风电场电气工程 第8章 风电场中的电力电子设备

模拟电子技术
信息电子技术
数字电子技术
电力电子技术
应用于电力领域，即使用 电力电子器件对电能进行 变换与控制
2. 电力
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交流电（常用） 直流电（不常用）
火电厂、水电站、风电机组； 各种电动机
太阳能光伏发电 ； 电铁的牵引机车
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
❖ （1）容量 ❖ 双馈型系统的变流器容量（相当于转差功率）一般只占发
电机组额定功率的30％左右，体积和重量较小，因而具有 较低的成本。直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的 容量需要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而 具有较高的成本。 ❖ （2）结构 ❖ 直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间，功率 输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入电网。因此 可以考虑采用低成本的不控或半控器件。
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
❖ 无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组， 一个称为功率绕组，直接连接电网；另一个称为控制绕组， 通过双向换流器连接电网。其作用分别相当于交流励磁双 馈发电机的定子绕组和转子绕组，并网换流器也要求是双 向换流器。
(c) 发电机侧为不可控整流＋Boost升压 图8-13 直驱式风电机组并网换流器的常见设计方案
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
图8-14 交流励磁双馈式风电机组结构示意图
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§ 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
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图8-8 正弦波的两种PWM波形
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§ 8.1.4 PWM控制
计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination）
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
❖ 双向换流器的电网侧和电机侧两个部分，都用可控器件实 现，均采用PWM控制方式，因此又称为双PWM变流器。双 PWM变流器的主电路结构如图8-15所示。
图8-15 双PWM型变换器主电路结构图
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3. 电力电子 设备作用
交流电
直流电
转换
电压频率
电压频率
电源
输配电网
用电设备
转换
转换
无功补偿、电压控制
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§ 8.1.2 电力电子器件
电真空器件
电力电子器件
不可控器件：电力二极管（Power Diode）
半导体器件 半控型器件：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
变压器、变频器 移相器
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§ 8.1.4 PWM控制
PWM控制的理论基础是面积等效原理， 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同。 这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波形图上的面积；效 果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
❖ 交流励磁双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励 磁电流所在的转子绕组之间。
❖ 无刷双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电 流所在的定子控制绕组之间。
❖ 以上两种双馈式系统，变流器中的功率流动都要求是双向 的，因此要求按双向变流器设计，即两侧变流器都应采用 全控器件，实现双PWM控制。
风电场电气工程 第8章 风电场中的电力电子设备
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第8章 风电场中的电力电子技术
❖8.1 电力电子技术基础 ❖8.2 风电机组并网换流器 ❖8.3 无功补偿与电压控制装置
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§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
1. 电子技术
❖ 其容量也仅为发电机容量的一小部分，类似于交流励磁双 馈式风电机组的并网换流器。除了可实现变速恒频控制， 降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控 制，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又 提高了运行的可靠性。
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
全控型器件 电力场效应晶体管（MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
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§ 8.1.3 变流技术
实现 整流：交流变直流（AC-DC）
整流器
电力变换
实现 逆变：直流变交流（DC-AC）
实现 斩波：直流变直流（DC-DC）
逆变器 直流斩波器
实现 变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC）
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§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
8.3.3 静止同步补偿器(STATCOM)
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§ 8.3 无功补偿与电压控制装置 § 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
图8-12 带有并网换流器的直驱式风电机组示意图
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
(a) 发电机侧为不可控整流 (b) 发电机侧为可控整流
u
uc
ur
PWM波形 生成方法
调制法
O
t
u
Ud
O
跟踪控制法
t
Ud
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§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
8.2.4 风电机组并网换流器的总结
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