变速恒频双馈风力发电机励磁系统研究

煤󰀁矿󰀁机󰀁电

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2007年第2期󰀁󰀁󰀁󰀁

变速恒频双馈风力发电机励磁系统研究

田会方,蔡婷

(武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070)

摘󰀁要:󰀁通过几种励磁变频电路的经济性、稳定性和容量等方面比较分析,得出两电平电压型双PWM变换器可以很好地满足交流励磁发电机变速恒频运行的结论,是交流励磁电路的最优方案。关键词:󰀁变速恒频;交流励磁;变频器;风力发电

中图分类号:TM614;TM761󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001-0874(2007)02-0012-04

TheStudyofExcitationSystemforVSCFDouble

FedWindPowerGenerator

TIANHui󰀁fang,CAITing

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract:󰀁Inthispaper,theeconomicalefficiency,stabilityandcapabilityofseveralexcitationfrequency

convertingcircuitarecomparedandanalyzed,andsoaconclusionisdrawnthatthetwoelectricallevelvoltage

dual󰀁PWMconvertercanmeettheVSCFoperationdemandsofanACexcitedwindpowergenerator.ItistheoptimaldesignfortheACexcitationcircuitatpresen.t

Keywords:󰀁variablespeedconstantfrequency;ACexcitation;transducer;windpowergeneration

与幅值、频率、相位和相序均可调节的变频器相连。根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理,可以得出变速恒频风力发电机运行

时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式:

f1=

p󰀂n f260

(1)

1󰀁引言

随着电力电子技术和计算机技术的发展,特别是在矢量控制、直接转矩控制等高性能交流电机控制理论出现后,变速恒频发电的实现成为可能。在实现变速恒频风力发电的方法中,交流励磁双馈发电机方案为最具优势。由于交流励磁装置只需供给转差功率,大大减少了对变频器容量的要求;发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁频率,实现恒频输出;再通过矢量变换控制实现发电机的有功、无功功率调节,进而控制发电机组转速。变速恒频发电系统不仅可以减小风轮机的机械应力,最大限度地捕获风能,使风轮机在大范围内按照最佳效率运行,而且可以减小因阵风、塔影效应等对输出功率波动的影响,降低对变桨距系统快速性的要[1]求。

2󰀁变速恒频双馈风力发电机的工作原理

变速恒频双馈风力发电系统如图1所示。运行时通常将发电机定子绕组接入工频电网,转子绕组

式中:f1!定子电流频率;

p!电机的极对数;

n!风力发电机的转速;f2!转子电流频率。

因定子与电网相连,故f1与电网频率相同。当转速n发生变化时,若调节f2可使f1保持恒定不变,实现风力发电机的变速恒频控制。当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时,风力发电机处于亚同步速运行,式(1)取正号;当n>n1时风力发电机处于超同步速运行,式(1)取负号;当n=n1时f2=0,变流器向转子提供直交流励磁,此时发电机作为同步电机运行

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。

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之间进行无功功率的交换和有功功率的回馈容易,为四象限变频器,其无环流系统的最高输出频率为电网供电频率的1/2。尽管交-交变频器还具有无中间直流滤波环节、变频效率高等优点,但由于交-交变频器中晶闸管采用自然换流方式,变频器始终吸收无功功率,功率因数低,谐波含量大,输出频率低,使用元件数量多,需要隔离变压器,晶闸管开关

图1󰀁交流励磁双馈风力发电机系统

频率低、触发死区时间长,致使系统动态响应差,影响风电系统对不正常工况的反应速度及调节能力,交-交变换器输入-输出间直接耦合,会降低电网故障下风电系统的不间断持续运行能力,使之在风力发电领域的应用受到一定的。

󰀁󰀁双馈发电机的额定功率与一般发电机不同,在忽略定转子铜耗的情况下,风力发电机的定子输出电功率P1等于转子输入电功率P2与电机轴上输入机械功率Pmech之和,即:

P1=P2+Pmech=SP1+Pmech

󰀁󰀁输入的总的机械功率可表示为:Pmech=(1-S)P1

式中:S!转差率。

(3)(2)

由式(2)、(3)可知,当转差率S>0时,需要向转子绕组馈入电功率,由转子传递给定子的电磁功率为SP1,原动机传递给定子的电磁功率只有(1-S)P1,当S<0时,定转子同时发电。转子将吸收的机械功率转换成电磁功率|S|P1,经双向变流器馈入电网,此时原动机供给的电磁功率增至(1+|S|)P1。

双馈发电机在低于和高于同步速的不同运行方式下的输入输出功率关系,可用图2功率流向示意图表示。由于在低于和高于同步速的不同运行方式下转子绕组的功率流向不同,因此需要采用双向变流器。

3󰀁交流励磁变频电路比较分析

变速恒频双馈风力发电系统中转子变频器应为四象限变频器,其满足交流励磁要求的变频电源形式主要有:两电平电压型双脉宽调制PWM(PulseWidthModulation)变换器、交-直-交电流源、交-交变换器、矩阵变换器、多电平PWM变换器。现对其中几种变频电源进行具体的分析。

(1)交-交变频器

交-交变换器采用晶闸管作为功率开关器件,按相控方式工作,实现交流交流直接变频、变压。三相交-交变换器由3个#三相输入,单相输出∃的交-交变换器按三相对称原则连接而成。交-交变频器大多采用晶闸管自然换流方式,工作可靠,与电源

b)高于同步速运行

图2󰀁双馈风力发电机的功率流向

a)低于同步速运行

󰀁󰀁矩阵式变换器是交-交直接变频器的一种,由

直接接于三相电源和三相负载之间的9个开关阵组成。矩阵式变换器没有中间直流环节,功率电路简单、紧凑,输出由电源的3个电平组成,可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压,谐波含量较小。变换器的输入功率因数可控,可四象限运行,适合变速恒频双馈风力发电系统。尽管矩阵式变换器电压传输比只有0.866,不会影响它在电压要求低、励磁电压可更灵活设计的双馈发电机中的应用。但因其换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断,实现比较困难;且矩阵式变换器输入侧必须接滤波电容,与交-直-交电流源变频器输出侧的交流电容一

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样,需承受因开关器件引起的频率为开关频率的交流电流。矩阵式变换器在变速恒频双馈风力发电系统中的应用与其他应用领域一样处于研究开发阶段

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较小,具有开关损耗小、装置效率高等优点。但该变换器用于DFIG交流励磁时也有如下不足:

1)由于电流源型主变换器电压传输比低,送至DFIG转子端电压只有电网输人电压的86.6%,使相同传输功率下主变换器及DFIG转子电流增大,致使两者静态损耗大。

2)由于DFIG转子电压由两电平的辅变换器输出电压决定,因而转子绕组绝缘承受的电压应力较大,需加接电压变化率的滤波电路。

3)由于主变换器的器件开关频率太低,整个变频器动态响应慢。除非增大高开关频率辅助变换器的容量,否则难以满足变速恒频双馈风力发电机功率动态调节的需要。

(3)两电平电压型双PWM变换器

两电平电压型双PWM变换器分别由两个#背靠背∃连接的电压型PWM变换器,分别记为转子侧变换器(Rotor󰀁sideConverter)和网侧变换器(Grid󰀁sideConverter),总称为双PWM变换器(DualPWMConverter))。它对转子进行励磁,通过直流母线相连而成,见于图4。转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流,完成定子励磁定向矢量控制任务,实现最大风能捕获和定子输出无功的调节。在追踪最大风能的变速恒频运行中,功率将在电网与发电机转子回路之间可逆地双向流动,因而两个PWM变换器工作状态将不断交替地在整流与逆变之间切换。当亚同步运行时,网侧PWM变换器工作在整流状态,转子侧PWM变换器工作在逆变状态,功率

。

(2)交-直-交变频器

交-直-交变频器依据中间直流环节滤波形式的不同,可分为电压源型和电流源型。交-直-交电流源变频器大多采用带电流闭环控制的可控整流器供电,为四象限变频器。逆变器采用图3围框A中所示的全控器件和二极管串联形式时,可以采用方波模式和脉宽调制(PWM)模式。方波模式具有较高的效率,但含较丰富的低次谐波,同时将因电机绕组漏感产生危及绕组绝缘的尖峰电压,为此大多在电流源型逆变器的负载侧并联电容器,如图3围框C中所示。虽然该电容器的容量比交直交电压源变频器中直流环节滤波电容的容量小,但由于其为交流电容,需承受因开关器件引起的频率为开关频率的交流电流,其体积并不小且其性能要求较高,输出电容器和电机电感易产生谐振。

图3󰀁交直交混合型变频器结构

从电网通过双PWM变换器馈入发电机转子。当超同步运行时,转子侧PWM变换器工作在整流状态、网侧PWM变换器工作在逆变状态,功率从发电机转子通过双PWM变换器回馈至电网,从而实现发电机转子滑差功率的双向流动。

󰀁󰀁交-直-交电压源型变频器是目前应用最广泛的变频器,但该类型变频器直流环节的滤波电容体积较大,寿命较短,且双侧采用PWM控制,开关损耗较大。为减少开关损耗,给出了交-直-交电压源型和交-直-交电流源型并联的电路拓扑结构如图3所示,其中电流源型变频器(围框A)作为主变频器,负责功率传输,采用六脉动方波控制;电压源型变频器(围框B)作为辅变频器,负责补偿电流源型变频器的谐波。因电压源型逆变器中与全控器件并联的二极管的作用,直流侧的电容可有效地吸收电流源型逆变器方波电流产生的尖峰电压。但为防止逆变器之间的杂散电感产生尖峰电压,仍需图3围框C中的交流电容,不过其电容器的容量可显著减小。与常规的双PWM电压源变频器相比,该拓扑结构主变频器开关频率较低,辅变频器开关电流

图4󰀁两电平电压型PWM变换器

󰀁󰀁两个PWM变换器的功能各不相同:网侧PWM变换器的作用是保证变频电源良好的输入特性和确保直流母线电压稳定,以构成2个PWM变换器解耦工作条件。转子侧PWM变换器主要实现对

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DFIG(DoubleFedInductionGenerator)的有功、无功功率调节,以利于发电机实施最大风能追踪所需的机组转速控制。这又是通过转子侧PWM变换器对DFIG实施定子磁链或定子电压定向矢量控制来实现的。

采用PWM整流!PWM逆变形式的双PWM型变频器用做DFIG交流励磁的优势是:

1)电路简单、对称,性能可靠,是三相变换器中最常用的一种,研究最充分,技术最成熟,有现成控制方案可供借鉴。

2)现有功率半导体器件IGBT容量水平已能构造出MW级变速恒频DFIG用励磁变频电源,有工程现实性。

3)由于采用交-直-交结构,直流母线电容使两变换器实现了解耦,可相对地分别控制而不会相互干扰。这样,如果电网侧出现故障,只要通过网侧PWM变换器的有效控制以保持直流母线电压稳定,就可切断电网故障对转子侧PWM变换器进而对DFIG风电机组的影响;再配合对DFIG有效的控制策略,可以维持电网故障下的风电机组的不间断运行。故这种交-直-交型结构变换器对电网故障有较强的适应能力。

4)由于网侧PWM变换器为Boost(升压)电路,直流母线电压高低设计自由度大;若转子侧PWM变换器采用空间矢量脉宽调制(SVPWM),直流母线电压利用率高,对DFIG转子电压的控制能力强,从而为电网故障下对DFIG实施有效控制提供了有利条件。

(4)多电平PWM变换器

随着风电机组容量的进一步增大,对大容量、高品质励磁电源有了新的需求,原有的两电平双PWM变换器由于容量和输出电平数的已逐渐显露出作为交流励磁电源的不足。频率变换器采用多电平方式后可以获得更多级(台阶)的输出电压,波形更接近正弦,谐波含量少,电压变化率小,可获得更大的输出容量。多电平变换器具体电路拓扑可分为5类:二极管钳位型、双向并关互联型、飞跨电容型、两电平变换器组合型、单相H桥级联型等。采用多电平变换器构造出的双PWM变换器的输入、输出特性更优,电力谐波更少,降低了EMI滤波器设计难度,减轻了开关器件的电压应力。在同样的谐波性能条件下,多电平变换器开关频率仅为两电平变换器的1/4,开关损耗大为减少。电压传输比高,对输

出电压(即DFIG的转子电压)控制能力强,适合电网故障下DFIG的有效运行控制。该变换器用

于DFIG交流励磁时也有不足之处:

1)由于电容实际数值的容差,上、下桥臂元件死区时间的不准确及负载不平衡等诸多因素,多电平变换器普遍存在2个直流母线电容电压不均衡问题,只是在三电平变换器中问题较易解决。

2)二极管钳位型和飞跨电容型2种多电平拓扑同相桥臂4个开关元件电流应力不同,双向开关互联型同相桥臂不同元件上更同时存在电流及电压应力不均衡的问题。4󰀁结语

随着风力发电机单机容量的增大,在追踪最大风能的运行中,通过分析比较,实现变速恒频发电时,交流励磁双馈发电机是一种最佳的选择。其中两电平电压型双PWM变换器的结构与控制简单、可靠、成本低,不仅有良好的输出性能,更大大改善了输入性能,可获得任意功率因数的正弦输入电流,具有能量双向流动的能力。根据自关断功率器件的功率等级,它还可以满足兆瓦级变速恒频风力发电机组转子交流励磁的需要,有着现实的工程应用价值,是目前商品化变速恒频双馈风力发电机组交流励磁电源的优选方案。

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[6]󰀁TangYifan,XuLongya.AFlexibleActiveandReactivePower

ControlStrategyforaVariableSpeedConstantFrequencyGenera󰀁torSystem.IEEETransonPowerElectronics,1995,10(4)作者简介:田会方(1963-),男,副教授。主要从事复合材料缠绕装备的研究。

(收稿日期:2006-10-31;责任编辑:姚克)

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