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器后，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。

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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。

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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。

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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。图中，DDSRF-SPLL (Decoupled Double Synchronous Reference Frame SPLL)为双同步坐标系软件

锁相环，实时检测电网电压的正负序分量角度p s θ和n

s θ。在正常情况的直驱机组发电运行时，机侧变流器实现功率外环和电流内环控制，在实时跟踪给定发电功率控制的前提下，实现无速度传感器矢量控制和定子电流的最优控制；网侧变流器实现直流电压外环和桥臂并网电流的内环控制，在恒定直流支撑电压等于设定

值的前提下，实现桥臂d 、q 轴正序电流p d i 、p q i 和负序电流n d i 、n q i 的解耦控制和

电网电压的前馈控制，实时保证并网电流三相对称控制。

*dc

图9 全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略

二、SVG 退出运行时，全功率风机变流器运行情况

当高压无功功率补偿器退出运行时，全功率变流器是能够正常运行的，前提是总控工作正常，电网运行在合适的设定范围，满足变流器设计的工作范围内，即高压侧不能超过760VAC ，低压正常运行时，不低于690×0.8＝552V 。LVRT 时除外。

三、全功率风机变流器的无功控制原理

全功率风机变流器的网侧部分能够起到并网无功功率调节作用。图10为三相电压型PWM变换电路，对此进行工作模式分析。通过对网侧电流控制可以实现四象限运行。

图10 三相电压型PWM变换器

上图中，Ua表示A相交流电源电动势矢量，Va表示交流侧电压（即桥臂中点

对电网中点的电压）矢量，Ia表示交流侧电流矢量，ULa表示交流侧电感电压矢

量。以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电流矢量即可实现PWM变换器的

四象限运行。PWM变换器四象限运行规律如图11所示。

图11 PWM变换器交流侧矢量关系

(1)电压矢量Va端点在圆轨迹AB上运动，如图11(a)所示。 PWM 变换器运行于整流状态。从电网吸收有功及感性无功功率。在A点运行时，PWM变换器从电网只吸收感性无功功率。

(2)电压矢量Va端点在圆轨迹BC上运动，如图11(b)所示。PWM 变换器运行于整流状态。从电网吸收有功及容性无功功率。当PWM 变换器运行在B点时，则实现单位功率因数整流控制；

(3)电压矢量Va端点在圆轨迹CD上运动，如图11(c)所示。PWM 变换器运行于有源逆变状态。向电网传输有功及容性无功功率。当PWM 变换器运行至C 点时，PWM 变换器从电网吸收容性无功功率。

(3)电压矢量Va端点在圆轨迹DA 上运动，如图11(d)所示PWM 变换器运行于有源逆变状态。向电网传输有功及感性无功功率。PWM 变换器运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。

通过控制交流侧电流矢量Ia,来控制变流器的运行状态。对于机侧的变流器，主要在圆轨迹ABC上运动，工作于整流模式，将发电机输出的电压整流成直流电。对于网侧的变流器，主要在圆轨迹CDA 上运动，工作于有源逆变模式，

将直流电逆变成交流电，送入电网，同时能够实现无功功率调节。

对于交流侧电流矢量的控制，采用解耦控制，将交流侧电流矢量分解成有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制，控制原理如图4所示。

变流器可实现感性和容性无功调节，在正常运行时，提供的无功功率可达到

额定功率的40%。无功功率的调节特性由总控决定，根据当前的电网电压值，可

实现单台机组调节或统一调度调节。

四、风力发电机组在低电压穿越时功率输出特性。

直驱风力发电系统中，电网电压的瞬间跌落会导致网侧变流器输出功率的减

小，如果机侧变流器仍旧实时响应总控转矩信号，能量的不匹配将导致直流母线

电压，这就势必会威胁到网侧与机侧变流器功率器件如开关管、直流支撑电容的

寿命和运行可靠性，因此为瞬间释放发电机馈送到电网的能量，需要网侧、机侧

变流器协调控制撬棒卸荷电路动作，保证系统的平稳投切和稳定运行。同时依据

要求提供一部分的无功功率支持。

在发生低电压穿越时，变流器输出的功率与电网电压跌落的深度和总控下发

转矩值有关。由于变流器功率器件的过载能力有限，并网电流大小受到限制，当

电网电压跌落时，电流维持一定值时，跌落深度越深，并网功率越小。变流器并

入电网的有功功率由机侧决定，总控下发转矩越小，并入电网的功率越小。

同时，考虑到无功功率支持的要求，在发生低电压穿越时，除了正常的有功

电流送入电网外，还需要送入电网一部分无功电流，以变流器额定电流为限制条

件，在发生低电压穿越时,无功电流满足

I≤及投入电网的视在电流

_

q ref

值不超过变流器的额定电流值。