大功率直驱风电系统高效率变流器设计
一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法[发明专利]
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专利名称：一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法
专利类型：发明专利
发明人：原熙博,彭新,张永磊
申请号：CN202210348295.6
申请日：20220401
公开号：CN114614501A
公开日：
20220610
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法，属于电力电子技术领域。
该风力发电变流器采用H桥中点钳位型五电平变换器拓扑，其中风力发电机侧为五电平中点钳位型H桥变换器，电网侧为三个三相三电平中点钳位型并网变换器，其直流侧接入风力发电机侧变流器，电网侧经隔离型四绕组工频升压变压器接入66kV或更高等级电压电网。
该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kV,可用于20MW及以上功率等级的风力发电系统。
与传统风电变流器相比，具有额定电压高、功率器件数量少、无需器件或变流器并联、单机容量大、扭缆简单、电缆损耗小、谐波特性好、容错性高、结构简单，易于控制等优点，在中高压大功率海上系统中具有重要应用前景。
申请人：中国矿业大学
地址：221116 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学
国籍：CN
代理机构：南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：张联群
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大功率直驱风力发电机组并网变流器的研究
ａ ： ＋ ＝
＝ ／ Ｃ 则从网 １ｗ ｍ
图 １ 网侧 变 流器 Ｌ Ｌ结 构 图 Ｃ
当 Ｖ Ｒ工 作 在 单 位功 率 因数 时 ， 矢 量 三 Ｓ 由“
角形 ” 知 可
＋（ Ｌ ＝ ∞１ ） ， （） １
［ ２（ ＋ｚ ）一ｊ Ｚ 】 一ｊ ＋ｚ ） ｊ １ 一ｊ ｂ 。 ｂ （ Ｘ ｂ （ ＋Ｚ ） ｊ 。＋Ｚ ） 一ｊ ｂ （Ｘ ｂ
（ ｈ ｎ ａ ｇＩｓｔｔ ｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓ ｅｇａ ｇ１０ ３ ，Ｃ ｉａ Ｓ ｅｙｎ ｎｔｕｅ ｆ ｇｎｅ ｎ ， ｈ ｎ ｙｎ １ ６ ｈｎ ） ｉ Ｅ ｉ １
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｓ ｄ ｅ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｉ ｉ ｕ ｔｏ ｅ ｆ ｌ ｓ ａ ｅ ｐ ｗｅ ｏ ｖ ｒｅ ， ｉｈ ｉｃ ｕ ｅ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ａ ｅ ｔ ｉ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｍａｎ ｃｒ ｉ ｆｔ ｕｌ ｃ ｌ ｏ ｒｃ ｎ ｅ ｔｒ ｗｈ ｃ ｎ ｌ ｄ ｓ ｕ ｃ ｈ －
且 电感 还 应该 满足
一
２ 一 ４
・
分布式电源 ・
低 压 电器 （０ ２ ｏ ６ ２１Ｎ ． ）
发 电机端 线 电 压 峰值 为２０ ０Ｖ。 由上 述 计 算 可 ６
Ｎ １００ ０
三
一
０
１００ ０
知 ， 侧 变 流 器 输 出 脉 冲 的 上 升 时 间 需 大 于 机
低压电器 （０ ２ ． ） ２ １ Ｎｏ６
・ 分布 式电源 ・
单， 因而得 到 了 广 泛应 用 。但 随着 功 率 等级 的提
ｔ ｔ
≥ ｍａ￡ ） ＝ｍａ ｘ（ ｘ
， ＝２ ３， ｎ ， … （） ２
用于直驱型风力发电系统的变流器
用于直驱型风力发电系统的变流器Introduction：现在的能源越来越受到人们的关注，各种新的能源板块不断涌现。
在这其中，风能便是一种十分有前景的新能源，因此风力发电也是目前非常热门的产业之一，风力发电系统的核心组成部分就是变流器，本篇文章将围绕直驱型风力发电系统的变流器展开讨论。
直驱型风力发电系统的变流器变流器是能够将非直流电源转化成直流电源的电子设备，其作用在于将交流电能转化成可用直流电能。
风力发电系统的核心组成部分之一即为变流器，变流器可以将风起的旋转运动转换成直流电能，从而保证整个系统的正常运转。
因此直驱型风力发电系统的变流器是一个至关重要的部分。
直驱型风力发电系统的优点直驱型风力发电系统，顾名思义，即是指直接驱动风能发电机，适用于风速较大的场合。
相对于其它类型的风力发电系统，直驱型风力发电系统具有以下优点：1. 比传统型低速轴噪音小。
2. 没有减速箱，磨损小，寿命长。
3. 不需要润滑油，环保无污染。
4. 在风速越大时功率输出越高，效率相对较高。
直驱型风力发电系统的缺点然而，直驱型风力发电系统同样存在着缺点：1. 直驱式发电机，大功率和大尺寸难以实现高效、低成本和高可靠性。
2. 接口限制：没有旋转的传动部分，要直接接到风轮，因此不能使用具有偏心量的风刀片减小振动和抗风力突变的能力。
3. 运行稳定性有待提高。
直驱型风力发电系统中变流器的作用直驱型风力发电系统中的变流器具有将可变频率的风能产生的电能转换为稳定频率的电能输出的功能，从而满足系统对电能的要求。
直驱式变流器的核心是一个PWM逆变器，负责将直驱式风机的三相电能转换成电网电能，调节电压、电流、功率等参数，保证电网的稳定性和安全性。
直驱型风力发电系统中变流器的原理直驱型风力发电系统采用电子变频技术，因此变流器是其核心部件。
变流器能够将风力发电机转化所得的交流电转化为稳定的直流电，以保证系统的正常运转。
其中一个非常重要的环节就是控制变流器的换向工作。
直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略研究
直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略研究本文旨在研究直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略。
首先，简要介绍了变流器的基本原理，并研究了其可行的拓扑结构；其次，分析了直流控制器在变流器中的重要作用，研究了基于典型算法的控制策略；最后，根据系统实时特性，研究提出了改进的控制策略，提出了相应的验证方法，以求出更有效的控制方法。
Ⅰ.变流器的基本原理变流器是风力发电机为输出交流电能而必需的元件，它主要由换流变压器和逆变器组成。
变流器的任务是将风力发电机输出的直流电能转换为公网需要的交流电能，其传输原理是在换流变压器中兑换直流和交流，并在逆变器中完成转换和控制；该系统将满足电网对输出功率、输出电压、输出频率等参数的要求，实现负荷的可靠连接和稳定的供电。
Ⅱ.可行的拓扑结构可用于直驱式风力发电系统的变流器拓扑主要有单相、三相Y型和三相V型三种，当然，它们也可以结合在一起使用。
比如，单相可用于内部动力源，三相V型变流器用于输出系统，三相Y型多用于中间动力传输，以实现动态控制；此外，直驱式风力发电系统也可以使用可充电式电池作为负载，以实现系统的最优化操控。
Ⅲ.直流控制器的重要性直流控制器的作用是从直流源获取电能，将其传输转换为全桥逆变器可处理的直流，调节电压并给全桥逆变器驱动。
直流控制器的重要性体现在可以实现高效的转换和调节，streaming可实现开关回路，以减免变换器性能的降低，并实现更准确和有效的控制。
Ⅳ.基于典型算法的控制策略变流器调节策略可以满足电网特性和运行要求，实现可靠供电，同时也可以保护发电机线路和维护无功。
基于典型算法的变流器调节策略通常包括比例阀和积分（PI）控制策略，该策略具有轻松实行，容易运行的特点。
比例阀策略以输入和输出的变化率作为参数调节变流器，以此实现目标功率的衔接；PI控制策略则以输出功率和目标功率之间的误差作为参数调节，以优化系统输出功率。
Ⅴ.改进的控制策略基于实时性，可提出改进的调节策略，以提升直驱式风力发电系统的运行性能。
直驱风电机组并网变流器预充电电路设计方法优化
充电电压的最大值U 为网侧线电压的峰值， m ax
也是 直流 母线 电容电 压能 够充 到的 最大 电压 。为 了
简化计算，将充电过程看作电压值为U 的直流电 m ax
源对直流母线电容进行充电。对于初始电压为 0 的
电阻电 容充 电公式 为
t
U U (1 e 2RC )
c
ma x
（ 1）
式中， U 为电容两端电压；R 为两个预充电电阻的 c
母线 电容 充电 ，规定 预充 电电 阻必 须在 规定 的时 问
内将 中间 直流 环节电 容上 的电 压充 到交 流输 入电 压
最大值的 80%。这样仍然可以用公式（1）进行计算。
2 预充电电路设计方法改进
2.1 三相全桥预充电电路 实 际上 对于 三 相全 桥整 流 [4]波 形， 直流 侧 平均
U2 t U2t
max 1
dc 2
（2）
所以 有
U2
t
t max 1.10t
U 2
21
1
dc
（3）
计算实例：我公司 1.5MW 变流器并网电压为三
相 620V AC，直流母线电容容量为 68mF，预充电电
阻为 3 个 30 。控制系统判断预充电完成标志为直
流母线电压达到 840V DC。
这时U 876V ，按照公式（1）可以计算得 m ax
关键词 ：直 驱风力 发电 机组； 全功 率变流 器； 预充电 电路 ；低功 耗
The Optimizing Methods to Design the Pr echar ging Cir cuit of Gr id Connected Conver tor for Dir ect-dr ive Wind Tur bine
大功率直驱风力发电并网变流器主电路的研究
三 相 电压 型 Ｐ ＷＭ 整 流器 输 出 的 电 压 为 Ｐ ＷＭ
波 ， 实现 并 网必 须 要 求 滤波 。 统 的 网侧 滤 波 器 要 传
电机的定子侧直接与变流器相连 ，通过机侧变流
器 把 发 电机 发 出 的功 率 传 到 直 流 侧 ．然 后 再 通 过 网 侧变 流 器 把 功 率 直 接 并 入 电网 。 直 驱 电机 侧 变 流器 与 永 磁 同 步 发 电 机 的 定 子
关 键词 ： 网变流 器 ；直 驱 ；滤波 器 并 中图分类号 ：Ｍ ６ Ｔ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号：０ ０ １０ ２ １ ）１ ０ ０ — ３ １０ － ０ Ｘ（０ ２ Ｏ — ０ ４ ０
Ｄｅｅｏ ｍｅ ｔｏ ｅＧｒ －ｏ ｖｒｅ ｏ ｇ ｏ ｅ ｅｍａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｖｌｐ ｎ ｆｔ ｉ ｃｎ ｅｔｒｆｒＨｊｈＰ ｗ ｒＰ ｒ ｎ ｎ ｈ ｄ Ｍａ ｎ ｔ
Ｄｉ ｅ ｔ ｄ ｉ ｅ ｉ ｄ ｒ ｎｅ ｒ ｃ ． ｒ ｖ ｎ Ｗ ｎ Ｔｕ ｂｉ
Ｗ ＡＮＧ ｏ ｓ ｉ Ｂａ ．ｈ ．ＧＵ Ｃａ — ａ ｉｌ ｎ ｉ
（ ｈｎ ａｇＩｓ ｔ ｅｏ ｎ ｉ ｅｉｇ ｈ ｎｙ ｎ １ １６ ｈ ａ Ｓｅ ｙｎ ｎｔｕ ｆＥ ｇｎ ｒ ，Ｓｅ ｇａｇ １０ ３ ，Ｃ ｉ ） ｉｔ ｅ ｎ ｎ
ｖ ｒｅ ｏ ． ｅ ｔ ｒｆ ｒ １ ５ ＭＷ ｅ ｍａ ｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｄｒ ｃ — ｒ ｅ ｉ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ．ｔｄ ｍｏ ｓｒ ｔｓ ｔ ａ ｈ ｅ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｆ ａ ｉ ｌ ． ｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｉ ｔｄ ｖ ｎ ｗ ｎ ｕ ｂ ｎ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｈ ｔ ｔｅ ｄ ｓ ｔ ｏ ｓ ｅ ｓｂｅ ｅ ｉ ａ ｇ
第４ ６卷 第 １期
风力发电系统中大功率变流器的应用
风力发电系统中大功率变流器的应用摘要：在当前风力发电系统中融入大功率变流器，有效的提高了整体的工作效果，具备运行效率较高和维护成本降低的特点，在风力发电领域中有着良好的应用前景。
在实际工作中需要根据风力发电系统的运行特征，选择正确的大功率变流器，融入先进的技术方案，进一步的提高输出电压的等级，满足日常的使用要求，促进行业的不断进步以及发展。
关键词：风力发电系统；大功率变流器；应用研究在近几年来，风力发电机的单机容量逐渐朝着增加的趋势而不断的发展，在直驱型风力发电机中，需要通过变流器来实现信息的上传，相关功率器件要符合高功率的要求以及标准，但是由于材料的限制性导致功率器件由于自身容量的有限增加了后续运行的难度，所以在使用工作中需要取得正确的大功率变流器来满足实际的工作要求，避免对后续电力系统的传输产生一定的影响，促进风力发电行业的不断发展。
一、大功率变流器的运行原理在1976年设计出第一台大功率的变流器，在实际应用的过程中，能够根据开关阵列的排列特点来优化整体的电网结构，通过变流器能够完成能量之间的转换，和自然型换流器相比两者之间的相似度是非常突出的，在波形输出方面能够按照一定的顺序进行采样，在能量使用模式中对于变流器的采样周期来说，变化周期和电源有着密切的关系，电压输出波形要根据样板中电压采样周期的切开进行有效的排列。
为了和样板更加接近，在实际工作中需要确定好输出电压，在采样率方面的标准高于输入和输出的功率，在采样控制时还需要使各个输入电压周期的平均值和参考值是相近的，这样一来合成的波形频率才可以进行适当的调整和优化。
并且和低次频率保持相同的状态下，大功率变流器的电子开关是以双向四相线开关为主的，能够在两个方向中进行得通电流的阻断[1]。
在实际工作中需要根据实际的要求以及标准，利用标准半导体器件进行组合性的建设，从而使换流工作能够具备正确性的特征。
另外在开关中要实现两个方向电流的独立性控制，更加贴合日常的使用，需要避免对后续的运行产生一定的影响。
高原型风力发电用变流器的高可用性设计与实现
高原型风力发电用变流器的高可用性设计与实现在如今强调可再生能源的时代，风力发电备受关注。
然而，在高原地区布置风力发电机组的一项重要工作是设计和实现高可用性的变流器。
高原地区的复杂环境和特殊气候条件对变流器的性能和可靠性提出了更高的要求。
在本文中，我们将讨论如何设计和实现适用于高原型风力发电的变流器，以提高其可用性。
首先，为了应对高原地区的气候条件，变流器需要具备良好的冷却系统。
由于高原地区的气温波动大，变流器的运行温度可能会升高。
因此，设计一个有效的散热系统非常重要。
可以使用风冷或液冷系统来降低变流器的温度。
此外，还可以考虑使用热管技术来提高散热效果。
这些措施将有助于保持变流器的正常运行温度，从而提高其可用性。
其次，高原地区的海拔对变流器的性能也产生了重要影响。
由于高原地区的大气压力较低，变流器的输出功率可能会降低。
为了应对这一问题，可以使用调压器来提高变流器的效率和输出功率。
此外，在设计过程中还应充分考虑高原地区的特殊环境因素，例如干燥和沙尘。
应采用防尘、防潮的设计措施，以确保变流器的稳定性和可用性。
另外，高原地区的高寒气候条件也对变流器的运行产生一定的挑战。
低温可能会降低变流器的性能，甚至导致故障。
因此，必须采取保护措施来应对低温问题。
其中一个解决方案是使用适应低温的器件和材料，在设计上考虑低温环境下的性能。
此外，通过合理的绝热措施，可以提高变流器的温度稳定性和可用性。
此外，由于高原地区的电网稳定性较差，变流器需要具备良好的抗干扰和故障自恢复能力。
为此，可以在设计中采用先进的故障检测和隔离机制，以便迅速发现和隔离可能的故障。
同时，应该设计具备自动重启和故障自恢复功能的变流器，以提高其可用性并减少人工干预。
最后，为了提高高原型风力发电用变流器的可用性，必须进行定期的检修和维护工作。
这包括定期检查散热系统、检测电机、电缆和连接器的状态等。
通过定期维护和维修可以保持变流器的正常运行状态，避免不必要的故障和损失。
大功率直驱风力发电并网变流器主电路的研究
ｔ ｄ ｃ ｄ ａ ｌ ａ ｈ ｅ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｏ ｉ ｅ ｓｄ ＣＬ ｆ ｔ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔｒｓｄ ｕ ｄ ｌ ｒ ｈ ｌ ｎ ｔ ｎ ｏ ｒ ｕ ｅ ｓｗｅｌ ｓ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｔ ｏ ｆ ｌ — ｉ ｅ Ｌ ｌ ｎ ｈ ｅ ｅ ａｏ — ｉ ｅ ｄ ／ ｔｆ ｔ ，ｔ ｅ ｅ ｉ ａｉ ｆ ｏ ｎ ｉ ｅ ｉ ｅ ｍｉ ｏ
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Ｋｅ ｒ ｓ ｉ ｅ ｔ ｄ ｉ ｅ ｎ ｕｒ ｉ ｅ ｓ ｓｅ ；ｌ ｅ ｓｄ ｙ ｗｏ ｄ ：ｄ ｒ ｃ — ｒｖ ｎ ｗｉ ｄ ｔ ｂ ｎ ｙ ｔ ｍ ｉ － ｉ ｅ ＬＣＬ ｌ ｒ；ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｓｄ ｕ ｄ ｌｅ ｎ ｉ ｅ ｆｔ ｅ ｅ ａ ｏ －ｉｅｄ ／ ｔｆ ｔｒ ｉ
０ 引 言
对 于直 驱 同步 风力 发 电系 统 ， 图 １ 示 ， 如 所 其
叶片 直接 与 永 磁 同 步 发 电机 相 连 ， 于永 磁 同 步 由 发 电机 的转 子 极 对 数 较 多 ， 而 可 以不 需 要 齿 轮 因 箱 来 提 速 。永 磁 同步 发 电机 的定 子侧 直 接 与变 流 器相 连 ， 过机 侧 变 流 器 把 发 电 机 发 出 的 功 率 传 通 到直 流 侧 ， 然后 再 通 过 网侧 变 流器 把 功率 直 接 并
ＷＡＮＧ ｏ ｈ ＧＵ ｌａ Ｂａ ｓ ， Ｃａｉ ｎ ｉ
（ ｈ ｎ ａ ｇＩｓｔｔ ｏ ｎｉｅｒ ｇ Ｓ ｅ ｇａ ｇ１ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｓ ｅ ｙｎ ｎｔｕｅ ｆ ｇ ｅｉ ， ｈ ｎ ｙｎ １ １６， ｈｎ ） ｉ Ｅ ｎ ｎ
Ａ ｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ｔｈ ｉ ｉｃ ｔｏ ｈ ｕｌ—ｃ ｌ ｗｅ ｏ ｖ ￣ｅ ｔ ｄ ｅ ｅ ｍａ ｎ ｃｒ ｕｉ ｆｔ ｅ ｆ ｌｓ ａ ｅｐｏ ｒｃ ｎ ｅ ｒｗａｓｓｕ ｉ ｄ．Ｔｈｅｄｅ ｉｎ ｆｔ ｗｅ ｉｃ ｔｗａ ｎ— ｓｇ ｏ ｈｅｐｏ ｒｃｒ ｕｉ ｓｉ
直驱式风力发电系统中双PWM变流器控制策略的研究
新 疆金 风 科技 股份 有 限公 司 韩 明刚 程 丽娟
［ 摘 要］ 大功率风力发 电 系统是 目 前的主流风 力发 电系统之 一。以背靠背载波移相 并联 双脉宽（ ＷＭ） Ｐ 变流器作为 直驱 型风力发 电 系统的风 力发 电变换单 ， 以满足 大功率直驱型风力发 电系统 可靠性 等各方面的要 求， 而且 变流器直接并联的方式有结 构简单 、 便 于模 块化设计 和容 易扩展 等优点 。网侧 变流器控制技术 、 电机侧 变流控制技术的有效利 用对优化 直驱风 电系统 电流控 制具 有十分
重要 的 价值 。
［ 关键词 ］ 直驱 型风力发 电 系统 永磁
１ 引言 ．
Ｐ ＷＭ 变流器 控 制 率 为 ３ Ｈｚ则 总输 出电流 中只含 ９ Ｈｚ Ｋ ， Ｋ 及倍数 的次谐波 。由此可 以看 出载波移相技术可 以使开关频率得 到成 倍的提高 ， 而且 在满足相 同的 谐 波标 准下 ， 因为输 出滤波 电感减 小和直 流侧纹 波电流减小 ， 而降低 从 了对直 流母线 电压以及 直流母 线电容 纹波 电流的需求 。唯一不 足的是 载波移 相并联会 造成并 联单 元间的环境 。一 般的风力发 电厂都 建在比 较偏远 且气候 恶劣的地方 ， 很难 维护 ， 所以整个发 电系统 的可靠性 一直 以来就是人们关 心的热点 ， 载波移相并联技术 的最大优点就是 当系 而 统中的一个模块 发生故障时 ， 只要改变相应 的载波 移相角和限制 系统 的容量 ， 可以放人备用单元 ， 也 其他模块还可以继续 工作 。 ３控 制策 略 的 研 究 ． ３１网侧 变流器 的控制策略 ． 三 相 电压 型 Ｐ ＷＭ变 流 器 对 电流 器 控 制 的 技 术 近 几 年 广 泛 应 用 于 并 网发 电等场合， 数学模型 、 计方法 、 制策略 已经 成为 当前研 究 其 设 控 的重点控制策略实施过程中可以分为直接电流控制和间接电流控制两 种 。间接 电流控制其实是对 变流器交流侧输 出电压的相位 和幅值进 行控制， 对电流进行信息 反馈 ， 不 因此实施过程 中会不可避免 的出现网 侧 电流动态响应慢 的问题， 同时对系统参数 的变化情 况反映速 度处于 很低 的状态， 当前需 要对其进行优化改进， 采取 直接 电流控制技术， 从而 能够有效避免响应速度慢 的问题 。在一般 的系统 中低频环流 由于频率 低， 其低频分量影 响系统 的可靠运行 ， 而通过实验验证增大并联 电感也 不能增 大低频环流 的阻抗 ， 以需要采取 其他的控制方法 。背靠背变 所 流器 １ 的整流 器可以调节发 电机输 出的无功功率 ， 有效调节 电机输 功率 因数 ， 当需要 电机输 出为单位功率因数时 ， 无功电流为０ 这样可 令 ， 以使 电机输 出最大有功功率 。同时 ， 由于无功输 出可调 ， 使发 电机转速 范围更宽 。电机侧 整流器还可 以稳定 直流侧 电压 ， 给并 网逆变器提供 稳 定 的直 流 电 源 。 在 电流 控 制 过 程 中 还 可 以 采 取 模 糊 控 制 、 测 控 预 制、 人工神经网络控制等方法， 但是这 些方 法在实现过程 中相对 比较 复 杂， 实时性差， 因此可 以采取一些新 的方法， 把其运用到 电力 电子装置 中 去， 具体为重 复控制技 术和 比例谐 波控制技术 。其 中重 复控制技术 主 要是对重复 内膜进行谐波信号检 测 ， 在实施过程 中能对全频 的谐波 进 行高精度的有效控制 ， 并且对 整个系统的结 构要求 不高 ， 一来就可 这样 以提高整个风力发电系统的整体效益。 比例谐 波控制技术和重复控制 技术有很大 的不同 ， 除了能读谐 波信号进行 分析保证其处 于高增 益 它 的状态 ， 并且能够对其进行内模控制 ， 唯一的缺点就是谐波控制数字实 现过程 中对程序算法 的精度要求 比较高 。 ３２机侧变流器的控制策略 ． 直驱风 电系统 电机 侧变流 器需要对 电机进行全 面的控制， 具体研 究过程 中需 要以 电机 为研 究对象， 电机 能量输入变流进行控 制， 对 主要 是采取 电磁转矩控制技术 。直驱风 电系统 电机侧采用 Ｐ ＷＭ整流器 ， 将 频率 和幅值变化 的交流 电整流成恒定直 流 ， 由网侧逆变 器将 电能反馈 人 电网。机侧变流器 主要作用是控制发 电机 的有功功率进而实 现最大 功率 追踪 。采用磁 场定 向的矢 量控制策略 ， 可得 电磁转 矩仅 由ｑ轴 电 流分 量产生 。令 ｄ轴电流分量 为０ 可以实现把定子 电流全部用来产 ， 生电磁转矩 ， 而没有无 功电流 的损耗 ， 从而提高 了效率 。当直 流侧 电压 恒定 时 ， 忽略机侧 、 网侧变流器 和电抗 器等损耗 的影 响 ， 电机发 出的 发 功率 等于网侧 变流器输 出的功率 。通过调 节发 电机的输 出功率就 可以 调节整个风 电系统 的输出功率 。综上 所述 ， 机侧 的控 制策略就是外 环 采用 有功功率 闭环调节 ， 通过把 电网反馈的实际功率 Ｓ 和参考功率的偏
MW级大功率风电机组变流器系统的研究
系统的稳定性 。图 ５为系统结构示意 图。
图 ５ 系 统 结 构 框 图
其 主要优 点在 于 ：单个器 件承受 的 电压 应力 小，更
容 易 实 现 高 压 大 功 率 ；在 相 同 开 关 频 率 下 ，输 出波 形 更 接 近 正 弦 波 ，谐 波 含 量 更 低 ； 同 时 还 大 大 减 轻 了 电 磁 干 扰 （ ＭＩ 问 题 。 Ｅ ）
Ａｂｓｒ ｃ Ｉ ｈ ａ ｒ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐｅ ，ｗｅ ｓｕ ｙ ｔ ｅ ｗ ｉｄ ｐ ｗｅ ｙｓｅ ｉ ｏ ｍｏ ｅ ｏ ｈｒ ｅ ｋｉ ｄ ｉ ｈ ｔ ｄ ｈ ｎ ｏ ｒｓ ｔ ｍ ｎ ｃ ｍ ｎ ｕｓ ｆｔ ｅ ｎ ｓ ｏｆｈ ｇ
系 统 由 一 个 操 作 器 和 两 个 并联 的 变 流 器 组 成 。
系 统各个对 象之 间采 用 Ｃ Ｎ 总线方式进行 通信 。 Ａ 操
作 器 （ 机 接 口 ） 控 制 各 变 流 单 元 的 启 停 和 参 数 修 人
改 ；变流器 负责机 侧整流 与 网侧逆 变 。机侧 整流原
采用器 件 串并联方 式提 高变流 器的功 率 ，具有 拓 扑结构 简单 ，功率器 件个 数少等优 点 。但器件 串 联会 带来分压 不均 问题 ，器 件并联 会带来器 件的均 流 问题 ，因而对驱 动 电路 的要 求也大 大提 高，要尽 量做到 串联器 件 同时导通 和关 断，否则 由于各器 件 开断 时间不一 ，承 受 电压 不均或 分流不均 ，会 导致 器件 损坏甚 至整个 逆变器 崩溃 。 ２３ 多 电平 大功率 变流器 ． 多 电平 变频器 本质 依赖于 内部 多 电平逆 变器 的
[变流器,拓扑,大功]高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析
![[变流器,拓扑,大功]高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析](https://img.taocdn.com/s3/m/3b32512af705cc17542709bd.png)
高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析摘要：文章概述了国家新能源政策以及风力发电的发展现状，研究了直驱型风电机组全功率并网变流技术的现状，比较现有的常规直驱型风电变流器的拓扑结构的优劣，并比较大功率高电压风力发电变流器拓扑结构的优劣，提出了两种新型高压大功率风力发电机的变流器拓扑。
关键词：风力发电；大功率；直驱式1 概述随着经济的快速发展，人们对电力的需求越来越大，目前，我国的发电方式主要是火力发电，而火力发电所需的化石能源是不可再生资源。
因此，开发和利用新能源和可再生能源是解决能源和环保问题的重要措施之一。
近年来，我国的风电产业发展迅速，“十二五”期间，我国风电装机规模持续迅猛增长。
2011年并网风电装机容量达到4700万千瓦，取代美国跃升为世界第一风电装机大国；2012年发电量达1008亿千瓦时，首次超过核电。
截至今年9月底，我国风电并网装机规模为10885万千瓦，占全部发电装机的7.9%。
经过近几年风力发电技术的迅速发展，以及对风力发电系统各自的优势和特点的研究，双馈发电机系统和直驱风电系统成为了大功率MW级风力发电的趋势。
今后将量产3.3MW以上，输出电压为10kV的大功率风力发电机[1]，现有的风力发电变流器拓扑将不适合于大功率风力发电机，但是对适用于高压大功率风力发电机的变流器拓扑研究还较少，因此文章所研究的拓扑具有很强的现实意义。
2 风力发电变流器研究现状直驱型风力发电机是一种需要全功率变流的风力发电机，随着电力电子技术发展的越来越成熟，全功率风力发电变流器的制造成本大为下降，风力发电机的直驱化也是当前研究的一个热点。
目前大部分风力发电机与风轮不是直接相连，而是中间通过齿轮箱相连，齿轮箱不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本，而且齿轮箱很容易出现故障，是目前风力发电机组的故障点之一。
而直驱式风力发电并网变流机组没有齿轮箱，发电机直接与风轮相连，增强了系统的稳定性，提高了系统运行的效率。
直驱式风力发电系统全功率并网变流器拓扑结构研究
０ 引 言
传 统 风力发 电机 组 的电磁 机械 系统 通常包 含 风力 机 、 速箱 和发 电机 三 个 主要 部 分 ． 增 风力 发 电机 组 中 ， 风力机 转 速 通 常设 计 为 ２ ３ ／ ｉ ， 传 统 风力 发 ０～ ０ｒｍ ｎ 而
对 电网产 生污染 ． 因此 ， 究适 合 于直 驱型风 力发 电系 研 统 的逆变 器拓 扑结 构是很 有 必要 的 ．
变速恒 频 、 直接 驱 动 型风 力 发 电系 统 是 较 为理 想
的风力 发 电系统 ． 发 电系统 可 使 风 力 机 在 很 大 风速 该 范 围内按 最佳效 率 运行 并 且 省 去 了增 速装 置 ， 而提 从 高 了系统 的效率 和 可靠 性 ， 时也 降低 了系 统 维 护 费 同
第 ８卷第 ２期
２０１２年 ４月
沈阳工程 学院学报 （ 自然科学版）
Ｊｕ ａ ｏ ｈ ｎ ａ ｇＩｓ ｔ ｅｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｎａ ｒｌ ｃｅｃ ） ｏ ｒ ｌ ｆ ｅ ｙｎ ｎｔｕ ｆ ｇｎ ｅ ｎ （ ｔ ａ Ｓ ｉ ｅ ｎ Ｓ ｉｔ Ｅ ｉ ｕ ｎ
Ｖｏ ＿ ． ｌ８ Ｎｏ ２
Ａｐ ． ２ ２ ｒ ０１
直 驱 式 风 力 发 电 系 统 全 功 率 并 网 变 流 器 拓 扑 结 构 研 究
李 丽霞 ， 于宏涛 祝 尚臻 宛 波 ， ，
（ ． 阳工程 学 院 自动 控制 系 ， 阳 １ ０ ３ ２ 沈 阳工 业大 学 电气工 程 学院 ， 阳 １０ ７ ） １沈 沈 １ １６； ． 沈 １８ ０
《2024年直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》范文
《直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》篇一一、引言随着环境保护意识的提高和可再生能源的快速发展，风力发电作为一种清洁、可再生的能源，已经成为了世界各国研究的重点。
其中，直驱型风力发电系统凭借其高效率、低维护等优点，得到了广泛的关注和应用。
全功率并网变流技术作为直驱型风力发电系统的核心技术之一，其研究对于提高风力发电的效率和稳定性具有重要意义。
本文旨在研究直驱型风力发电系统的全功率并网变流技术，为风力发电的进一步发展提供理论支持和实践指导。
二、直驱型风力发电系统概述直驱型风力发电系统是指发电机直接与风力机连接，通过风力机的旋转驱动发电机发电。
该系统具有结构简单、传动损失小、维护方便等优点。
其核心部件包括风力机、发电机、变频器等。
其中，变频器是连接风力机和电网的关键设备，负责将风力机产生的电能转换为符合电网要求的电能。
三、全功率并网变流技术研究全功率并网变流技术是直驱型风力发电系统的核心技术之一，其核心思想是通过先进的控制策略和算法，将风力机产生的电能高效地转换为符合电网要求的电能，并将其稳定地接入电网。
具体来说，全功率并网变流技术涉及以下关键问题：1. 控制策略研究：控制策略是全功率并网变流技术的核心，决定了系统运行的稳定性和效率。
针对不同的运行条件和电网要求，需要研究适合的控制策略，如最大功率跟踪控制、电压电流双闭环控制等。
2. 变频器设计：变频器是全功率并网变流技术的关键设备，其性能直接影响到系统的运行效率和稳定性。
需要研究适合直驱型风力发电系统的变频器设计方法，包括拓扑结构、调制方式、滤波方式等。
3. 保护与故障诊断：为确保系统在异常情况下仍能保持稳定运行，需要对系统进行保护与故障诊断技术研究。
如研究过压、过流、欠压等故障的诊断和保护措施。
四、研究成果及展望通过深入研究和试验验证，我们成功研发了适合直驱型风力发电系统的全功率并网变流技术。
该技术具有以下优点：1. 高效率：通过先进的控制策略和算法，实现了风力机的高效能量转换，提高了系统的运行效率。
《2024年直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》范文
《直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》篇一一、引言随着能源结构的调整和环境保护意识的增强，风力发电作为清洁可再生能源的重要形式，得到了广泛关注和快速发展。
直驱型风力发电系统凭借其结构简单、维护方便等优势，在风力发电领域中占据重要地位。
而全功率并网变流技术作为直驱型风力发电系统的核心技术，其研究对于提高风能利用效率、保障电网稳定具有重要意义。
本文旨在深入探讨直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的相关问题及其应用。
二、直驱型风力发电系统概述直驱型风力发电系统是指发电机直接与风轮机相连，无需通过齿轮箱进行传动。
这种系统结构简单，减少了机械传动部分的维护工作量，提高了系统的可靠性。
同时，直驱式风力发电系统具有较高的发电效率，能够适应不同风速条件下的运行需求。
三、全功率并网变流技术原理全功率并网变流技术是直驱型风力发电系统中的关键技术之一。
该技术通过全功率变流器将风力发电机产生的交流电转换为与电网电压同频同相的交流电，实现风力发电系统的并网运行。
该技术的主要原理包括最大功率点跟踪、电网电压同步控制以及故障穿越等环节。
四、全功率并网变流技术的关键问题研究1. 最大功率点跟踪：直驱型风力发电系统的最大功率点跟踪是实现高效能量转换的关键。
研究人员通过优化控制算法，实现快速准确的最大功率点跟踪，从而提高风能利用效率。
2. 电网电压同步控制：在并网运行过程中，系统需要与电网保持电压同步。
研究人员通过精确控制变流器的输出电压和相位，实现与电网电压的同步，保证并网运行的稳定性和可靠性。
3. 故障穿越能力：直驱型风力发电系统在运行过程中可能遇到各种故障情况。
研究人员通过设计具有故障穿越能力的控制系统，保证系统在故障发生时能够迅速恢复稳定运行，减少对电网的影响。
五、技术应用及发展趋势直驱型风力发电系统全功率并网变流技术已广泛应用于实际风电场中。
随着电力电子技术的不断发展，变流器的性能和效率得到了显著提高。
未来，该技术将进一步向高效率、高可靠性、低成本的方向发展。
直驱式永磁同步风力发电变流器
1.3风力发电变流器技术电力电子变流器(系统)是风力发电机组与电网的核心中间环节,堪称风力发电系统的重中之重。
在风机控制器的统筹管理下,变流器要实现发电机组的最大风能捕获(MPPT );同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能,向电网输送高品质电能。
并且受限于风电机组的空间尺寸与本钱,变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。
这对变流器系统的电磁性能、构造及平安易用性等设计研究均提出了较高要求。
1.3.1变流器拓扑与控制以永磁直驱式风力发电系统为例,整个风机系统的控制框图如图1.4所示。
其中,变流器的控制主要包括PMSG的(电机侧)PWM整流控制技术与电网侧PWM 逆变器控制技术。
电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制,实现电机转速调节,使其具备最大风能捕获功能,已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解辅控制,保持机组运行在变速恒频发电状态;同时,配合输出滤波器来保证电能质量,并对电网故障进展实时检测,以实现LVRT功能气图1.4风机系统的控制框图对于直驱式风电变流器系统,变流器拓扑常见的有如下几种[3 ]。
图1.5 二极管不控整流+逆变如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器,如图1.8。
利用PWM(脉宽调制)技术不但使电流波形得到很好的控制,而且PWM变流器可以四象限运行。
采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路,发电机可以在很宽的风速X围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。
特别是双PWM 构造的变流器中,能量可以双向流动,使发电机控制的灵活性得到极大提高,通过釆用更多的先进控制策略,极大的提高了系统整体性能。
随着可控半导体功率器件技术的不断开展,双PWM背靠背变流器构造得到越来越广泛的应用。
1.3.2变流器构造设计正如前文所述,由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件(如风沙、严寒、沿海及海上等),同时受限于变流器有限的安装维护空间,对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛,这就对变流器的构造设计与生产提出了更高要求。
直驱式风力发电系统
式中Em —— 电网相电压的幅值； ω —— 电网基波角频率。 对式(2-4)进行化简，整理得到逆变器三相坐标系交流侧数学模 型的状态方程为
从（2-5 ）式可知，三相电路之间相互独立，即三相电压型逆变 器表现为线性解耦系统，通过调节逆变器输出电压ua , ub ,和 u c ，从 而改变交流侧电流ia , ib 和ic 来实现逆变器的控制，从根本上讲就是通 过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位来达到控制的目的； 这种 数学模型有直观、物理意义清晰等优点，但其缺点也较显著，在这种 数学模型中包含时变的交流量，不利于控制系统设计，因此可以转换
式中：id1ref 、iq1ref 分别为 VSC1 电网侧有功电流id1 和无功电流iq1 的 参考值。 Ud1 和Uq1 中 PI 调节器的采用是为了实现变流器输出电流对 目标电流的准确跟踪。将式(5)代入式(1)可得
由式(6)可以看出，引入电流状态反馈可实现 d、q 轴电流的独 立控制，使对电流控制呈现出简单的一阶惯性环节特性。引入的电网
两相同步旋转坐标系中，在坐标轴上的分量是静止直流量，因此 可以简化控制系统的设计，若同步旋转坐标系在初始时刻 d 轴与两 相静止坐标系的 α 轴重合，逆时针旋转 90 °则为 q 轴方向，d 、 q 轴分别表示有功分量和无功分量， 这样就可以独立的控制有功和无 功分量，根据瞬时无功功率理论，将旋转坐标系 dq 中 d 轴按电网 电压矢量方向，从静止坐标系到旋转坐标系的变换，其变换阵必然是 时间的函数，а β 坐标系到 dq 坐标系之间的变换关系如下 ：
图 3-2 给出了利用 VSC1 实现定直流电压控制的外环控制原理，图中 Q ref 和Udcref 分别为被控量的参考输入。由该图可以看出，VSC1 在实 现直流电压恒定控制的同时，亦能够实现对所连接电网的无功调节。
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中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.30 No.30 Oct.25, 2010 ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 15
文章编号：0258-8013 (2010) 30-0015-07 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470·40
180° 3
Y
0°
图 1 多相 PMSG 和三电平混合式全功率变流器 风电技术方案
Fig. 1 Proposal of multiphase PMSG with hybrid three-level full-size converters for wind turbine
S1 D1
S1 D1
D1 S1 D1 Dn1 Dn3 Dn1 S2 D2
KEY WORDS: direct-drive wind turbine; full-size converter; three-level converter
摘要：在兆瓦级直驱风电系统中，发电机定子电压等级通常 采用较低的 690 V，而定子电流等级则很高，给全功率变流 器的设计和制造造成了的困难，特别是效率问题比较突出。 提出一种基于直驱多相永磁同步发电机和三电平混合式变 流器的技术方案，用以替代传统的三相发电机和两电平变流 器并联方案，具有更好的谐波性能和效率。讨论不同变流器 拓扑在方案中的应用及其参数设计方法，并在谐波、效率和 成本方面进行了比较。
(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China)
ABSTRACT: The stator voltage of generator is usually 690 V for large MW direct-drive wind turbine so that the current rating is very high. As a result, the full-size converters are difficult to be designed and manufactured, moreover, the efficiency problem is considerable. This paper proposed a solution based on the multiphase permanent magnet synchronous generator (MPPMSG) with hybrid three-level full-size converters, which is thought as an alternative for the traditional three-phase PMSG with the shunted two-level converters and expected to offer better harmonic properties and efficiency. The paper discussed the parameter design of the different converters used in the proposed system. And the harmonics, efficiency and costs were compared with the traditional two-level system.
1 基于多相永磁同步发电机和 3L 混合式全 功率变流器的风电系统结构
本文提出的基于 MPPMSG 和 3L 混合式背靠背 变流器的系统结构示意图如图 1 所示。图示系统具 有以下几个特点：1）直接通过永磁同步发电机的 多相绕组设计产生多组隔离三相电源，不仅可以简 化变流器的并联，克服零序环流，也能够实现变流 器的串联[3-5]。2）发电机为六相电机，但是每相都
S1
D2
S2 D2 Dn2 Dn4
Dn2 S3 D3
S2 D2 S3 D3
S4 D4
S4 D4
2L
Vienna 整流器 3L-NPC VSC 3L-FLC VSC
图 2 2L 和 3L 变流器一个支路的拓扑原理
Fig. 2 Topologies of one leg of 2L and 3L VSC
(multiphase permanent magnet synchronous generator，MPPMSG)和三电平(three level，3L)混合 式全功率变流器的直驱风电系统方案。这种方案通 过 3L 变流器串联和并联组合替代常规的 2L 变流器 并联方案。串联组合可以提高直流母线电压等级， 使 3L 逆变器工作于中压范围；并联组合则能够克 服 3L 变流器电容中点电压脉动。更重要的是该方 案可以实现较高的变换效率和谐波性能。本文将详 细讨论不同拓扑结构的 3L 变流器在所提方案中的 应用及参数设计方法，并在此基础上对其谐波、损 耗特性及成本与传统的三相发电机和 2L 变流器并 联方案进行比较。
表 1 各种拓扑结构 IGBT 和 diode 的选择
Tab. 1 Selection of IGBT and diode for different converters
拓扑结构 变流器 拓扑类型 变流器组数 直流母线电压/V 实际承压/V IGBT 模块数量
整流器 2L 并联 逆变器
2L 2L
4 4
的拓扑结构原理图，其中包括 Vienna 整流器、电容 中 点 二 极 管 钳 位 变 流 器 (three-level neutral-pointclamped voltage source converter，3L-NPC VSC)和飞 跨 电 容 三 电 平 变 流 器 (three-level flying-capacitor voltage source converter，3L-FLC VSC)[6]。
3L-FLC VSC 的飞跨电容平衡控制采用 on-off 控制策略，其思想是通过检测飞跨电容电压偏离 Udc/2 (Udc 为直流母线电压)的方向，在标准 SVM 调 制器的 7 段开关矢量序列中动态选择冗余矢量来抑 制电容电压的偏离。采用 on-off 策略控制飞跨电容 的电压平衡没有稳定性的问题，而且对于 3L- FLC VSC 也不影响生成的 PWM 波的谐波性能[18]。
的 Boost 电感。4）直流母线电压通过 Vienna 整流
器串联被提高到中压范围，并网逆变器采用 2 组 3L
变流器并联。提高母线电压可以充分利用 3L 变流
器在中压范围的应用优势，一方面降低输出变流器
的电流等级，另一方面减少滤波器的数量。从输出
容量上考虑，一组中压 3L 变流器相当于 2 组低压
16
中国电机工程学报
第 30 卷
包括一对空间相差为 180° 的反向绕组(图 1 中分别
标注为 0° 和 180°，30° 和 210°)。4 个隔离的三相
绕组分别连接 Vienna 整流器，其中反向绕组被用于
2 个 Vienna 整流器并联，以消除电容中点电压脉动。
3）发电机的定子漏抗可直接被用作 Vienna 整流器
在低压大功率风电变换系统中使用 3L-NPC VSC，需要解决大电流条件下变流器电容电压平衡 的问题。造成不平衡的因素包括风能波动和变流器
的关系，空间矢量调制(space vector modulation， SVM)能够实现较高的直流母线电压利用率和优良 的谐波性能。文献[7-11]对 Vienna 和 3L-NPC 变流 器的标准 SVM 调制方式进行了阐述，Vienna 变流
3 变流器的调制方式及电容电压平衡控制
变流器的性能与其采用的调制方式具有很大
器本质上是单极性的二极管中点钳位 3L VSC，因 此两种变流器调制方法非常相似。3L-FLC VSC 的 SVM 调制方式与 3L-NPC 完全相同，区别在于其控 制飞跨电容电压平衡的方式与 3L-NPC 控制直流母 线电容中点电压平衡的方式不同。
2 不同变流器拓扑半导体功率器件的选择
为了将图 1 的技术方案与传统三相发电机和多 组 2L 变流器并联的方案进行比较，本文针对一个 2.5 MW 的风电系统展开研究。根据传统的技术方 案，一个 2.5 MW/690 V 的直驱风电系统可以采用 4 组 2L 整流器和 4 组 2L 逆变器并联来实现，它们公 用中间的直流环节，因此每组变流器的额定相电流 为 523 A。如果采用图 1 的技术方案，每组 Vienna 整流器和 3L-NPC VSC(或者 3L-FLC VSC)逆变器 的相电流也是 523 A。表 1 给出了 2 种技术方案下 功率半导体器件的等级。
关键词：直驱风力机；全功率变流器；三电平变流器
0 引言
兆瓦级以上的风电机组是当前风力发电技术 的主流，目前单机功率已经达到 5 MW 以上，并进 一步向更高的等级发展，以适应未来海上风电的要
基金项目：台达电力电子科教发展计划资助。 Supported by Power Electronics Science and Education Development Program of Delta Environmental & Educational Foundation．
大功率直驱风电系统高效率变流器设计
曾翔君，张宏韬，李迎，房鲁光，杨旭
(西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049)
Design of High-efficiency Converters for Large Direct-drive Wind Turbines
ZENG Xiangjun, ZHANG Hongtao, LI Ying, FANG Luguang, YANG Xu