永磁风力发电机全功率变流器

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直驱型永磁同步风力发电系统变流器的控制研究

直驱型永磁同步风力发电系统变流器的控制研究

三、直驱型永磁同步风力发电系 统变流器的控制策略
控制策略是直驱型永磁同步风力发电系统变流器的核心,其目的是在风速变化 和负载变化的情况下,保持系统的稳定性和效率。以下是几种常见的直驱型永 磁同步风力发电系统变流器的控制策略:
1、最大功率点追踪(MPPT):MPPT控制策略的目的是在风速变化的情况下, 使风力发电机始终工作在最大功率点附近。通过实时监测风速和发电机输出功 率,并调整功率变换器的控制参数,使发电机输出功率与风速对应,以实现最 大功率点的追踪。
3、混合控制
混合控制是一种将直接电流控制和间接电流控制相结合的控制方法。该方法结 合了直接电流控制的高效性和间接电流控制的稳定性优点,能够更好地实现变 流器的控制。在混合控制中,可以通过调节PI控制器和发电驱型永磁同步风力发电系统变流器控制方法进行了深入研究,介 绍了直接电流控制、间接电流控制和混合控制三种常见的控制方法。这些控制 方法在实现变流器的高效控制和提高系统稳定性方面都具有重要作用。随着风 电技术的不断发展,我们可以进一步研究更先进的变流器控制策略,以提升直 驱型永磁同步风力发电系统的性能和稳定性。
5、系统集成与优化:研究如何将各个系统部件进行更好的集成和优化,以实 现整个风力发电系统的最优化。
6、网络安全与可靠性:随着风力发电系统变得越来越复杂,如何确保其网络 安全和可靠性将成为一个重要的研究课题。需要研究有效的防护措施和容错策 略来应对潜在的网络攻击和故障。
参考内容
随着人们对可再生能源的需求日益增长,风力发电技术在全球范围内得到了快 速发展和广泛应用。直驱型永磁同步风力发电系统由于其高效率、低噪音等优 点,逐渐成为了风力发电领域的研究热点。在直驱型永磁同步风力发电系统中, 变流器控制策略对于提高系统效率和稳定性具有重要意义。本次演示将对直驱 型永磁同步风力发电系统变流器控制方法进行深入研究。

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。

【风力发电机组主要系统】变流器介绍(中级)

【风力发电机组主要系统】变流器介绍(中级)
在放电过程中,开关断开(三极管截止) 时,电感开始给电容充电,电容两端电压升高, 升压完毕。
直接控制发电机转矩,动态响应好, 发电机端电流THD小。
发电机转矩不直接控制,直流侧斩波环 节可采用多重化,动态响应慢,定子电 流谐波大。
全功率变流器电气组成:1、电网侧变流器回路
2、电机侧变流器回路 3、直流侧卸荷单元
回路、定子开关等构成
启动时直流侧电压已稳定建立,电网侧主回路开关闭合, 此时闭合电机侧定子开关,电机侧PWM变换器开始调制
平波电抗器
NPR 2
MPR 2
Du/dt 接触器 2
熔断器
G2
S2
断路器
MPR 1 S1
Chopper
Du/dt
接触器 1
定子
发电机
定子电压 PWM
直流卸荷回路:由直流侧卸荷IGBT开关及释能电阻构成。
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
双馈型变流器控制原理
由交流异步发电机的原理可得下面关系式:
f1
fr
fs
np 60
fs
其中f1为定子电流频率,n为转速,p为电机极对 数,fs为转子励磁电流频率,由该公式可知,当发 电机 转速变化时,若控制转子供电频率fs相应变化 ,可使f1保持不变,与电网电压保持一致,这就是 交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。
并网点电压(pu)
电网故障引起电压跌落
1、不脱网要求:风电场并网点电压跌
1.0 0.9
要求风电机组不 脱网连续运行
至20%标称电压时,风电场内的风电机 组能够保证不脱网运行625ms;风电场 并网点电压在发生跌落后2s内能够恢

风力发电机变流器及其低电压穿越概述

风力发电机变流器及其低电压穿越概述

风力发电机变流器及其低电压穿越概述导语:本文从三种典型风电系统出发,包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。

根据齿轮箱结构及发电机类型,讨论了目前的风电系统结构,并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。

1 引言近年来随着能源危机与环境问题的日益突出,世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业,其相关技术发展很快,从失速型到变速恒频风电系统,从有齿轮箱到直接驱动型风电系统,我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长。

为提高风能利用效率,降低风电成本,风电机组单机容量大型化是风电技术发展的大趋势,采用变速变桨距调节技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征;在目前的变速恒频风电系统中,使用双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,dfig)的双馈型风电系统市场份额最大,使用永磁同步发电机(permanent-magnet synchronous generator,pmsg)的直驱型系统发展很快。

随着风力发电装机容量的不断增大,其对电网的影响已经不能忽略,很多国家制订了新的风电并网规则,对低电压穿越与无功支持等功能进行了规定,我国也将会有类似的规则出台[1-3]。

本文从三种典型风电系统出发,包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。

根据齿轮箱结构及发电机类型,讨论了目前的风电系统结构,并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。

对作为风力发电与电网接口的风电变流器进行了说明,随着风电机组单机容量的增大,大功率多电平变流器将会得到较多应用;对风电系统低电压穿越及无功功率支持等进行了分析。

针对风电系统发电机、变流器和低电压穿越能力等,介绍了不同风电公司的相关产品与技术。

2 几种典型风力发电系统风力发电系统,根据发电机转速,可以分为失速型与变速恒频型,其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型;根据传动链组成,可以分为有齿轮箱和直接驱动型,有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。

全功率风机变流器介绍

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。

全功率变流器介绍

全功率变流器介绍
盐雾试验箱
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。

永磁直驱风电系统变流器拓扑分析

永磁直驱风电系统变流器拓扑分析

第28卷第4期2008年4月电力自动化设备ElectricPowerAutomationEquipmentV01.28No.4Apr.2008够J^永磁直驱风电系统变流器拓扑分析胡书举1.2,李建林1,许洪华1(1.中国科学院电工研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:永磁直驱风电系统变流器为永磁同步发电机和电网的接口。

对其常用的拓扑进行了详细的分析和说明,包括不控整流+逆变器、不控整流+DC/DC变换+逆变器、背靠背双PWM变换器等拓扑,对其工作原理、应用和优缺点进行了介绍和对比,并针对风电机组对大功率变流器的需求.对大功率拓扑结构的特性和应用进行了详细的介绍。

不控整流+Boost变换+并网逆变器和背靠背双PWM变换器2种拓扑是目前的优选方案。

多电平变换器因其优良的性能将具有良好的发展前景。

关键词:直驱式风电系统;永磁同步发电机;变速恒频;双PWM变换器;多电平变换器中图分类号:TM764文献标识码:A文章编号:1006—6047(2008)04—0077—05O引言在目前的变速恒频风电系统中。

使用双馈感应发电机DFIG(Doubly..FedInductionGenerator)的双馈式系统占据主流地位。

而使用永磁同步发电机PMSG(PermanentMagnetSynchronousGenerator)的直驱式系统也正在得到越来越多的应用。

双馈式系统,其变流器容量只占系统额定功率的30%(滑差功率)左右,电机高速运行,体积和重量较小,因而具有较低的成本;直驱式系统需要全功率变流器,变流器容量即为系统额定功率。

所需的低速PMSG体积和重量较大,因而具有较高的成本[11。

但是双馈式系统需要增速齿轮箱,大量应用表明,齿轮箱是风电系统中最容易发生故障的组件之一,并且维护复杂,噪声较大;永磁直驱式风电系统采用低速PMSG,结构简单,不收稿日期:2007一03—19;修回日期:2007—07—18基金项目:中国博士后科学基金项目(20060390092)需要齿轮箱,机械损耗小,效率高,便于维护,不需要外部励磁。

永磁风力发电机组斩波器型全功率并网变流技术研究

永磁风力发电机组斩波器型全功率并网变流技术研究

I
Absresent, variable speed constant frequency wind power system has become the main trend of wind power development with its obvious advantage in wind power converter system connected to grid. In the various implementations of variable speed constant frequency wind power system, there are two converter system topologies of the wind power market in the current main stream: double-fed induction wind generator system and permanent magnet direct drive wind power system. Among them, because of eliminating susceptible to failure the gearbox, the direct drive permanent magnet synchronous wind power system improves power system stability and reliability, and has a rapid development. Firstly, this paper analyses different topologies of direct-drive wind power system, and gives advantages and disadvantages of various topological structures. And then, the wind turbine, permanent magnet synchronous generator, three-phase uncontrolled rectifier, the Boost circuit, voltage source full-bridge inverter circuit compose of the main circuit as the background. For the boost chopper-based direct-drive wind power system, this paper analyses mathematical models of the wind power system various parts in detail, as the foundation for the later chapters. In order to capture wind energy as much as possible, maximum power point tracking techniques are more and more attention. After the introduction of several common maximum power point tracking algorithms, the presented tracking method used in this paper is given: by regulating the duty cycle of the boost circuit to achieve the maximum power tracking, but this method is mainly applied to the rated wind speed the following. For more than rated wind speed, variable pitch control technology is adopted. Next, control strategies connected to grid are studied, using the program of the voltage directed to achieve the unity power factor, DC voltage control and stability, so smoothly the whole system into the grid. Finally, this article studies the two interleaved Boost control, which effectively improves the magnification and adjusts the duty cycle and reduces the current ripple, achieving current sharing. Using Matlab/Simulink to establish a simulation model of the above control strategies, the feasibility of the control strategies is verified. Keywords: direct drive wind power generation; variable speed constant frequency; maximum power point tracking; boost chopper; Interleaving

金风1.5MW Freqcon 变流器

金风1.5MW Freqcon 变流器

金风 1.5MW Freqcon 变流器1.引言变流器系统是金风直驱风电机组重要部件,也是永磁直驱机组故障率较高的部分,它的运行工况很大程度上决定机组可利用率,日常维保工作中变流器系统是重中之重,本人从事永磁直驱风电机组运维工作多年,针对变流器系统总结了一些现场维保经验,分享给大家,希望对现场全功率机组变流器运维工作有一些帮助。

关键词:IGBT功率模块、变流板、ACS510变频器2、1.5MW Freqcon 变流器组成及作用2.1 Freqcon变流器组成变流器主柜由五部分组成,即低压柜、主控柜、IGBT1柜、IBGT2柜、制动柜。

Freqcon变流器冷却方式为强迫风冷。

柜体内设计自动控制加热除湿装置,保证机组在-30℃环境下功能模块安全启动运行。

2.2 Freqcon变流器作用金风1.5MW Freqcon变流器I型采用风冷形式散热,适用于1.5MW直驱永磁风力发电机组。

Freqcon变流器采用IGBT功率控制单元,结合PWM控制技术实现风力发电机与电网之间功率传递和能量转换。

机侧采用全控形式IGBT功率模块,利用SPWM技术实现机组输出功率控制,保证机组结合实时风速获取最大风能,实现机组高效率运行。

网侧变流器采用三相四线制拓扑结构,利用控制脉冲交错并联技术,结合LCL滤波电路,实现高质量电能输出。

3、Freqcon变流器系统部件介绍3.1 变流器功率模块Freqcon变流器网侧和机侧共有13个IGBT功率模块,一组直流母线系统、一套Chopper制动斩波装置。

其中IGBT编号1~6#为网侧逆变电路功率模块,位于IBGT1柜内;IGBT7#为Chopper制动斩波电路使用,位于制动柜内;IGBT编号8~13#为机侧整流电路功率模块,位于IGBT2柜内。

3.2 变流控制器Freqcon变流器核心控制部分位于控制柜体内,主要由变流控制器和PLC模块共同组成。

变流控制器又称变流板(后文中均称变流板),是整个变流器控制核心部件。

永磁直驱风力发电系统及变流器控制措施

永磁直驱风力发电系统及变流器控制措施

永磁直驱风力发电系统及变流器控制措施摘要:随着我国经济水平以及工业化、机械化水平的不断提高,社会公众的日常生活与工厂生产对于能源的需求越来越大。

但我国的能源消费与能源储备却逐渐呈现不匹配的趋势,传统能源不仅存在着环境污染等问题,也在消耗中逐渐面临紧缺的危机。

因此,我国社会对于新能源的开发十分重视,在众多新能源之中,风力发电作为高效方便且有一定操作性的能源得到了广泛关注,本文也将结合金风科技生产的发电系统对于永磁直驱风力发电系统以及相关的变流器进行深入研究。

关键词:风力发电;永磁直驱风力发电系统;变流器引言:在众多新能源开发中,风能作为清洁有效且又具有操作性的能源在我国的部分地区得到了深入的研发,而在风力发电系统中,永磁直驱风力发电系统是我国目前研发的风力的最新科研成果之一,它具有稳定且安全的发电系统、对于风能资源的利用率和发电效率也十分高,除此之外,永磁直驱风力发电系统还具有简单方便的操作方式等特点,因此成为了我国风力发电系统的首选,甚至出口海外。

一、永磁直驱风力发电系统在我国的能源分布中,传统能源分布十分不均,且资源日益稀缺。

因此,各式的新能源作为传统能源的替代品,在我国的能源消费中逐步占据有利地位。

而在我国的新能源种类中,研究人员对于风能的开发取得了一定的进展,本文也将进行主要探讨。

在风力发电中,主要包含风力机和发电机两大部分,而我国的风力发电系统正是在这两部分的基础上进行的相关研究。

在传统的风力发电系统中,大多采用异步式发电机,这种发电机在进行风力发电时耗费的风能大,资源转换利用率低,在使用方面并不方便[1]。

而永磁直驱风力发电系统相较于传统的风能发电系统,减去了累赘繁重的部件,扩大了系统容量,不仅提高了资源的转换率,更有助于减少在整个转换过程中的能耗,也因此成为了我国目前风力发电的首选。

二、永磁直驱风力发电系统的优点在我国工业现代化转型的过程中,我国的风力发电系统也经历着转型,和传统的风力发电系统相比,永磁直驱风力发电系统在许多方面都有着独特的优势。

一种新型的风力发电全功率变流器

一种新型的风力发电全功率变流器

一种新型的风力发电全功率变流器陈杰;龚春英;陈家伟;张方华;严仰光【摘要】Abstract A novel full-size power converter which consists of a machine side auto-transformer rectifier unit (ATRU) and grid side Z-source inverter(ZSI)is proposed in this paper. The power converter owns the merits of simple structure, high reliability, and high efficiency, which could cater for the off shore wind turbines where high reliability is required. The operational principle of the ATRU and ZSI is briefly introduced. Some design rules are concluded based on the feasibility analysis of applying ATRU to variable speed wind turbines. Then, the relationship between input voltage and dc link voltage of ZSI is carefully discussed, which decides the design requirements of PMSG and inverter A control strategy including the functions of maximum power point tracking (MPPT) function and dc link voltage stabilizing is devised for the wind energy conversion system (WECS), based on the proposed full-scale power converter, and the input voltage feed forward control method is adopted for the ZSI. to improve the dynamic performance of do link peak voltage. Finally, a simulation case is implemented, and the simulation results show the correctness and feasibility of the proposed power converter and its control strategy.%提出了一种新型的风力发电全功率变流器,由电机侧自耦调压整流器(ATRU)和网侧z源逆变器(ZSI)组成,具有结构简单、可靠性高、转换效率高等优点,为风力发电系统提供了一种可选的解决方案。

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
实验设备与仪器
实验中需要使用的设备包括风力发电机组、全功率变流器、扭矩传感器、转速 传感器、功率分析仪等。
控制策略的实验验证
控制策略设计
根据风速和转速等参数,设计适合的控制策略以实现最大功 率跟踪和优化控制。
控制策略实现
将控制策略应用于全功率变流器风电机组的实验平台,通过 调节全功率变流器的输出电流或电压来实现对风电机组的控 制。
风电机组与电网的交互
风电机组与电网的交互是实现风 能发电的重要环节之一。
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。
02
全功率变流器风电机 组的工作原理
风力发电机组的机械系统
风轮
风力发电机组的核心部件,捕捉风能并转化为机 械能。
全功率变流器风电机组的控制策略对 于实现高效稳定运行至关重要。现有 的控制策略仍有优化空间,以提高机 组的响应速度和鲁棒性。
03
并网技术
全功率变流器风电机组的并网技术需 要进一步研究,以实现与电网的协调 运行,确保电力系统的稳定性。
未来发展趋势与研究方向
智能化控制
随着人工智能技术的发展,全功率变流器风电机组的智能化控制将成为未来的发展趋势。通过引入人 工智能算法,实现机组的自适应调节,提高运行效率与可靠性。
灵活并网
全功率变流器风电机组可以实现灵活并网,提高电力系统的稳定 性与可靠性。
定制化设计
全功率变流器风电机组可以针对不同客户需求进行定制化设计, 满足多样化的电力需求。
技术挑战与解决方案
01
电力电子器件
02
控制策略
全功率变流器风电机组的核心部件是 电力电子器件,其性能直接影响机组 的工作效率与可靠性。目前,电力电 子器件的散热和损耗问题仍需进一步 优化。

永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制

永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制

永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制近年来,风力发电技术取得了显著的进步,并逐渐成为新能源应用技术中的一个重要分支。

本文以安徽省“十五”科技攻关项目和国家“十一五”科技支撑项目为依托,对风力发电应用技术中的永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制技术进行研究。

在永磁同步风力发电机的数学模型、永磁同步风力发电机模拟器、永磁同步风力发电机的控制策略及其控制性能、永磁同步风力发电机无速度传感器控制、永磁同步风力发电机参数辨识、永磁同步直驱系统实验室模拟、直驱系统用全功率风机变流器的控制时序及全功率风机变流器的网侧、机侧变流器的协调控制等方面进行了深入研究,并获得了一些具有创新意义的科研成果。

本文主要研究内容及创新点可概括如下:1、针对直驱系统采用的永磁同步风力发电机的电气结构和论文研究关注的重点,建立了三相和六相永磁同步风力发电机的数学模型,并重点分析了各自的特点。

根据理论分析的模型方程,利用Matlab/Simulink建立了永磁同步风力发电机的通用仿真模型,并采用具体电机参数,给出了相关的仿真结果,三种模型的建立为后续针对永磁同步风力发电机控制策略和无速度传感器控制方法的研究建立了理论和仿真平台。

2、提出了一种兆瓦级永磁同步风力发电机模拟器:根据兆瓦级永磁同步风力发电机的数学模型,可获取不同转速状态下的发电机定子电压和定子电流方程,通过控制三相电压型PWM变流器来近似模拟发电机的这种定子输出电压和电流特性,可达到验证全功率风机变流器带载特性和带载能力的目的,文中详细给出了发电机模拟器的控制系统设计并仿真验证了所提方案的可行性。

3、对永磁同步风力发电机的常规矢量控制策略进行了详细的研究:分析了在实际工程应用的永磁同步直驱系统中,单纯采用常规的永磁同步发电机矢量控制方法的不足,结合实际的兆瓦级永磁同步风力发电机参数,文中提出了一种永磁同步风力发电机的复合矢量控制策略。

此策略的提出使得当直驱系统中的永磁同步发电机运行在不同的工况时,对其控制可实现不同矢量控制策略的切换运行,从而提高整个系统的运行稳定性和提高发电机的发电效率。

直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术

直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术

直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术周志钢;厉伟;董文忠【摘要】在风力发电系统中,变流器是实现能量高效、稳定转换的关键.研究了直驱永磁风力发电系统的控制原理,建立了双PWM变流器机侧和网侧的数学模型.机侧变流器采用转子磁场定向矢量控制方式,网侧变流器采用电网电压定向矢量控制方式,实现有功和无功功率的完全独立解耦控制.仿真和试验结果表明:该控制策略可有效地实现最大风能捕获,维持直流母线电压稳定,实现发电机组的平滑并网,具有良好的动态响应.【期刊名称】《东北电力技术》【年(卷),期】2015(036)008【总页数】5页(P37-41)【关键词】风力发电;双PWM变流器;矢量控制;独立解耦【作者】周志钢;厉伟;董文忠【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳 110870;兴城市广播电视台,辽宁葫芦岛 125100【正文语种】中文【中图分类】TM46;TM614随着可再生能源的发展,风力发电在能源结构中所占的比例不断提高。

由于直驱永磁风电机组运行高效稳定、故障率低等优势,从而在兆瓦级风电机组中得到广泛应用,并已经成为主流机型[1]。

本文针对直驱永磁风力发电系统双PWM全功率变流器的机侧和网侧控制技术展开研究。

机侧变流器对永磁同步发电机的控制实现最大风能功率追踪,网侧变流器[2]通过输出并网控制,实现直流母线电压稳定,输出功率独立解耦控制。

在Matlab/Simulink环境下对直驱永磁风力发电系统进行仿真建模,通过对仿真和试验结果分析,验证了控制策略的可行性和有效性。

直驱永磁风力发电系统[3]由风力机、永磁同步发电机、双PWM变流器、控制系统等组成,其拓扑结构如图1。

风力机通过齿轮箱和联轴器与发电机相连,经过双PWM整流逆变环节后通过发电机定子将电能传输给电网。

风力机是一种将截获流动的空气所具有的动能转换为拖动发电机旋转的机械能的装置。

风力机将风能转换成有用输出功率为式中:ρ为空气密度;S为桨叶扫掠的有效截面积;V为风速;Cp为风能利用系数,一般Cp<0.593。

直驱式永磁同步风力发电变流器

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。

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

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......................................................................5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 ............................................................5.1.2同步发电机 ....................................................................................................5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 ................................................................5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 ............................................................5.2 全功率变流器风电机组变流器..............................................................................5.2.1 电机侧变流器控制策略 ...............................................................................5.2.1 电网侧变流器控制策略 ...............................................................................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。

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θ
图 攻角特性 有功功率的调节 由式 PM = UI cos ϕ =
UE0 sin θ 可知,对于一台并联到无限大电网上的同步发电机,如果 Xc
想增加发电机的输出有功功率,当励磁不作调节时,就必须增大功率角 θ 。功率角的物理意
& 超前于端 义可以从时间和空间两个角度来进行理解。对于发电机而言, θ 是励磁电动势 E 0 & 的时间角;从空间上, θ 可看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间 电压 U
5.1.2 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
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 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。
发出容性无功功率。 5.1.3 5.1.3 永磁同步风力发电机结构及特点 永磁同步风力发电机结构及特点 (1)直驱式外转子永磁风力发电机结构 外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动,转子在外围旋转。在下图中展示了内定子 的构造,内定子由硅钢片叠成,与常见的外定子相反,其线圈槽是开在铁芯圆周的外侧。
内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底座上, 在底座上有转子轴承孔用来安装外转子的 转轴。
在定子线槽内分布着定子绕组,按三相布置,单个绕组呈扇形状。
定子有两个,右定子与左定子结构一样,只是反个面而已。
转子由永久磁铁组成, 磁铁固定在非导磁材料制成的转子支架上, 下图是转子的结构图。
每块磁铁的磁极在转子的两面,
下图表示了磁力线在转子与定子间的走向,
下图是转子与定子的布置图
先把左定子固定在左端盖中,再装上转子,
di usd = Rs isd + Ld sd − ω Lq isq dt u = R i + L disq + ω L i + ωψ sq s sq q d sd dt
其中, usd 、 usq 分别为定子 d、q 轴电压分量; isd 、 isq 分别为定子 d、q 轴电路分量; Rs 为 定子电阻; Ld 、 Lq 分别为定子 d、q 轴自感; ω 为转子角速度;ψ 为转子永磁体的磁链最 大值。 电磁转矩方程为
f1=
np 60
由于我国电网电源频率为 50Hz,发电机的转速必须保持恒定。
& 为发电机空载时定子绕 根据电机理论,图给出隐极同步发电机的等效电路。图中, E 0
& 为负载电流, U & 为一相端电压, R 为定子绕组一相的电阻, X 为 组一相感应的电动势, I c
同步电机的同步电抗。通常定子绕组的电阻比同步电抗小很多,因此可以忽略。图为忽略电
& 最小,这种情况称为负载时的正常励磁。在正常励磁基础 当 cos ϕ =1 时,定子的电流 I
上增加励磁电流,称为过励。在正常励磁基础上较少励磁电流,称为欠励。无论增大和减小 励磁电流,都将使定子电流增大。发电机输出的无功功率可通过 Q = mUI sin ϕ 描述。在正
& 落后于端电 常励磁时,发电机只输出有功功率。过励时,电枢反应为去磁作用,定子电流 I & ,发电机除了向电网发出有功功率外,还向电网发出感性无功功率。欠励时,电枢反 压U & 超前于端电压 U & ,发电机除了向电网发出有功功率外,还向电网 应为增磁作用,定子电流 I
第五章 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 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 .......................................................................... 15 5.2 全功率变流器风电机组变流器 ............................................................................................. 16 5.2.1 电机侧变流器控制策略 ............................................................................................. 17 5.2.1 电网侧变流器控制策略 ............................................................................................. 19
功功率
PM = mUI cos ϕ
其中, m 为发电机的相数。 经推导,有功功率表达式为
PM = UI cos ϕ =
UE0 sin θ Xc
对于并联于无限大电网上的同步发电机,发电机的端电压 U 即为电网电压,保持不变, 在恒定励磁电流条件下, 根据上式可知, 隐极式同步发电机输出的电磁功率与攻角 θ 的正弦 成正比。 这可以通过下图所示的攻角特性曲线描述。当 U 和E 0 不变时,由 PM = f (θ ) 画出的曲线 称为攻角特性曲线。当 θ = 90 °时,隐极发电机输出的电功率最大。
角。因此,增大功率角意味着必须增加来自原动机的输入功率,使转子加速,从而使功率角 增大,从而增大发电机的有功功率。但需注意,θ < 90 °区域是发电机稳定工作范围,因此 功率角的增加不能超过稳定极限 90°,如果再增加来自原动机的输入功率,则无法建立新 的平衡,电机转速将继续上升而失速。 无功功率的调节 接到电网上的负载,除了阻性负载外,还有感性负载和容性负载,所以一个电力系统除 了要能提供负载有功功率外, 还要有提供和调节无功功率的能力。 通过改变同步发电机的励 磁电流,可调节同步发动机输出的无功功率。
安装上左右端盖,下图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。
下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。
下图为侧视的剖面图,为看清内部结构隐藏了右转子。
(3)直驱永磁中间转子盘式风力发电机结构 盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构,定子与转子轴向交替排 列,这里介绍中间转子盘式发电机。下图是一个盘式定子,由于盘式发电机的通过定子绕组 的磁力线是轴向走向,在电机旋转时是绕轴运行的,所以定子的硅钢片是绕制的,在一侧有 绕组的嵌线槽。
在定子线槽内分布着定子绕组,按三相布置连接。
定子铁芯固定在机座的支架上
盘式转子由磁軛与永久磁铁组成,下图为左面转子图
下图为磁极的分布图
右面转子结构与左面转子结构相同, 只是反个面而已。 下图为左右转子间的磁力线走向 图。
为更清楚的看清磁力线走向,下图为稍侧面的磁力线走向图。
把转子与定子摆在一起
把右定子固定在右端盖中,左右端盖扣紧固定,发电机就组装好了,下图为发电机外观 图。
下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图
下图为侧视的剖面图。
5.1.4 5.1.4 电励磁同步风力发电机结构及特点 电励磁同步发电机(Electrically Excited Synchronous Generator,EESG),通常在转子侧进 行直流励磁。使用 EESG 相比使用 PMSG 的优势在于,转子励磁电流可控,可以控制磁链 在不同功率段获得 最小损耗;而且不需要使用成本较高的永磁材料,也避免了永磁体失磁 的风险,Enercon 公司主要经营这类产品。但是 EESG 需要为励磁绕组提供空间,会使电机 尺寸更大,转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。 永磁同步电机的数学模型 定子电压方程为
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