風力發(fā)電雙饋變流器主電路及驅(qū)動電路的研究設計

..Word文檔Word文檔.Word文檔目錄設計總說明 IIIDesignGeneralDescription V1緒論 11.1風力發(fā)電簡介 11.2風力發(fā)電的現(xiàn)狀 21.3風力發(fā)電系統(tǒng)簡介 41.3.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 51.3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 62雙饋式風力發(fā)電機組 92.1雙饋式風力發(fā)電機組原理 92.2雙饋式風力發(fā)電機組的特點 133雙饋變流器的設計 153.1雙饋變流器的工作原理 153.2雙饋變流器的組成 163.2.1并網(wǎng)開關 163.2.2雙PWM變換器 193.2.3預充電回路 293.2.4濾波電路 313.2.5低電壓穿越電路 353.3總結 384變流器功率單元驅(qū)動電路的設計 394.1驅(qū)動電路概述 394.2驅(qū)動電路的性能參數(shù) 394.2.1基本工作原理 394.2.2驅(qū)動電路的功能 414.3驅(qū)動電路的設計 424.3.1驅(qū)動芯片的選取 424.3.2外圍電路的設計 454.4總結 495實驗結果及分析 505.1概述 505.2滿功率試驗波形記錄及分析 516總結及展望 56參考文獻 57附錄A1.5MW雙饋變流器主電路 58附錄B1.5MW雙饋變流器驅(qū)動電路 59附錄C1.5MW雙饋發(fā)電機額定參數(shù) 60附錄D1.5MW雙饋變流器 61致謝 62風力發(fā)電雙饋變流器主電路及驅(qū)動電路的研究設計設計總說明：隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，能源消耗的日益增長，環(huán)境污染的日趨嚴重，迫使人們考慮新能源和可再生能源的開發(fā)和利用問題。目前人類開發(fā)的新能源有：核能、太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能、氫能。風能憑借其多方面的優(yōu)點，在新能源的開發(fā)利用中脫穎而出。而風力發(fā)電的核心技術是并網(wǎng)變流器，其效率的好壞、可靠性的高低將直接影響系統(tǒng)的性能和投資。在風力發(fā)電的初期主要是以恒速恒頻風力發(fā)電機組為主，恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單，其主要工作原理為：控制發(fā)電機轉速不變，從而得到頻率恒定的電能。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展以及可再生能源的迫切需求，風力發(fā)電也越來越受到重視，因此風力發(fā)電的技術得到了迅猛發(fā)展，近幾年在風力發(fā)電領域中提出了變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要有直驅(qū)式和雙饋式。直驅(qū)式主要由永磁同步發(fā)電機直接聯(lián)接葉片，使葉片與發(fā)電機之間取消齒輪箱，成為無齒輪箱的直接驅(qū)動型。因為使用全功率變流器，使得系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，風能利用率高；同時因為是直驅(qū)系統(tǒng)，省去了齒輪箱，使傳動效率提高，可靠性提高，成本降低。直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機通過全功率變流器與電網(wǎng)相連，在低電壓穿越方面較雙饋式機組實現(xiàn)簡單，且暫態(tài)沖擊較小。然而直驅(qū)式的變速恒頻系統(tǒng)也有其缺點，如變流器需按100%額定功率設計，成本偏高。雙饋試發(fā)電系統(tǒng)采用雙饋型感應發(fā)電機，發(fā)電機定子側通過并網(wǎng)開關與電網(wǎng)相連，轉子通過交直交變流器與電網(wǎng)相連，由變流器向轉子提供可控的勵磁電流，實現(xiàn)定子側零沖擊并網(wǎng)及有功、無功解耦控制。雙饋發(fā)電機體積小，重量輕、所需變流器容量小、供電質(zhì)量高等特點，使其依然成為大型風力發(fā)電機的主力機型。從國際風力發(fā)電技術發(fā)展的趨勢來看，風力發(fā)電機組單機容量越來越大，陸地風力發(fā)電機組主力機型單機容量在1.5MW、2MW，近海風力發(fā)電機組的主力機型單機容量多為3MW以上，雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機組是目前國際風力發(fā)電市場的主流機型。因此提出對雙饋式變流器進行研究設計。目前國內(nèi)裝機以雙饋式風電機組為主，2009年，我國新增風電機組裝機容量中，雙饋式風電機組占82%以上。而1.5MW雙饋式風電機組是市場占有量最大的變速恒頻風電產(chǎn)品。因此本課題以北京科諾偉業(yè)有限公司“1.5MW雙饋變流器”為背景對變流器進行研究設計。雙饋風力發(fā)電機將由葉片吸收的風能，經(jīng)齒輪箱升速后轉換為電能，雙饋變流器對發(fā)電機發(fā)出的電能變頻、濾波并將其并入電網(wǎng)。變流器風力發(fā)電機與電網(wǎng)之間核心的能量轉換單元。本論文中研究設計的1.5MW雙饋變流器是將風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能轉換成工頻50Hz，690V的交流電，然后經(jīng)過升壓變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本論文主要圍繞雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中雙PWM變流器及其驅(qū)動控制技術進行討論和研究。本文首先介紹國內(nèi)外風力發(fā)電技術的發(fā)展、研究現(xiàn)狀，并分析恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，接著介紹雙饋電機的運行特點。在變速恒頻的基礎上，分析交直交變流器的運行原理，通過對直驅(qū)式永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋式異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理進行分析和比較，提出研究雙饋變流器的意義，最后對雙饋變流器的主電路及驅(qū)動電路進行原理分析及設計。關鍵詞：風力發(fā)電；恒速恒頻；變速恒頻；雙饋變流器；驅(qū)動電路Thedesignofwindpowergenerationdoubly-fedconvertermaincircuitanddrivecircuitDesignGeneralDescription：Withtherapiddevelopmentofindustry,theincreasingofenergyconsumptionandthegrowingseriousenvironmentalpollution,peopleareforcedtoconsidernewandrenewableenergydevelopmentandutilization.Atpresent,thehumanityhavedevelopnewenergy:nuclearpower,solarenergy,windenergy,biomassenergy,geothermalenergy,oesandhydrogen.Windenergy,owningmanyadvantageshasstoodoutinthedevelopmentandutilizationofnewenergy.Thecoretechnologyofwindpowerisinverters,itsefficiencyandreliabilitywilldirectlyaffectthesystemperformanceandinvestment.Intheearlytimeofwindpower,constantspeedconstantfrequencywindturbine-basedisthemainlymeasure,ingeneralconstantspeedconstantfrequencygenerationsystemisrelativelysimple,themainworkingprinciple:controllingthegeneratorspeedisconstant,resultinginaconstantfrequencypower.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnologyandtheurgentneedforrenewableenergy,windpowergenerationobtainmoreandmoreattention,sowindpowertechnologyhasbeenrapiddevelopmentinrecentyearsinthefieldofwindpowerintheproposedvariablespeedconstantfrequencygeneratingsystem.Butthevariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemaredirectdrivinganddouble-fed.Directdrivingmainlybythepermanentmagnetsynchronousgeneratordirectconnectingleaves,leadingtoagearlessdirectdrivetypebetweentheabolitionoftheleafandthegeneratorgearbox.Becausetheuseoffullpowerconverter,makingthesystemawidespeedrange,highefficiencyofwindpower;Atthesametimeasitisdirectdrivingsystem,eliminatingthegearbox,sothattransmissionefficiency,increasedreliability,lowercosts.Direct-drivingvariablespeedconstantfrequencysynchronousgeneratorwindpowergenerationsystemthroughfullpowerconverterconnectedtothegrid,comparingwiththedouble-fedmachinetoachieveamoresimpleandlesstransientshocksinlowvoltageacross.However,directdrivingvariablespeedconstantfrequencysystemalsohasitsdisadvantages,suchastheconvertermustdesignedbasing100%ofratedpower,sothecostismore.Double-fedgenerationsystemusesadouble-fedinductiongenerator,thegeneratorstatorandCAPEoffthegridbyconnectingtherotorthroughtheLCIconverterconnectedtothegridbytheconvertertoprovideacontrolledrotorexcitationcurrenttoachievezeroimpactonthestatorsideofthegridandtheactiveandreactivedecouplingcontrol.Doubly-fedgeneratorpossessessmallsize,lightweight,smallcapacityrequiredconverters,powerqualityandadvancedfeatures,makeitremainsasthemainmodeloflargewindturbines.Fromthedevelopmentofinternationalwindpowertechnologytrend,windturbineunitcapacityisincreasing,landstand-alonewindturbinecapacityofthemainmodels1.5MW,2MW,offshorewindturbine'smainmodelfortheunitcapacityofmorethan3MW,double-fedVSCFwindturbineisthecurrentlymainstreamoftheinternationalwindpowermarketmodels.Thereforeproposetoresearchanddesignthedouble-fedinverter.CurrentlyinstalledinDFIGbasedonwindturbineinChina,in2009installedcapacityofnewwindturbine,DFIGwindturbinesaccountedfor82%ormore.But1.5MWDFIGwindturbineownsthelargestmarketshareofvariablespeedconstantfrequencywindpowerproducts.Therefore,theissuebasedonBeijingCoronaLimitedCorporation1.5MWdoubly-fedconverterasthebackgroundresearchontheconverterdesign.Windturbinebladeabsorbedfromthewind,thegearboxincreasesthespeedandconvertedtoelectricalenergy,double-fedinverterchangethegeneratorfrequency,filteringthem,thensendthemintothegrid.Converterbetweenthecoreandgridwindturbineenergyconversionunit.Thispaperstudiesthedesignofthe1.5MWdoubly-fedconverteristoconvertelectricalenergygeneratedbywindturbinesintopowerfrequency50Hz,690VAC,andthenthroughthestep-uptransformerwillbetransportedtothepowergrid.Doubly-fedwindpowersystemandthedrivingcontroldoublePWMconverteraremainlydiscussedandstudiedinthisthesis.Firstly,thispaperintroducesthedevelopmentofwindpowertechnologyathomeandabroad,researchingstatusandanalysisatconstantspeedconstantfrequencyelectricsystem,VSCFsystem,thenintroducesthecharacteristicsdoubly-fedmachineoperation.AnalysestheoperationprincipleofAC-DC-ACconverteronthebasisofvariablespeedconstantfrequency,throughputforwardthesignificanceofresearchingdoubly-fedconverterbyanalyzingandcomparingthebasicworkingprinciplesofdirectdrivingtypepermanentmagnetsynchronousmotorwindpowersystemsanddoubly-fedtypeasynchronousmotorwindpowersystems,finallydesignandanalysesitsmaincircuitanddrivecircuit.Keywords:windpower;Constantspeedconstantfrequency;Variablespeedconstantfrequency;Doubly-fedconverter;DrivingcircuitWord文檔Word文檔.Word文檔1緒論1.1風力發(fā)電簡介地球上可供人類使用的化石燃料是極其有限和不可再生的。據(jù)聯(lián)合國能源署報告，按可開采儲量預計，煤炭資源可供人類用200年，天然氣資源可用50年，石油資源可用30年?？茖W家預計，21世紀的最主要能源將是核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、氫能和可燃冰。世界風能總量為，大約是世界總能耗的3倍。如果風能的1%被利用，則可以減少世界3%的能源消耗，風能用于發(fā)電，可產(chǎn)生世界總電量的8%~9%。風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，分布廣泛。隨著人類對生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，風能的開發(fā)日益受到重視，風力發(fā)電將成為21世紀大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為，其中可利用的風能為。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦，開發(fā)利用潛力巨大。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，風能市場也在迅速發(fā)展。2007年全球風能裝機總量為9萬兆瓦，2008年全球風電增長28.8%，2008年底全球累計風電裝機容量已超過了12.08萬兆瓦，相當于減排1.58億噸二氧化碳。隨著技術進步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。風力發(fā)電是近年來世界各國普遍關注的可再生能源開發(fā)項目之一，發(fā)展速度非?？臁?997~2004年，全球風電裝機容量年平均增長率達26.1%，目前全球風電裝機容量已經(jīng)達到5000萬千瓦左右，相當于47座標準核電站?！笆濉逼陂g，中國的并網(wǎng)風電得到迅速發(fā)展。2006年，中國風電累計裝機容量已經(jīng)達到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。2007年以來，中國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài)勢。2008年中國新增風電裝機容量達到719.02萬千瓦，新增裝機容量增長率達到108.4%，累計裝機容量躍過1300萬千瓦大關，達到1324.22萬千瓦。內(nèi)蒙古、新疆、遼寧、山東、廣東等地風能資源豐富，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。進入2008年下半年以來，受國際宏觀形勢影響，中國經(jīng)濟發(fā)展速度趨緩。為有力拉動內(nèi)需，保持經(jīng)濟社會平穩(wěn)較快發(fā)展，政府加大了對交通、能源領域的固定資產(chǎn)投資力度，支持和鼓勵可再生能源發(fā)展。作為節(jié)能環(huán)保的新能源，風電產(chǎn)業(yè)贏得歷史性發(fā)展機遇，在金融危機肆虐的不利環(huán)境中逆市上揚，發(fā)展勢頭迅猛。截止到2009年初，全國已有25個省份、直轄市、自治區(qū)具有風電裝機。中國風力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風電裝機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風電場建設、并網(wǎng)發(fā)電、風電設備制造等領域成為投資熱點，市場前景看好。1.2風力發(fā)電的現(xiàn)狀風力機用于發(fā)電的設想，始于1890年丹麥的一項風力發(fā)電計劃。1918年，丹麥己擁有風力發(fā)電機120臺。第一次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了現(xiàn)代高速風力機。1931年，蘇聯(lián)采用螺旋槳式葉片建造了一臺大型風力發(fā)電機。隨后，各國相繼建造了一大批大型風力發(fā)電機。目前，風能的利用形式主要是發(fā)電，風力發(fā)電在新能源和可再生能源行業(yè)中增長最快，年增長達到35%。圖1-1所示為1996—2008年全球風電總裝機容量。德國，丹麥及西班牙是世界上風能利用最好的三個國家，德國風電已占總發(fā)電量的3%，丹麥風電已超過總發(fā)電量的10%。圖1-11996-2008年全球風電總裝機容量到2005年底，世界累計的風力發(fā)電設備總裝機容量為6800萬千瓦，歐洲占60%。我國風能資源豐富，儲量為32億千瓦，可開發(fā)的裝機容量約2.5億千瓦，居世界首位。目前，在廣東、福建、內(nèi)蒙古、新疆等地已建成26個風電場。盡管我國近幾年風力發(fā)電增長都在50%左右，但裝備制造水平與裝機總容量與發(fā)達國家相比還有較大差距。我國風力發(fā)電裝機總容量僅占全國電力裝機的0.11%，風力發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮蟆８鶕?jù)WWEA統(tǒng)計截至到2010年6月，我國風電裝機容量僅次于美國，排名世界第二。事實上根據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會的最新統(tǒng)計，截至到2010年底，中國風電裝機容量已名列世界第一。但在技術上，我國風電多采用引進國外技術或與國外公司聯(lián)合開發(fā)的模式，自主研發(fā)的能力較落后，滿足不了我國風電的蓬勃發(fā)展的需求。在一些重要原材料及核心電控系統(tǒng)設計方面，與國外仍有較大差距，因此在該領域加強基礎領域的科研投資，具有重大的現(xiàn)實意義。從國際風力發(fā)電技術發(fā)展的趨勢來看，風力發(fā)電機組單機容量越來越大，陸地風力發(fā)電機組主力機型單機容量在1.5MW、2MW，近海風力發(fā)電機組的主力機型單機容量多為3MW以上，雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機組是目前國際風力發(fā)電市場的主流機型。國家科技部在“十五”期間的“863攻關計劃”中支持了兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組的科技攻關工作，自主研制的1MW雙饋機型變速恒頻風力發(fā)電機組樣機己投入試運行。由北京科諾偉業(yè)科技有限公司和中國科學院電工研究所共同研制的1MW雙饋變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)和變流器樣機已經(jīng)在甘肅玉門風電場成功并網(wǎng)運行。這些項目的成功證明我國已初步掌握了雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機組的控制技術和控制規(guī)律。盡管目前雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)仍占風力發(fā)電市場主流，然而直驅(qū)型風力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢也逐漸受到關注。直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的風力發(fā)電系統(tǒng)，它采用風力機直接驅(qū)動多級低速永磁同步電機發(fā)電，然后通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)中的我國難以自主生產(chǎn)且故障率較高的齒輪箱這一部件，系統(tǒng)效率大為提高，有效地抑制了噪聲。無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效的減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統(tǒng)運行可靠性和壽命，大大減少了維護成本，得到了市場的青睞。2008年是我國風力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展的一年，東方汽輪機有限公司、新疆金風科技股份有限公司等迅速發(fā)展各自的風電業(yè)務，各地風電場風起云涌，機組功率等級從1MW發(fā)展到2.5MW。目前國內(nèi)裝機以雙饋式風電機組為主，2009年，我國新增風電機組裝機容量中，雙饋式風電機組占82%以上。1.5MW雙饋式風電機組是市場占有量最大的變速恒頻風電產(chǎn)品。原定的中長期規(guī)劃：2010年全國的風電總裝機容量達到500萬千瓦，2020年達到3000萬千瓦，但就現(xiàn)在的發(fā)展情況，2008年底全國風電裝機總容量已突破1000萬千瓦，2020年則可達8000萬千瓦乃至1億千瓦。1.3風力發(fā)電系統(tǒng)簡介風力發(fā)電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程，通常由風輪、齒輪箱、發(fā)電機、電控系統(tǒng)組成。其中風輪完成風能向機械能的轉換，齒輪箱將發(fā)電機轉速提升到發(fā)電轉速，發(fā)電機將機械能轉換為電能，電控系統(tǒng)完成最大功率跟蹤。其中電控系統(tǒng)是整個風電機組的核心控制單元，對系統(tǒng)的性能、效率及電能質(zhì)量有著重要影響。發(fā)電機所發(fā)出的電能有兩種處理方式：可以直接給負載供電或并入電網(wǎng)；也可以通過儲能設備進行蓄能，再由電能變換單元將儲能設備輸出的直流電轉換成交流電再供給負載或并網(wǎng)。風力發(fā)電機組主要由風輪、發(fā)電機、電能變換單元和控制系統(tǒng)組成，如圖1-2所示。圖1-2風力發(fā)電系統(tǒng)框圖風速與風向是隨機變化的，為了能最大效率的吸收風能，要求風輪的轉速能夠隨著風速的變化作出相應變化，以使風輪保持最佳的葉尖速比。根據(jù)葉輪轉速的控制方式不同，發(fā)電機組通常可分為兩種。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是較為簡單的一種，另一種發(fā)電系統(tǒng)是變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)，這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻系統(tǒng)中的風輪可以實現(xiàn)變速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，因而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒轉速風力機高很多。與恒速恒頻相比，風電的轉換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴。以下分別簡要介紹恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。1.3.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，為減少發(fā)電機發(fā)出的電能對電網(wǎng)的污染，要求風力發(fā)電的頻率保持恒定，為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻是指在風力發(fā)電中，控制發(fā)電機轉速不變，從而得到頻率恒定的電能。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1-3所示。圖1-3恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)框圖恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機主要有兩種:同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極對數(shù)和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步轉速的轉速運行。（1）同步發(fā)電機風力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機，輸出連接到臨近的三相電網(wǎng)或輸配電線。三相電機一般比相同額定功率的單相電機體積小、效率高而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下，才考慮采用單相電機。（2）感應發(fā)電機感應發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統(tǒng)中一般采用鼠籠型異步電機，它的定子鐵心和定子繞組的結構與同步發(fā)電機相同。轉子采用鼠籠型結構，轉子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結構簡單、堅固，基本上無需維護。恒速恒頻發(fā)電機組的特點是:（1）結構簡單，適合在野外缺少維護的環(huán)境下工作；（2）由于轉速不變，無法進行最大功率點的跟蹤控制，發(fā)電效率較低；（3）當風速快速躍升時，由于轉速不變，風能將通過風葉傳遞給主軸，齒輪箱和發(fā)電機等部件，產(chǎn)生很大的機械應力，引起這些部件的疲勞損壞，所以要求這些部件的機械強度足夠高，增加了成本；（4）這種風電機組在正常運行時無法對電壓進行控制，不能像同步發(fā)電機一樣對電壓提供支撐能力，不利于電網(wǎng)故障時的系統(tǒng)電壓恢復和系統(tǒng)穩(wěn)定；（5）恒速恒頻風電機組發(fā)出的電能隨風速的波動而敏感的波動，若風速急劇變化，可能會引起風電機組發(fā)出電能質(zhì)量問題，如電壓閃變、無功變化等，在工程中一般采用靜止無功補償器(SVC)來進行無功調(diào)節(jié)，采用軟啟動來減小發(fā)電機的啟動電流。隨著電力電子技術特別是變頻調(diào)速技術的不斷完善，更多的風力發(fā)電系統(tǒng)采用變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。1.3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)，受當時控制技術和電力電子器件的限制，隨著電力電子器件和控制技術的蓬勃發(fā)展，特別是在矢量控制、直接轉矩控制等高性能控制理論出現(xiàn)以后，變速恒頻發(fā)電技術應用成為可能。它將電力電子技術、矢量變換技術、微機技術和微機信息處理技術引入發(fā)電機控制之中，獲得了一種全新的、高質(zhì)量的電能獲取方式。風力機采取變速運行，發(fā)電機的轉速隨風速變化而變化，通過其他方法來得到恒頻電能。目前看來最有前景的當屬電力電子學，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機和電力電子變換裝置。發(fā)電機可以是市場上已有的通用電機，如同步發(fā)電機、鼠籠型感應電機，繞線型感應發(fā)電機等，也可以是近年來研制的新型發(fā)電機如磁場調(diào)制發(fā)電機，無刷雙饋發(fā)電機等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)允許風力機根據(jù)風速的變化而以不同的轉速旋轉。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點:（1）由于采用電力電子變頻器，變速恒頻風電機組結構相對較復雜；（2）通過對最大功率點的跟蹤，使風力發(fā)電機組在可發(fā)電風速下均可獲得最佳的功率輸出，提高了發(fā)電效率；（3）風輪機可以根據(jù)風速的變化而以不同的轉速旋轉，減少了力矩的脈沖幅度以及對風力機的機械應力，降低機械強度要求；（4）風輪機的加速減速對風能的快速變化起到了緩沖作用，使輸出功率的波動減小；（5）通過一定的控制策略(如SVPWM控制)對風電機組有功、無功輸出功率進行解耦控制，可以分別單獨控制風電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。最后兩點非常有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。綜合上述特點，變速恒頻發(fā)電機組適合用于大功率，通常大于1MW的系統(tǒng)。目前，主流的變速恒頻風力發(fā)電機組可分為基于永磁同步發(fā)電機(PermanentMagneticSynchronousGenerator，PMSG)的直接驅(qū)動型機組和基于雙饋感應發(fā)電機(Double-fedInductionGenerator，DFIG)的齒輪驅(qū)動型機組兩類。1.永磁直驅(qū)同步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)同步電機作為發(fā)電機，發(fā)電機直接與全功率變流器相連，經(jīng)變流器輸出電能再經(jīng)升壓變壓器升壓后直接并入電網(wǎng)。該系統(tǒng)的基本拓撲結構見圖1-4圖1-4直驅(qū)型永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)三相永磁直驅(qū)同步電機主要由轉子和定子組成，在轉子上裝有特殊材料形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場，沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組，接可控的變頻電源。在新型的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)里，采用永磁同步發(fā)電機直接聯(lián)接葉片，能使葉片與發(fā)電機之間取消齒輪箱，成為無齒輪箱的直接驅(qū)動型。因為使用全功率變流器，使得系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，風能利用率高；同時因為是直驅(qū)系統(tǒng)，省去了齒輪箱，使傳動效率提高，可靠性提高，成本降低。直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機通過全功率變流器與電網(wǎng)相連，在低電壓穿越方面較雙饋式機組實現(xiàn)簡單，且暫態(tài)沖擊較小。采用永磁同步電機的變速恒頻系統(tǒng)也有缺點，如變流器需按100%額定功率設計，成本偏高；永磁同步電機價格昂貴，體積重量大，運輸、吊裝困難。2.雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)目前在風力發(fā)電領域廣泛應用的是雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙饋型感應發(fā)電機，發(fā)電機定子側通過并網(wǎng)開關與電網(wǎng)相連，轉子通過交直交變流器與電網(wǎng)相連，由變流器向轉子提供可控的勵磁電流，實現(xiàn)定子側零沖擊并網(wǎng)及有功、無功解耦控制。該系統(tǒng)的基本拓撲結構見下圖1-5：圖1-5雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)采用該系統(tǒng)時，由于雙饋異步感應電機的特性，其定子繞組直接接到電網(wǎng)上，轉子通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流動。當風速發(fā)生變化時，雙饋風力發(fā)電機轉速發(fā)生變化，通過控制轉子勵磁電流的頻率，可以使定子頻率恒定，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于這種變速恒頻控制是通過對轉子繞組進行控制實現(xiàn)的，轉子回路流動的功率是由發(fā)電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，因而可以將發(fā)電機的同步轉速設計在整個轉速運行范圍中間。如果系統(tǒng)運行的轉差范圍為士0.3，則最大轉差功率僅為發(fā)電機額定功率的30%左右，因此該系統(tǒng)交流勵磁變流器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，可以大大降低成本。雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)除了可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變流器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功的解耦控制，可實現(xiàn)電網(wǎng)要求輸出相應的感性和容性無功功率，這種無功控制的靈活性對電網(wǎng)非常有利。但是因為輪轂和發(fā)電機之間增加了高增速比齒輪箱，效率和可靠性有一定降低，價格相對較昂貴，且需經(jīng)常維護。但是由于雙饋異步風力發(fā)電機體積小，重量輕、所需變流器容量小、供電質(zhì)量高等特點，使其依然成為大型風力發(fā)電機的主力機型。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)要求變流器具有雙向能量流動的特性，同時要有良好的輸入和輸出特性，以減少諧波對電網(wǎng)造成的污染。隨著電力電子技術和電力電子器件的發(fā)展，已經(jīng)有很多類型的變流器符合這一要求，所以雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為當下市場的主流。2雙饋式風力發(fā)電機組2.1雙饋式風力發(fā)電機組原理（1）雙饋式風力發(fā)電機基本原理同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，其輸出端電壓的頻率與發(fā)電機的極對數(shù)及發(fā)電機轉子的轉速有著嚴格固定的關系，即:式中：f——發(fā)電機輸出電壓頻率，Hz；P——發(fā)電機的極對數(shù)；n——發(fā)電機的旋轉速度，r/min。在發(fā)電機轉子變速運行時，同步發(fā)電機不可能發(fā)出恒頻電能，由電機的結構可以知道，繞線轉子異步電機的轉子嵌有三相對稱繞組，根據(jù)電機原理可知，在三相對稱繞組中通入對稱三相交流電，則將在電機氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電的頻率及電機的極對數(shù)有關，即：（2-1-1）式中——n2為繞線轉子異步電機轉子的三相對稱繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后所產(chǎn)生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度（r/min）；——p為電機的極對數(shù)；——f2為繞線電機轉子三相繞組通入的三相對稱交流點頻率（Hz）。由式（2-1-1）可知，改變頻率f2即可改變n2，而且若改變通入轉子三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的轉向。因此，若設n1為對應于電網(wǎng)頻率為50Hz（f1=50Hz）的雙饋發(fā)電機的同步轉速，而n為異步電機轉子本身的旋轉速度，則只要維持常數(shù)，則雙饋電機定子繞組的感應電勢，如同在同步發(fā)電機時一樣，其頻率將始終維持f1不變。雙饋電機的滑差率，則電機轉子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應為：（2-1-2）上式表明，在雙饋電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入滑差率（即f1s）的電流，則在異步電機的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢。（2）雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理在雙饋型風力發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋發(fā)電機定子側通過并網(wǎng)開關與電網(wǎng)相連，轉子通過雙向變流器與電網(wǎng)相連，這種風力發(fā)電系統(tǒng)較突出的優(yōu)點是變流器容量較小(通常為25%~40%)，還能滿足風力機的調(diào)速范圍的要求，在采用適當?shù)目刂撇呗院笠部蓾M足電網(wǎng)對風力發(fā)電機的要求。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。圖2-1風力發(fā)電系統(tǒng)框圖圖2-1為風力發(fā)電變流器的系統(tǒng)簡圖，其工作原理為：系統(tǒng)正常運行時，斷路器Q1閉合，電網(wǎng)電壓通過預充電電阻R1給雙PWM變換器直流母線充電，當直流母線的電壓達到設定值后，主接觸器Q3閉合，預充電電阻從電路中切出，變流器開始并網(wǎng)發(fā)電，直流母線電壓此時為1100V。當發(fā)電機從定子側輸出電能，檢測電路檢測并網(wǎng)接觸器Q2兩端的電壓、頻率、相位相等時，并網(wǎng)接觸器閉合，將定子電能輸送到電網(wǎng)?？諝鈹嗦菲鱍1做為整個系統(tǒng)的保護器件，實時檢測電網(wǎng)的故障信息，當電網(wǎng)出線過壓、過流、短路時，斷路器能夠及時切斷發(fā)電機與電網(wǎng)的連接，從而有效的保護了雙饋電機不受損壞。（3）雙饋式風電機組的運行工況雙饋風力發(fā)電機由外部風輪機拖動旋轉，通過轉軸吸收從風中捕獲的風能，根據(jù)不同的轉速區(qū)域和轉子側滑差功率(簡稱“轉差功率”)的傳遞方向，常規(guī)雙饋異步電機可工作在四種狀態(tài)下，即次同步電動、次同步發(fā)電、超同步電動、超同步發(fā)電，在每種運行狀態(tài)下雙饋電機定子側的功率P1，轉差功率P2以及轉軸上的機械功率Pmec的正負都不一致，下面對各種運行工況下電機能量的傳遞方向進行分析：對于定子側的功率P1，向電網(wǎng)輸出電能時為正，從電網(wǎng)吸收電能時為負；對于轉差功率P2，向電網(wǎng)饋送電能時為正，從電網(wǎng)吸收電能時為負；對于機械功率Pmec，電機吸收機械功率時為正，輸出機械功率時為負。①次同步電動圖2-2次同步電動工況下能量流動圖此時，電機轉速小于同步轉速，轉差率s>0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向一致，起驅(qū)動作用，所以當雙饋電機工作在次同步電動的工況時，定子側通過電網(wǎng)吸收功率P1，轉子側通過變流器向電網(wǎng)輸出轉差功率P2，電機向外輸出機械功率Pmec。②次同步發(fā)電圖2-3次同步發(fā)電工況下能量流動圖此時，電機轉速小于同步轉速，轉差率s>0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向相反，起制動作用，所以當雙饋電機工作在次同步發(fā)電的工況時，定子側向電網(wǎng)輸出功率P1，轉子側通過變流器從電網(wǎng)吸收功率P2，電機通過轉軸吸收機械功率Pmec。③超同步電動圖2-4超同步電動工況下能量流動圖此時，電機轉速大于同步轉速，轉差率s<0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向一致，起驅(qū)動作用，所以當雙饋電機工作在超同步電動的工況時，定子側通過電網(wǎng)吸收功率P1，轉子通過電網(wǎng)吸收轉差功率P2，電機向外輸出機械功率Pmec。④超同步發(fā)電圖2-5超同步發(fā)電工況下能量流動圖此時，電機轉速大于同步轉速，轉差率s<0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向相反，起制動作用，所以當雙饋電機工作在超同步發(fā)電的工況時，定子側向電網(wǎng)輸出功率P1，轉子向電網(wǎng)饋送轉差功率P2，電機通過轉軸吸收機械功率Pmec。上面共討論了雙饋異步電機在四種情況下的運行特性，但是由于在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋異步電機運行于發(fā)電狀態(tài)，因此我們需要考慮的僅僅是②，④兩種發(fā)電運行情況，即次同步發(fā)電和超同步發(fā)電狀態(tài)。2.2雙饋式風力發(fā)電機組的特點（l）柔性連接當遭遇陣風時，風電機組轉速增加，將陣風的能量轉換為系統(tǒng)的動能，增加的動能通過控制系統(tǒng)的控制回饋電網(wǎng)，從而實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)的柔性連接，減少了陣風對系統(tǒng)軸上的機械應力。（2）變流器成本低雙饋電機系統(tǒng)所使用的轉子側變頻電源只調(diào)節(jié)轉差能量，在調(diào)速范圍比較小的情況下，轉差能量相對于整個電機的容量是比較小的，和定子側直接變頻系統(tǒng)相比，所需變頻器容量大大減小，降低了系統(tǒng)的造價。（3）機組功率因數(shù)可調(diào)雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)轉子電流幅值和相位來補償定子側無功功率，實現(xiàn)定子側功率因數(shù)等于1，甚至可以得到超前的功率因數(shù)。（4）電網(wǎng)友好型通過系統(tǒng)控制，風電機組可以動態(tài)調(diào)整無功功率，補償電網(wǎng)波動。當發(fā)生電網(wǎng)跌落時，可實現(xiàn)低電壓穿越功能，并在跌落期間為系統(tǒng)提供動態(tài)無功補償。在電網(wǎng)發(fā)生擾動時，雙饋電機系統(tǒng)可以通過改變轉子側頻率的方法來迅速改變轉速，充分利用轉子動能，以達到釋放或吸收能量，補償電網(wǎng)擾動的目的?？傊?，雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高、變頻裝置容量小、投資省等優(yōu)點，有廣闊的市場與發(fā)展前景。由于風能是一種劇烈變化的隨機性很強的可再生能源，所以在變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，轉差功率處于不斷變化的狀態(tài)，對于網(wǎng)側變換器來說，實際上就是其負載的變化非常劇烈，這就要求網(wǎng)側變換器要在劇烈的負載變化過程中保持直流側電壓穩(wěn)定。直流側電壓的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)調(diào)節(jié)速度對風電系統(tǒng)的運行特性至關重要。隨著雙饋電機應用的發(fā)展，為了適應各種不同應用場合的需要，尤其是雙饋型風力發(fā)電中應用的需要出現(xiàn)了多種不同的雙饋電機控制拓撲結構。對雙饋型風力發(fā)電機而言，由于其轉子能量的雙向流動性，需要轉子變流器為雙向變流器。目前可用于雙饋電機的變流器拓撲結構主要可分為循環(huán)變流器、交直交變流器和矩陣變換器三種類型。為解決上述常規(guī)風力發(fā)電系統(tǒng)中存在的問題，一種由交直交變流器流勵磁的雙饋發(fā)電機構成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)被提出。系統(tǒng)控制方案的實施是在發(fā)電機轉子回路實現(xiàn)的，流過轉子回路的功率是雙饋發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，而且可以雙向流動，因此可以大大降低變流器的體積和重量，并提高了系統(tǒng)效率。采用雙饋發(fā)電方式，突破了機電系統(tǒng)必須嚴格同步運行的傳統(tǒng)觀念，使原動機轉速不受發(fā)電機輸出頻率限制，而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉子速度和瞬時位置的影響，原動機與發(fā)電機電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接，從而一舉解決了常規(guī)風力發(fā)電系統(tǒng)中存在的諸多問題?；谏鲜鰞?yōu)點，由雙饋發(fā)電機構成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風力發(fā)電方面的研究熱點和必然的發(fā)展趨勢。本文以雙饋發(fā)電機為研究基礎，對其構成的交直交變流器系統(tǒng)進行研究設計。3雙饋變流器的設計3.1雙饋變流器的工作原理用于變速恒頻雙饋發(fā)電機的變流器應具有以下性能：1.為了實現(xiàn)最大風能捕獲并盡可能的減少勵磁變頻器容量，需要發(fā)電機在選定的同步轉速上下運行，發(fā)電機的勵磁繞組的能量將雙向流動，所以要求用于雙饋發(fā)電機的變換器應該具備功率雙向流動的能力。2.為確保發(fā)電機輸出電能質(zhì)量符合電網(wǎng)要求，要求勵磁電流要諧波小且諧波頻率高，即所選用的勵磁用變頻器要有優(yōu)良的輸出特性。因此變換器輸出勵磁電壓應具有SPWM(正弦脈寬調(diào)制)波形。3.為了防止作為非線性負載的變頻器對電網(wǎng)的諧波電流污染，要求變頻器有良好的輸入特性，即輸入正弦電流，接近單位功率因數(shù)。目前，符合上述條件可用于雙饋發(fā)電機交流勵磁的裝置有交交循環(huán)變換器、矩陣變換器、交直交雙變換器，通過對比各個變換器的特點性能，選用了交直交雙PWM變換器作為雙饋發(fā)電機的交流勵磁裝置。在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，電壓源型交直交變流器是應用較為廣泛的一種拓撲結構，同時電流源型變流器在電力拖動領域應用也比較廣泛，尤其在一些大功率變流場合，電流型變流器因其通常采用晶閘管器件，具有較大的電流密度，因此在大功率傳動場合也得到了較為廣泛的應用。但電流源型交直交變流器也存在著其明顯的不足之處，當采用方波調(diào)制時變流器的輸出含有較豐富的低次諧波，并且由于雙饋電機轉子漏感的作用能夠產(chǎn)生威脅到電機絕緣安全的尖峰電壓，為此在大多數(shù)此類變換器中在其輸出端裝有并聯(lián)電容器，用于吸收尖峰電壓，當采用PWM調(diào)制時也需要在其輸出端并聯(lián)電容器用于吸收紋波電流，但這容易造成濾波電容和電機漏感之間諧振，控制較為復雜。相對于電流源型背靠背變流器而言，電壓源型背靠背變流器控制較為簡單。雙饋變流器的核心部分是雙PWM交直交變換器，如圖3-1所示，它是由兩個完全相同的電壓型三相PWM變換器通過直流母線連接而成，在雙饋風力發(fā)電的系統(tǒng)運行過程中，這兩個PWM變換器的工作狀態(tài)是經(jīng)常變換的，通常不以他們工作于整流或逆變的狀態(tài)來區(qū)分它們，而是按照他們的位置分別稱為電網(wǎng)側PWM變換器和電機側PWM變換器，即電網(wǎng)側變換器和電機側變換器。交直交變換器能夠滿足系統(tǒng)能量雙向流動的要求，當電機處于次同步工況時，電機轉子從電網(wǎng)吸收能量；當電機處于超同步工況時，電機轉子向電網(wǎng)饋送能量。圖3-1交直交變換器在具體的運行控制中，這兩個PWM變換器各司其職。其中，電網(wǎng)側變換器的任務主要有兩個，一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求，理論上電網(wǎng)側PWM變換器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這就為整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了一個途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個PWM變換器正常工作的前提，是通過對輸入電流的有效控制實現(xiàn)的。機側變流器的作用主要是給電機的轉子提供勵磁分量的電流，從而調(diào)節(jié)電機定子側所發(fā)出的有功功率，使電機運行在風力機的最佳功率曲線上，實現(xiàn)最大風能追蹤運行。在這種交直交的結構中，兩部分變換器之間的直流母線電容使兩部分變流器實現(xiàn)了解藕，這使得兩部分變換器可以獨立地分開控制而不會相互干擾。這種結構使得這種變換器自身具有對電網(wǎng)故障較強的適應能力。3.2雙饋變流器的組成雙饋變流器整個系統(tǒng)結構比較復雜，其主回路系統(tǒng)包含如下幾個基本單元：并網(wǎng)開關、雙PWM變換器、濾波電路、低電壓穿越電路。3.2.1并網(wǎng)開關1.空氣斷路器空氣斷路器是風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋電機與電網(wǎng)線路連接的核心保護器件，對整個系統(tǒng)起到保護的作用。在空氣斷路器的選擇時應注意以下幾個方面：①額定電流大小；②分斷能力；③過電流脫扣器帶或不帶接地故障保護；④過流脫扣器；⑤3極和4極之分；⑥固定式和抽屜式，固定式主回路母排連接方式，抽屜式否是帶導向框架；⑦操作機構及其電壓等級；⑧第一級輔助脫扣器電壓等級；⑨第二級輔助脫扣器電壓等級；⑩輔助端子個數(shù)。（1）斷路器的結構風力發(fā)電中連接電機與電網(wǎng)的斷路器是整個風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心器件，因此其結構性能也比普通的斷路器要復雜，額定工作電流最大可達6300A?？諝鈹嗦菲髦饕射摪逯瞥桑煞譃槌槌鍪胶凸潭ㄊ絻煞N結構。固定式的斷路器尺寸比抽出式精巧，一般應用在故障或日常維護時允許停電的場合；抽出式一般應用于故障或日常維護時僅允許短暫停電的場合，以及作為備用電源的雙回路，但僅采用一個斷路器。本系統(tǒng)中，空氣斷路器選擇的是固定式。固定式斷路器及抽出式斷路器結構如下圖3-2所示：a.固定式b.抽出式圖3-2斷路器結構（2）空氣斷路器的作用①控制作用。根據(jù)電力系統(tǒng)運行的需要，將部分或全部電氣設備，以及部分或全部線路投人或退出運行。②保護作用。當電力系統(tǒng)某一部分發(fā)生故障時，它和保護裝置、自動裝置相配合，將該故障部分從系統(tǒng)中迅速切除，減少停電范圍，防止事故擴大，保護系統(tǒng)中各類電氣設備不受損壞，保證系統(tǒng)無故障部分安全運行?？諝鈹嗦菲髦饕羞^載、過壓、欠壓保護功能。（3）空氣斷路器總的并網(wǎng)電流空氣斷路器前端接入電網(wǎng)，后端分別接電機定子和轉子側變流器，當系統(tǒng)工作在1.5MW滿功率發(fā)電工況時，取電網(wǎng)電壓為690V，則此時空氣斷路器總并網(wǎng)電流為:（3-2-1）若按照機組功率因數(shù)為0.9，并當電網(wǎng)電壓跌落10%時，空氣斷路器總并網(wǎng)電流有效值為：（3-2-2）所以可選取額定電流為1600A的空氣斷路器，能滿足系統(tǒng)最大工況時額定電流的大小。2.并網(wǎng)接觸器（1）并網(wǎng)接觸器的工作原理接觸器是一種自動化的控制電器。接觸器主要用于頻繁接通或分斷交、直流電路，具有控制容量大，可遠距離操作，配合繼電器可以實現(xiàn)定時操作，聯(lián)鎖控制，各種定量控制和失壓及欠壓保護，廣泛應用于自動控制電路。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)接觸器主要功能是決定風力發(fā)電機是否并網(wǎng)運行。當定子端輸出的電壓、頻率、相位與電網(wǎng)的電壓、頻率、相位相等時，并網(wǎng)接觸器才被允許閉合，實現(xiàn)電能的并網(wǎng)發(fā)電。在電路設計中，往往在接觸器的兩端設置有電壓檢測電路，用于檢測接觸器兩端的電壓、頻率以及相位是否匹配。（2）并網(wǎng)接觸器電流等級的選取由雙饋電機的參數(shù)可知，其同步轉速為1500r/min，當雙饋發(fā)電機1.5MW滿功率發(fā)電時，此時的轉速為1800r/min，所以轉差率為：（3-2-3）此時定子側輸出的有功功率為：（3-2-4）令發(fā)電機組的并網(wǎng)發(fā)電功率因數(shù)為0.9時，并認為變流器并網(wǎng)功率因數(shù)為1，則由發(fā)電機側提供的無功功率為：（3-2-5）再考慮到電網(wǎng)電壓跌落10%，則發(fā)電機定子側線路上最大的電流有效值為：（3-2-6）據(jù)此，并網(wǎng)接觸器額定電流應大于1312A，并留有一定余量。3.網(wǎng)側變換器主接觸器考慮已知1.5MW雙饋風力發(fā)電機的極限轉速為2000r/min，此時轉差率為：（3-2-7）可以得轉子側輸出有功功率為：（3-2-8）由于電網(wǎng)側變流器并網(wǎng)功率因數(shù)恒為1，所以發(fā)電機轉子側有功功率與電網(wǎng)側變流器的有功功率相等?？紤]到電網(wǎng)電壓跌落10%時，變流器電網(wǎng)側輸出交流線路上的最大電流有效值為：（3-2-9）據(jù)此，應該選取額定電流大于349A的主接觸器(電網(wǎng)側接觸器)并留有一定余量。3.2.2雙PWM變換器電壓源型的雙PWM變換器基本結構框圖如下圖3-3所示，主要包括IGBT組成的三相逆變橋（包括機側和網(wǎng)側）、直流支撐電容、放電電阻、吸收電容。以下針對各器件的性能及參數(shù)進行分析。圖3-3雙PWM變換器框圖（1）IGBT的性能參數(shù)表3-1交流（AC）電壓直流（DC）母線電壓選擇器件耐壓單相交流≦230VAC350VDC600V三相交流380V-460VAC600VDC(最大可達900VDC)1200V三相交流575V-690VAC750VDC(最大可達1100VDC)1700V1300VDC(最大可達1800VDC)2500V1500VDC(最大可達2100VDC)3300V2500VDC(最大可達3000VDC)4500V三相2.3kVAC3300VDC(最大可達4500VDC)6500V三相4.16kVAC5900VDC6.5kV串或三電平三相6.6kVAC9.4kVDC多電平①耐壓的選取因為大多數(shù)IGBT模塊工作在交流電網(wǎng)通過單相或三相整流后的直流母線電壓下，所以通常IGBT模塊的工作電壓（600V、1200V、1700V）均對應于常用電網(wǎng)的電壓等級?？紤]到過載，電網(wǎng)波動，開關的過程引起的電壓尖峰等因素，通常電力電子設備選擇IBGT器件耐壓都是直流母線電壓的一倍。如果結構、布線、吸收等設計較好，就可以使用較低耐壓的IGBT模塊承受較高的直流母線電壓。表3-1根據(jù)交流電網(wǎng)或直流母線電壓列出了選擇IGBT耐壓的參考值。根據(jù)表3-1的參數(shù)，1.5MW雙饋變流器直流母線電壓為1100V，所以應選取1700V的IGBT。②電流的選擇半導體器件具有溫度敏感性，因此IGBT模塊標稱電流與溫度的關系比較大。隨著殼溫的上升，IGBT可利用的電流就會下降，一般的IGBT模塊是按殼溫℃來標稱其最大允許通過的集電極電流（）。對于所有的IGBT芯片來說，當℃時，這個電流值通常是一個恒定值，但隨著的增加，這個可利用的電流值下降較快。需要指出的是：IGBT參數(shù)表中標出的是集電極最大直流電流，但這個直流電流是有條件的，首先最大結溫不能超過150℃，其次還受安全工作區(qū)（SOA）的限制，不同的工作電壓、脈沖寬度，允許通過的最大電流不同。同時，一般的廠商也給出了2倍與額定值的脈沖電流，這個脈沖電流通常是指脈沖寬度為1ms的單脈沖能通過的最大通態(tài)電流值，即使可重復也需足夠長的時間。在電力電子設備中，選擇IGBT模塊時，通常是先計算通過IGBT模塊的電流值，然后根據(jù)電力電子設備的特點，考慮到過載、電網(wǎng)波動、開關尖峰等因素考慮一倍或者多倍的安全余量來選擇相應的IGBT模塊。但嚴格的選擇，應根據(jù)不同的應用情況，計算耗散功率，通過熱阻核算其最高結溫不超過規(guī)定值來選擇器件。③根據(jù)開關頻率選擇不同的IGBTIGBT的損耗主要由通態(tài)損耗和開關損耗組成，不同的開關頻率，開通損耗和通態(tài)損耗所占的比例不同。而決定IGBT通態(tài)損耗的飽和壓降和決定IGBT開關損耗的開關時間（，）又是一對矛盾，因此應根據(jù)不同的開關頻率來選擇不同特征的IGBT。在低頻如時，通態(tài)損耗是主要的，這就需要選擇低飽和壓降型IGBT系列。若開關頻率時，開關損耗是主要的，通態(tài)損耗占的比例要小。IGBT在高頻下工作時，其總損耗與開關頻率的關系比較大，因此若希望IGBT工作在更高的頻率，可選取更大電流的IGBT模塊；另一方面，軟開關主要是降低了開關損耗，可使IGBT工作頻率大大提高。隨著IGBT模塊耐壓的提高，IGBT的開關頻率相應下降。目前IGBT的制造廠商很多，如英飛凌、賽米控等。比對英飛凌及賽米控的IGBT,賽米控的IGBT主要是集成型的，即IGBT，驅(qū)動電路，散熱器，傳感器，過壓、過流保護電路等集成的模塊，考慮成本和日后維護的問題，在此選擇英飛凌的IGBT。英飛凌模塊命名系統(tǒng)如下：圖3-4IGBT模塊命名系統(tǒng)（2）機側變換器機側變換器的主要功能是在轉子側實現(xiàn)矢量變換控制，確保輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個變換器通過相對獨立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。機側變換器由六個IGBT組成三相逆變橋，如圖3-5所示。圖3-5機側變換器當發(fā)電機工作在極限轉速2000r/min時，由式（3-2-7）可得轉差率為s=-0.333，由此可得轉子最大頻率為：（3-2-10）當發(fā)電機滿功率發(fā)電時，即轉速為1800r/min，從而得到電機的轉差率為：（3-2-11）轉子側輸出功率為（3-2-12）因為轉子側輸出電壓范圍是0~690V，而實際電壓基本在400V左右，所以轉子側輸出最大電流有效值為：（3-2-13）再考慮3倍以上的余量，機側的IGBT的額定電流值應大于1080A，考慮到溫升對IGBT載流的影響，可以選取1600A的IGBT。因為機側直流母線端的電壓為1050V，由之前的IGBT電壓等級表可得出，所選IGBT的電壓等級應為1700V。通過以上的參數(shù)計算可得機側變換器應選擇1700V，1600A,開關頻率低的IGBT。參照英飛凌提供的器件參數(shù)，可選取FZ1600R17KE3的IGBT。該款IGBT屬于單管，電流大，開關頻率低。利用英飛凌提供的仿真軟件可得出FZ1600R17KE3的仿真參數(shù)如下：單塊IGBT的功耗仿真效果如下：圖3-6FZ1600R17KE3功率仿真溫度分布范圍如下：圖3-7FZ1600R17KE3結溫分布仿真由以上仿真可看到IGBT的導通損耗和開關損耗為：431W，二極管的導通損耗和開關損耗為：262W,由IGBT的溫度參數(shù)應滿足：℃℃℃根據(jù)仿真結果,所選IGBT符合以上參數(shù)要求.（3）網(wǎng)側變換器網(wǎng)側變換器的主要功能是實現(xiàn)交流側輸入單位功率因數(shù)控制和在不同狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，確保機側變換器乃至整個勵磁系統(tǒng)可靠工作。網(wǎng)側變換器也是由六個IGBT組成的三相逆變器，原理結構圖如圖3-8所示。圖3-8網(wǎng)側變換器網(wǎng)側變換器連接的是電網(wǎng)側，所以交流額定電壓為690V。由此可得網(wǎng)側電流有效值為：（3-2-14）式中：——網(wǎng)側IGBT電流額定值；——轉子側輸出功率；再考慮3倍以上的余量，網(wǎng)側IGBT的電流額定值應大于627A，考慮溫升的影響和保守選取，可選取1200A的單管FZ1200R17KE3。利用英飛凌的仿真軟件可得參數(shù)如下：功耗仿真如下：圖3-9FZ1200R17KE3功耗仿真溫度分布仿真如下：圖3-10FZ1200R17KE3結溫分布仿真由以上參數(shù)可知，選取FZ1200R17KE3的IGBT可以滿足網(wǎng)側電路的要求。（4）直流支撐電容該雙PWM變流器由兩個三相電壓源型逆變器采用直流連接，中間的濾波電容C用來穩(wěn)定直流母線電壓，轉子側變流器向雙饋感應發(fā)電機的轉子繞組饋入所需的勵磁電流，完成其矢量控制任務，實現(xiàn)最大風能捕獲和定子無功功率的調(diào)節(jié)。直流側電容的選取需要結合實際實驗情況綜合考慮:一方面，電容值越大，濾波效果越好；另一方面，從體積、重量、價格和動態(tài)性能來看，電容值又不宜太大。隨著膜電容技術的不斷發(fā)展，電解電容被膜電容所取代已成為不爭的事實，膜電容主要有以下優(yōu)勢：——承受高有效值電流的能力，可達1Arms/uF——能承受兩倍于額定電壓的過壓——能承受反向電壓——承受高峰值電流的能力——沒有酸污染——長壽命——可長時間存儲所以本次設計的變流器也采用膜電容作為直流母線的支撐電容，下面對電容的參數(shù)選取做計算：①電壓要求：直流電壓1050V，故選擇1100V的膜電容，膜電容可以承受瞬間過電壓，最大電壓為1650V。②紋波電流要求：根據(jù)經(jīng)驗公式，其中為紋波電流，為逆變器側交流側輸出的相電流。考慮輸出相電流的1.1倍過載，取,則③容值的計算如下：紋波電壓的要求：根據(jù)直流電壓動態(tài)響應性能的要求，在額定運行的情況下，考慮極端的情況網(wǎng)側變流器不工作機側變流器的所有能量都加到直流電容上時，網(wǎng)側采用PI調(diào)節(jié)，在開關頻率為2kHz時，一個采樣周期為500us，在500us的時間間隔內(nèi)，直流電壓最大波動應小于5%，所以計算的直流電容值如下：（3-2-15）即：（3-2-16）得出：直流側過電壓的要求：在2ms的時間間隔內(nèi)，直流側的最大電壓不超過1260V，所需要的電容容量計算如下：（3-2-17）得出：所以得出直流支撐電容應大于。根據(jù)電路設計的需求，考慮采用420uF/1100V的膜電容，一共六個功率單元，每個單元采用六個膜電容，由此可得容值為：，符合理論計算要求。（5）放電電阻因為選用的膜電容是單個并聯(lián)，無需考慮電容均壓。只考慮放電電阻的選取。1.5MW共6個功率單元，每個功率單元上加1個放電電阻板。設放電時間為600s，由此可得出總的電阻為：（3-2-18）（3-2-19）從而可得每塊功率單元的電阻為：（3-2-20）因此可選取5K/1W的電阻，每塊電阻板由48個電阻串聯(lián)而成。對功率的驗證（3-2-21）而電阻的總功率為：（3-2-22）滿足功率的要求。（6）吸收電容為了抑制IGBT在快速開關過程中在母線分布電感上引起的過電壓，需要在IGBT兩端安裝吸收電容?？紤]中間直流電壓最高1300V，IGBT最高耐壓為170OV，則關斷過壓需小于500V并應留有余量。關斷過壓與IGBT關斷速度、關斷電流、直流母線及濾波電容的雜散電感有關。設每個吸收電容為0.22uF，每個功率單元安裝3個并聯(lián)成0.66uF；當母線電壓為12O0V時，將最大關斷電壓控制在1300V以內(nèi)，認為IGBT如理想開關一樣瞬時關斷，則要求直流母線和濾波電容的總雜散電感為:（3-2-23）查閱電容資料可知，非低感設計的標準電解電容等效串聯(lián)電感(ESL)為20nH，故要求線路雜散電感小于710nH即可，作為結構設計的參考值。由于0.22uF電容己有類似工況成功的應用，本設計吸收電容的容值選取為0.22uF。3.2.3預充電回路為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路，特設置預充電電阻，如圖2-1所示，預充電支路并聯(lián)于主接觸器兩端，空氣斷路器閉合后，變流器開始工作，電網(wǎng)通過預充電電阻給直流母線預充電，當直流母線的電壓達到設定值后，主接觸器閉合，預充電支路從電路中切出，變流器開始并網(wǎng)發(fā)電，直流母線電壓此時為1100V。電容充電放電時間計算公式。設為電容上的初始電壓值；為電容最終可充到或放到的電壓值；為t時刻電容上的電壓值。則有（3-2-24）設A.直流電容充電到800認為充電完成；B.充電時間不超過4s（根據(jù)并網(wǎng)時間是6-10s來確定）；C.充電時直流電流不超過電容紋波電流值。三相正弦電源經(jīng)二極管整流后認為是直流電源（忽略脈動），電容從零電壓開始充電，到800V結束，充電時間為t，則有：（3-2-25）t=1.97RC（這里C取36個420uf膜電容，C=15120uF），保證t≦4s，則有：（3-2-26）可選取100Ω/400W的電阻。（3）建模仿真建立預充電模型，如下：直流電容為15120uF，電源線電壓有效值為690V。3-11仿真模型預充電電阻為100Ω時，仿真波形如下：ab圖3-12仿真波形從仿真結果看，到800V左右時用時3s，啟動電流峰值為12A。3.2.4濾波電路由圖3-3雙PWM變換器框圖可以看到，變流器的濾波電路主要有：網(wǎng)側電感濾波、機側du/dt電感濾波，以下對各部分的濾波回路進行分析。1.網(wǎng)側濾波電路網(wǎng)側三相電壓型PWM變流器因其能夠同時控制直流電壓和網(wǎng)側功率因數(shù)而被廣泛應用于電機驅(qū)動、蓄電池充放電控制和并網(wǎng)發(fā)電等場合。變流器傳統(tǒng)的網(wǎng)側濾波器為電感L濾波器，由電感L將高頻電流諧波限制在一定范圍之內(nèi)，減小對電網(wǎng)的諧波污染。但隨著功率等級的提高，特別是在中高功率的應用場合，開關頻率相對較低，要使網(wǎng)側電流滿足相應的諧波標準所需的電感值太大。這不僅使網(wǎng)側電流變化率下降，系統(tǒng)動態(tài)響應性能降低，還會帶來體積過大成本過高等一系列問題。同時，為使PWM變流器矢量三角形成立，在同等功率等級下，電感值越大則需要中間直流電壓越高，導致開關管耐壓水平也會相應提高，會導致成本的進一步增加。高功率設備通常在幾百千瓦以上，大感值的電抗器造價相當昂貴，而且系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。但是LCL型濾波器在濾除高次諧波方面效果就很好，并且濾波器的總電感值也比較小，這在高功率設備上應用是一個重要的優(yōu)點。雙饋風力發(fā)電變流器電網(wǎng)側PWM變換器輸出交流側采用LC濾波，網(wǎng)側電感在變流器的設計中具有非常重要的位置，這是因為網(wǎng)側電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動、靜態(tài)效應，而且還制約著變流器輸出功率、功率因數(shù)及其直流電壓，它的作用主要有:(l)隔離電網(wǎng)電動勢與變流器交流側電壓；(2)濾除變流器交流側PWM諧波電流，從而實現(xiàn)變流器交流側的正弦波電流控制；(3)使變流器獲得良好電流波形，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，網(wǎng)側純電阻運行特性。本文中所設計的1.5MW雙饋風力發(fā)電變流器的網(wǎng)側濾波器如下圖3-13所示圖3-13網(wǎng)側濾波電路①首先設計雙饋變流器網(wǎng)側電感：假設電網(wǎng)電壓諧波成分為零，變流器交流側輸出電壓各階諧波幅值為u(h)，變流器交流側輸出電流各階諧波幅值為i(h)，h為諧波次數(shù)，則電感的計算公式可由下式給出:（3-2-27）其中:1)h為諧波次數(shù)，在頻率很高時，諧波含量可以忽略不計，所以計算中取；2）為變流器諧波電流，，式中，N為變流器側電流和網(wǎng)側電流之比，本系統(tǒng)中約為1，a為比例系數(shù)，取為0.05。根據(jù)IEEE——519協(xié)議可得:時，為0.006倍的額定并網(wǎng)電流值；時，為0.003倍的額定并網(wǎng)電流值。為基波角頻率，為基波頻率(5OHz)。根據(jù)MATLAB——VSR模型對交流輸出PWM脈沖進行Fourier分析可得，如圖3-14所示:圖3-14電壓諧波仿真其中，基波電壓幅值，篩選出諧波次數(shù)內(nèi)幅值較大的有:，，，，所以得出（3-2-28）實際中可選取為0.5mH，此時THD=4.8%＜5%，符合設計標準。②網(wǎng)側濾波器中的電容設計:一般濾波電容吸收的基波無功功率不能大于系統(tǒng)有功功率的50%。在基波頻率下，對單相濾波器的電路可以進行等效簡化，可認為電感串聯(lián)后與電容并聯(lián)。則可得出電容吸收的無功功率應滿足:（3-2-29）式中為濾波電容吸收的基波無功功率；P為變流器額定有功功率；為電網(wǎng)相電壓有效值；為相對于P的大小，取為0.5。從而可得電容取值范圍為：（3-2-30）由以上參數(shù)可以選取