全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
永磁同步风力发电系统的组成、工作原理及控制机理
永磁同步风⼒发电系统的组成、⼯作原理及控制机理永磁同步风⼒发电系统的系统基本组成、⼯作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风⼒发电系统主要采⽤如下结构组成：风⼒机（这⾥概括为：叶⽚、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。
其中全功率变流器⼜可分为发电机侧整流器、直流环节和电⽹侧逆变器。
就空间位置⽽⾔，变流器和风机总控系统⼀般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。
2.⼯作原理：系统中能量传递和转换路径为：风⼒机把捕获的流动空⽓的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风⼒机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化⽽变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电⽹同步的可控电能并馈⼊电⽹，从⽽最终实现直驱系统的发电并⽹控制。
3.控制模式：风⼒发电机组的控制系统是综合性控制系统。
它不仅要监视电⽹、风况和机组运⾏参数，对机组运⾏进⾏控制。
⽽且还要根据风速与风向的变化，对机组进⾏优化控制，以提⾼机组的运⾏效率和发电量。
风⼒发电控制系统的基本⽬标分为三个层次：分别为保证风⼒发电机组安全可靠运⾏，获取最⼤能量，提供良好的电⼒质量。
控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运⾏主控制器、功率输出单元、⽆功补偿单元、并⽹控制单元、安全保护单元、通讯接⼝电路、监控单元。
具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、⾃动最⼤功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、⾃动解缆、并⽹和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
⼀、系统运⾏时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个⽅⾯：⾃动对风、⾃动解缆和风轮保护。
1)⾃动对风正常运⾏时偏航控制系统⾃动对风，即当机舱偏离风向⼀定⾓度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，⾃动对风停⽌。
2)⾃动解缆当机舱向同⼀⽅向累计偏转2~3圈后，若此时风速⼩于风电机组启动风速且⽆功率输出，则停机，控制系统使机舱反⽅向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不⾃动解绕；若机舱继续向同⼀⽅向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障⾃动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，⾃动停机，等待⼈⼯解缆操作。
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略CATALOGUE 目录•全功率变流器风电机组概述•全功率变流器风电机组的工作原理•全功率变流器风电机组的控制策略•全功率变流器风电机组的性能评估与优化•全功率变流器风电机组的发展趋势与挑战CHAPTER全功率变流器风电机组概述风能发电简介风能是一种清洁、可再生的能源，具有广泛的应用前景。
风力发电技术经过多年的发展，已经逐渐成熟并被广泛应用于电力领域。
风能发电的基本原理是利用风能驱动风力发电机转动，进而驱动发电机产生电能。
全功率变流器是风电机组中重要的组成部分，主要作用是将风力发电机产生的电能进行变换和调节，以满足电网的需求。
全功率变流器具有高效率、高可靠性、高灵活性等特点，能够有效提升风电机组的整体性能。
全功率变流器的作用风电机组与电网的交互风电机组需要与电网进行良好的配合，以保证电能的质量和稳定性。
风电机组需要适应电网的运行要求，如电压、频率、相位等参数，以保证风电场的稳定运行。
风电机组与电网的交互是实现风能发电的重要环节之一。
CHAPTER全功率变流器风电机组的工作原理风轮齿轮箱将风轮的转速提升，并将其传递给发电机。
齿轮箱通常位于风轮和发电机之间。
齿轮箱发电机01020303开关全功率变流器的电力电子器件01整流器02逆变器最大风能追踪电力控制全功率变流器的控制原理CHAPTER全功率变流器风电机组的控制策略最大风能追踪控制变速恒频控制1直交轴电流控制23直交轴电流控制是一种用于抑制风电机组运行过程中产生的谐波电流的控制策略。
该控制策略通过实时监测发电机电流，将其中谐波电流分量消除或减弱，以减小谐波对电网的污染。
直交轴电流控制通常采用PWM整流器来实现，通过控制PWM的占空比和相位，实现谐波电流的抑制和功率因数的优化。
矢量控制策略CHAPTER全功率变流器风电机组的性能评估与优化性能评估方法发电效率评估01电网稳定性评估02抗干扰能力评估03控制策略优化最大风能追踪控制滑模变结构控制电力电子器件的优化与保护电力电子器件的选型与配置全功率变流器风电机组需要选择适当的电力电子器件，如IGBT、IGCT等，并配置相应的保护电路，以确保其在高电压、大电流等极端环境下能够安全、可靠地运行。
风力发电机组变流器基本原理
1、双馈型风力发电系统的运行原理双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。
其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。
通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。
双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用，因此又名交流励磁发电机。
双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。
正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。
图1、双馈风力发电系统结构图双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式：12r n n n =±2160f n n f r p ±=1211r n n n s n n −==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，ss n n n s −=为发电机的转差率。
由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。
当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。
全功率风机变流器介绍
全功率风机变流器介绍一、全功率变流器控制原理全功率风力发电系统主体电路结构，如图1所示。
发电机的输出端连接变流器的机侧，变流器的网侧输出经升压变后，连接电网。
图1全功率风力发电系统主体电路结构。
随着风速的变化，发电机的转速也变化，因此发电机输出的电压幅值和频率是变化的，而电网的电压幅值和频率是恒定的。
为了将发电机输出的频率和幅值变化的交流电送入到电网，变流器起到中间纽带环节的作用。
首先将发电机输出的交流电经机侧变流器部分整流成直流电，再经由网侧变流器部分逆变成交流电送入电网。
图2为全功率风力发电功率控制原理图，风机总控依据当前的风况，通过变桨和偏航控制叶片吸收的机械能，获得发电机的转矩量。
然后将转矩量值下发给变流器。
变流器根据总控下发的转矩指令，控制对发电机电能的抽取，从而控制并网电流大小。
总控依据当前风况，下发发电机转矩指令。
变流器响应转矩指令，控制并网功率。
图2 功率控制原理图对于机侧的变流器部分，在无速度传感器控制技术的基础上，采用基于定子电流定向的复合矢量控制技术，实现最大转矩电流比矢量控制的控制性能。
图3为发电机的控制矢量图。
图3 发电机控制矢量图对于网侧的变流器部分，采用电流解耦控制技术及并网电流对称控制技术。
通过对并网电流的解耦，将并网电流分解为有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制。
同时为实现三相并网电流的对称控制，将负序的有功电流和无功电流控制为零。
控制结构框图如图4所示。
*dc图4 网侧变流器控制框图根据机侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图5为机侧变流器的主体电路结构，图6为转换为数学模型的机侧控制框图。
V图5 机侧变流器主体电路结构图6机侧变流器控制数学模型框图根据网侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图7为网侧变流器的主体电路机构，图8为为转换为数学模型的网侧控制框图。
V0图7 网侧变流器主体电路结构图8 网侧变流器控制数学模型框图全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略如图9所示。
风电机组变流器与控制
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G2
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G3
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G4
G5
G6
uc
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Ua、Ub、Uc为转子三相 电压；也可以看做电网。
North China Electric Power University
变流器
双馈发电机转子交流励磁控制
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直流母线
+
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Ua、Ub、Uc为转子三相 电压；也可以看做电网。
变流器
一、双馈发电机转子励磁调节 二、直驱发电机输出调节
North China Electric Power University
变流器
目前通常采用双PWM(脉宽调制)控制的交-直-交电压型变频器，该变流器 由电网侧变换器和机侧变换器所构成，因此也常称为“背靠背”变换器 (back-to-back converter)或双PWM变换器。由于双PWM变换器的主电路拓 扑方案已经非常成熟，因此其体积小、成本低，技术上实现可靠，借助于成 熟的PWM控制技术，在变换器中对电网侧变换器和机侧变换器均采用可控 PWM进行控制，可以将整个系统对电网和发电机的谐波污染控制得非常低， 同时具有较高的功率因数。不仅如此，通过PWM控制还可以非常容易地实 现四象限运行，满足发电机转速变化时励磁功率双向流动的要求。因此双 PWM变换器具有优良的输入、输出特性和能量双向流动等特点，在交流励 磁发电技术中获得了广泛的研究并逐步成为首选的交流励磁电源
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全功率变流器介绍
43
l 车载振动试验 l 正弦振动试验 l 随机振动试验
振动测试
44
电磁兼容测试
静电放电枪
l 静电放电 l 电快速瞬变脉冲群
l 射频电磁场辐射抗扰度试验
l 射频场感应传导抗扰度试验
接收机（人工电源网络）
45
综合测试仪
综合测试
l 浪涌（冲击）抗扰度试验 l 电压跌落试验 l电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 l 电压跌落试验
盐雾环境 • 适应严酷的风场运行
30
采用先进的控制技术
双PWM控制， 四象限运行， 确保低风速时 多发电
自适应无速度传 感器控制方法， 精确检测发电机 转速，实现磁场 定向
复合矢量控制技 术，快速实现 MPPT控制，提 高发电效率
自动软并网、软 解列控制，对电 网冲击小
31
完善的保护功能
具有完善的保护功能 配置有源撬棒，支持LVRT功能。
40
通过了电科院实地检测和用户报告
41
测试项目
外观结构
功能测试
电磁兼容 （EMS）
性能测试
变流器 测试项目
安规检查 环境试验
运输振动
防护
42
高低温交变湿热试验箱（21m3 ） 高低温湿热试验箱（1m3 ）
环境测试
l 恒温试验 l 高低温交变试验 l 恒定湿热试验 l 交变湿热试验 l 盐雾试验
WT1600 数字功率计
46
内容导航
阳光风电简介 WG2000KFP变流器
测： 六鳌位于福建省漳州市，是大陆的边缘地带即半岛地形， 岛上环境优美、风力资源丰富，发展潜力巨大。
产品应用： 我公司2MW全功率水冷 风机变流器，在风场运 行稳定，并通过电科院 测试。
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略全功率变流器是一种将风力发电机产生的交流电能转换为电网所需的直流电能的电子装置。
它的主要功能是实现风电机组的功率调节、保护以及与电网的连接。
全功率变流器由三个主要的模块组成：整流器、逆变器和控制单元。
整流器模块将风电机组产生的交流电能转换为直流电能，通过控制交流电能的整流部件（如晶闸管或IGBT）的导通角度，可以实现对输出直流电压的控制。
整流器的输出直流电压通过一个滤波电容进行平滑，以减小输出的脉动。
逆变器模块将整流器输出的直流电能转换回交流电能，通过控制逆变部件（如IGBT）的开关状态和频率，可以实现对输出交流电压和频率的控制。
逆变器的输出交流电能经过一个输出滤波器进行滤波，以去除输出的高次谐波。
控制单元对整个全功率变流器进行监测和控制。
它通过读取风电机组和电网的各种参数，如转速、电压、电流等，来实现对整流器和逆变器的控制。
控制单元采用先进的控制算法，如PID控制算法，来实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
调频控制方式是通过控制风电机组的转速来实现对输出功率的控制。
该控制方式根据电网的需要，调节风电机组的转速，以使输出功率与电网的需求匹配。
调频控制可以使风电机组在不同的风速下运行在最佳转速范围内，提高风电机组的发电效率。
功率控制方式是通过控制全功率变流器的输出功率来实现对风电机组的控制。
该控制方式通过调节变流器的导通角度或输出电压，以控制风电机组的输出功率。
功率控制可以使风电机组根据电网的需求进行平稳的功率输出，提高电网的稳定性。
此外，全功率变流器还具有多种保护功能，如过电流保护、过电压保护、过温保护等，以确保风电机组和电网的安全运行。
控制单元还可以实现对功率输出的统计和调度，以优化风电机组的运行效果。
总之，全功率变流器通过整流器和逆变器的转换作用，将风力发电机产生的交流电能转换为电网需要的直流电能，并通过控制单元的监测和控制实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
风电体系变流调控策略
风电体系变流调控策略1引言由于直驱永磁同步风力发电机组与电网之间通过背靠背（双PWM）全功率变流器实现了隔离，在发生电网电压跌落时，如果采取相应的措施，可使风力机与发电机的运行基本不受电网故障的影响，从而使系统在故障消除后能迅速恢复正常工作，因此直驱永磁风电机组在低电压运行能力上相对于双馈风力发电机组具有一定的优越性[1-6]，因而获得了海上风场的青睐。
在直驱风电系统中，传统的控制策略是，机侧变流器实现对永磁同步发电机的无功、有功功率的解耦控制[1-5]，网侧变流器实现输出并网和直流侧电压控制。
当风电机组在额定运行情况下发生电网电压跌落时，变流器的电流将会增加，考虑到变流器热容量有限，必须对变流器的电流进行限制；这样一来就会使得直流母线环输入功率大于输出功率，直流侧电压将会升高。
当电压跌落幅度较大时，如果直流侧不采取措施，就会损坏变流器和直流环电容[5-7]。
目前有许多文献对直驱风电机组在电网故障下的保护策略进行了研究，比较适用的方法是在直流母线上接耗能电阻[2-4]。
有时也通过在机侧变流器和网侧变流器之间设计一个交叉耦合控制器[8]，当出现电网故障时，将故障信号传递到机侧变流器，机侧变流器开始对发电机功率进行控制以避免直流电容器内部的功率剩余。
另外，由于驱动链的扭矩特性，当系统受到激励，如风速变化或端电压变化时，变速风轮的发电机速度容易出现振荡[9,10]。
由于直驱永磁同步发电机的结构特点，不能像传统的方法那样在同步发电机中安装阻尼绕组去抑制速度振荡，因此必须从功率变流器控制方面采取措施。
目前国内直驱风机的控制策略中还未考虑这个问题。
本文提出了一种新的控制策略，即机侧变流器控制直流母线电压Udc和发电机定子电压Us，而用网侧变流器控制流向电网的有功和无功功率[11]，并对电网故障时功率变流器的控制和保护策略进行研究；最后用仿真和实验方法对该控制策略的可行性进行了验证。
2新型直驱风电系统控制策略采用新型控制策略的直驱永磁同步风电系统（DDPMSG）控制框图如图1所示，控制包括两个大部分：桨距角控制系统和功率变换器控制系统。
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第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 (2)
5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 (2)
5.1.2同步发电机 (2)
5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 (5)
5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 (18)
5.2 全功率变流器风电机组变流器 (19)
5.2.1 电机侧变流器控制策略 (20)
5.2.1 电网侧变流器控制策略 (21)
5.1 全功率变流器风电机组的工作原理
5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式
随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。
例如：额定功率为5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。
当发电机为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连，机械齿轮箱变速比应为150。
齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造提出了挑战。
风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。
作为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。
全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。
这两个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。
发电机侧变换器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。
发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。
电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。
根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制功率因数或支持电网电压。
5.1.2同步发电机
发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。
同步发电机主要包括定子和转子两部分。
定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。
转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。
同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。
发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。
同步发电机是一种转子转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。
同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。
磁极有凸极和隐极两种结构。
凸极转子结。