ContinuousACPhaseCurrent:750A風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是23頁\一共有58頁\編輯于星期四美國超導公司AMSCWindtec（美國）風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是24頁\一共有58頁\編輯于星期四風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是25頁\一共有58頁\編輯于星期四26１５００KVA/３．３KV功率單元變壓器冷卻風機控制單元尺寸W３４００＊H２４００＊D１２００重量：５３００Kg日本安川電機的高壓矩陣變頻器風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是26頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋電壓型風機變流器拓撲風電變流器及產業(yè)概況現(xiàn)在是27頁\一共有58頁\編輯于星期四雙PWM電能變換器控制目標電機側變換器網(wǎng)側變換器發(fā)電機運行在最優(yōu)點減少電機側諧波電流提供恒定的直流電壓減少注入電網(wǎng)諧波電流雙PWM（全功率）電能變換器協(xié)調控制變頻變幅電壓

恒頻恒幅電壓

現(xiàn)在是28頁\一共有58頁\編輯于星期四交流勵磁雙饋電機變速恒頻運行原理定子電頻率、轉子電頻率和轉速對應的頻率滿足：根據(jù)轉速相對于同步速之間關系將雙饋電機運行區(qū)間分為：亞同步速區(qū)域同步速區(qū)域

超同步速區(qū)域當發(fā)電機的轉速變化時，即

fm變化時，若控制

f2

隨之相應變化，可保持f1恒定不變，從而實現(xiàn)了雙饋電機的變速恒頻運行現(xiàn)在是29頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋電機功率傳遞關系有功功率傳遞關系s＞0亞同步s＜0超同步雙饋電機的功率流程圖定子端功率

轉子端功率

現(xiàn)在是30頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋電機矢量控制

電壓矢量：定子電壓和轉子電壓

電流矢量：定子電流和轉子電流

磁鏈矢量：定轉子磁鏈和氣隙磁鏈可供選擇的定向矢量

變速恒頻雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)中常用的定向矢量有：定子磁鏈、電網(wǎng)電壓，轉子磁鏈、氣隙磁鏈、轉子電流、轉子感應電動勢等?，F(xiàn)在是31頁\一共有58頁\編輯于星期四電網(wǎng)電壓相角:轉子位置角:重要的角度：雙饋電機電網(wǎng)電壓定向矢量控制滑差角:電網(wǎng)電壓可以直接測量不受電機參數(shù)變化的影響容易實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同步有功功率無功功率計算簡單有功功率和無功功率的解耦控制現(xiàn)在是32頁\一共有58頁\編輯于星期四電網(wǎng)電壓定向矢量控制

定子開路

轉子電流參考的選擇優(yōu)點:

提高補償精度可以加快勵磁階段對定子電壓的調整過程轉子位置不存在誤差

轉子位置角初始誤差補償現(xiàn)在是33頁\一共有58頁\編輯于星期四分段并網(wǎng)并網(wǎng)條件雙饋電機分段并網(wǎng)控制策略定子電壓與電網(wǎng)電壓滿足：相位相同幅值相同頻率相同從而可以實現(xiàn)平滑并網(wǎng)

雙饋發(fā)電機并網(wǎng)控制一般包括：勵磁階段或者定子電壓的建立階段雙饋電機的并網(wǎng)階段現(xiàn)在是34頁\一共有58頁\編輯于星期四雙環(huán)控制內環(huán)轉子電流環(huán)外環(huán)定子電壓控制環(huán)功率控制環(huán)并網(wǎng)控制階段

轉子位置初始誤差補償階段定子電壓建立階段雙饋電機并網(wǎng)階段電網(wǎng)電壓定向矢量控制

雙饋電機分段并網(wǎng)控制策略現(xiàn)在是35頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋電機分段并網(wǎng)控制策略

-

-

Zero_point_Detect

Trans.(1)

Inv.

Trans.

(2)

Usdref

Usqref=0

usq

usd

+

SPWM

ird

irq

R_Cur

Controller

S_Vol.

Controller

isd

isq

Trans.(2)

Trans.(1)

ira

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isa

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usa

usb

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Power

Controller

switch

Power

Calculation

Psref

Qsref

usd

usq

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ugc

Grid

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Controller

Com_RPE

cq

sq

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rq

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)/(msLUrdrefiw-=

0=rqrefi

Trans.(1)

ugd

ugq

uga

現(xiàn)在是36頁\一共有58頁\編輯于星期四實驗結果Stage1:定子電壓建立階段電網(wǎng)電壓(藍)&定子電壓(紅)轉子電流(紅)現(xiàn)在是37頁\一共有58頁\編輯于星期四實驗結果Stage2:雙饋電機并網(wǎng)階段并網(wǎng)瞬間并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)電壓(藍)&定子電壓(紅)電網(wǎng)電壓(藍)&定子電流(紅)轉子電流(紅)現(xiàn)在是38頁\一共有58頁\編輯于星期四網(wǎng)側變換器電網(wǎng)電壓定向矢量控制網(wǎng)側電流d軸分量為有功電流q軸分量為無功電流電網(wǎng)電壓同步旋轉坐標系的d軸按電網(wǎng)電壓矢量定向現(xiàn)在是39頁\一共有58頁\編輯于星期四網(wǎng)側變換器電網(wǎng)電壓定向矢量控制網(wǎng)側變換器典型控制結構框圖采用級聯(lián)式雙環(huán)控制結構：

電壓外環(huán)：負責直流母線電壓的控制，實時地給出內環(huán)有功電流的參考值

電流內環(huán)：根據(jù)電壓環(huán)給出的命令，負責實現(xiàn)網(wǎng)側電流的控制；為實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，無功電流參考一般取為零現(xiàn)在是40頁\一共有58頁\編輯于星期四網(wǎng)側變換器電網(wǎng)電壓定向矢量控制電流環(huán)控制器采用前饋解耦控制：耦合電流環(huán)控制器PI參數(shù)可采用零極點對消的方法進行設計現(xiàn)在是41頁\一共有58頁\編輯于星期四突減負載(100%50%)突增負載(50%100%)突減網(wǎng)側進線電壓(100%50%)突增網(wǎng)側進線電壓(50%100%)實驗結果InputcurrentDCbusvoltageDCbusvoltageInputcurrent現(xiàn)在是42頁\一共有58頁\編輯于星期四實驗結果InputcurrentInputvoltage網(wǎng)側單位功率因數(shù)運行現(xiàn)在是43頁\一共有58頁\編輯于星期四雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)設計與實驗研究雙饋風電系統(tǒng)實驗室模擬平臺結構圖現(xiàn)在是44頁\一共有58頁\編輯于星期四現(xiàn)在是45頁\一共有58頁\編輯于星期四

雙饋風電系統(tǒng)實驗室模擬平臺控制柜

變換器控制系統(tǒng)變換器主電路及驅動電路

Crowbar電路現(xiàn)在是46頁\一共有58頁\編輯于星期四

論文成果_雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)設計與實驗研究并網(wǎng)前后轉速變化動態(tài)波形現(xiàn)在是47頁\一共有58頁\編輯于星期四論文成果_雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)設計與實驗研究有功無功變化動態(tài)波形現(xiàn)在是48頁\一共有58頁\編輯于星期四網(wǎng)側變換器實驗波形論文成果_