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：
12
r n n n =±2160
f n n f r p ±=
12
11
r 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，s
s 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。

双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。

与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。

所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。

因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。

2.变速恒频双馈风力发电机运行工况
2.1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程
从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。

主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。

1）双馈电机运行于超同步发电机情况下：
整个风机的机械效率
同步转速
图2、双馈电机超同步发电机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相反，所以n＞1n ，转差S<0。

并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。

因而此时，双馈电机是吸收机械功率mec P ，然后通过定子侧向电网输出功率1P ，通过转子侧向电网馈送转差功率s P 。

因此可得mec P =1P +s P 。

2）双馈电机运行于超同步电动机状态：
图3、双馈电机超同步电动机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相反，所以n＞1n ，转差率S<0。

并且电磁转矩
em T 与n 同向，起驱动作用。

因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功率1P ，通过转子侧向电网吸收转差功率s P ，向外输出机械功率mec P 。

因此可得mec P =1P +s P 。

3）双馈电机运行于亚同步发电机状态：
n1定子磁场转速
n2转子转速
n 转子磁场想对于转子旋转的转速n1-n/n1
亚同步
图4、双馈电机亚同步发电机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相同，所以n＜1n ，转差率S＞0。

并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。

因而此时，双馈电机是通过转子侧向电网吸收功率s P ，向外吸收机械功率mec P ，通过定子侧向电网输出转差功率1P 。

因此可得1P =mec P +s P 。

4）双馈电机运行于亚同步电动机状态：
从图5中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相同，所以n＜1n ，转差率S ＞0。

并且电磁转矩em T 与n 同向，起驱动作用。

因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功率1P ，向外输出机械功率mec P ，通过转子侧向电网输出转差功率s P 。

因此可得1P =mec P +s P 。

图5、双馈电机亚同步电动机时的功率流程
上面一共讨论了双馈电机在四种情况下的运行特性，但是我们在风力发电中需要考虑的仅仅是1），3）两种发电机运行情况。

并且还应当注意的是，由于1I =m I -2I ，可以调节转子侧绕组中电流2I 相位大小，来控制定子中定子电流1I 的相位和大小，从而实现通过转子
侧的少量无功功率来控制定子侧的大量无功功率。

3、双馈风力发电变流器控制
一、电机侧变流器的控制
图6电机侧变流器结构图
电机侧变流器拓扑结构如图所示，电机转子侧接三相电压型PWM变流器，其直流环节通常是恒定的，即直流侧电压恒定，交流侧转子量通常是变化的。

可以通过控制电机侧变流器的电流给定进行定子侧电流相位、幅值、频率的控制，并控制电机稳态运行时转速稳定，通过控制转子侧电流间接控制电机功率。

对于电机侧变流器的控制采用定子磁链定向的矢量控制（目前有多种方法）。

二、电网侧变流器的控制
图7电网侧变流器结构图
电网侧PWM变流器实际上是一个三相电压型PWM整流器，其控制目标是调节网侧功率因数，保持直流母线电压恒定。

具体控制方式采用电网电压定向矢量控制，即先建立电网侧PWM变流器的数学模型，将其转换至d-q轴坐标系下，将电网电压矢量定向在d轴上，在此基础上建立电网侧PWM变流器在电网电压矢量控制下的方程。

4、变流器主电路开关器件参数设计
风力发电系统所用交流-直流-交流变流器开关器件选用绝缘栅双极晶体管（IGBT），电机侧变流器和电网侧变流器均采用IGBT作为开关器件，对于IGBT的选型需要分别考虑电机侧最大持续电流峰值和电网侧最大持续电流峰值，同时还需要考虑到中间直流电压最高值来选择合适的开关器件参数。

4.1电机侧最大电流有效值计算
电机额定转速为1800r/min，而电机转速范围是：1000-2030r/min，当双馈发电机工作在转速1800r/min，即转差率0.2S =−的超同步工况时，发电机定子侧有功功率达到最大值为：
11156013001 1.2
s G P P kW kW s =×=×=−此时，定子电流和转子电流也达到最大值。

下面分三种情况具体计算转子电流：
一、不考虑电网电压波动时的电机转子电流：
转速为n=1800r/min,定子侧电压峰值
为：690975.81sm U V =
=；计算转子电流为：1102.98sm
rd m
U i A L ω==534.3232s
rq m sm s P i A
L U L ==⋅⋅
则转子侧电流峰值最大为：544.15r i A
==
则转子侧电流有效值最大为：384.83r ab i A −==s L ——定子绕组在d-q 坐标系下的等效自感,r L ——转子绕组在d-q 坐标系下的等效自感；m L ——定、转子间绕组在d-q 坐标系下的等效互感。

二、考虑电网电压波动时的电机转子电流
转速为n=1800r/min,考虑电网电压波动，当电压跌落
10%时，定子侧电压峰值为：6900.9878.22sm U V =×=；
计算转子电流为：
192.687sm
rd m
U i A L ω==593.6932s
rq m sm s P i A
L U L ==⋅⋅
则转子侧电流峰值最大为：600.88r i A
==
则转子侧电流有效值最大为：424.95r ab i A −==三、当功率因数cos 0.9ϕ=时，考虑电网电压波动时的电机转子电流
转速为
n=1800r/min，考虑电网电压波动时定子侧电压峰值为：
6900.9878.22sm U V =×=，
定子侧无功功率为:
s tan(arccos 0.9)1560
755.54Q kw kw =⋅=;
则转子侧q 轴电流rq i 不变，d 轴电流rd i 为：
1432.3332sm
s rd m m sm s
U Q i A L L U L ω=+=⋅⋅则转子侧电流峰值最大为：734.423r i A
==综上所述，第三种情况时，电机转子侧电流最大，则电机侧变流器IGBT 额定电流为：12519.391468.83T i A A
=×=4.2电网侧最大电流有效值计算
当双馈发电机工作在转速2030r/min，即转差率0.353s
=−的超同步工况时，发电机
转子侧有功功率达到最大值为：
0.35315604071 1.353
r s P P kW kW s =×=×=−由于电网侧变流器并网功率因数恒为1，所以发电机转子侧有功功率Pr 与网侧变流器的有功功率r P 相等，则考虑电网电网电压波动10%时，变流器电网侧输出交流线路上的最大电流有效值为：
则电网侧变流器IGBT 4.3.采用滤波器原因：
风力发电系统中采用PWM 变流器驱动异步电机，在实际应用中，双馈变流器位于塔底，双馈发电机安装在塔顶，在变流器和发电机之间采用长线电缆传输时，当PWM 变流器发射脉冲经过长线电缆传至电机时会产生电压反射现象，导致在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧电机绕组的绝缘压力，造成电机在短期内绝缘击穿等事故，分析表明发电机端产生的过电压与变流器输出PWM 脉冲上升时间和电缆长度有关。

PWM 变流器的输出脉冲经过长线电缆传至发电机，由于长线电缆的分布特性，即存在漏电感和耦合电容，会产电压反射现象，在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧发电机绕组的绝缘压力。

这种反射现象与变流器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关。

一般PWM 脉冲的传输速度约为光速的1／2，当脉冲由变流器传输到发电机的时间超过脉冲上升时间的1／3时，在发电机端发生垒反射，使电压近似加倍，从而使发电机的绝缘迅速5、低电压穿越技术概述
低电压穿越技术，关于双馈电机的低电压工作原理，简单地说，是在电网电压跌落及恢复期间，由于定子电压突变而磁链来不及变化，在磁链中产生直流分量和负序分量，该分量在转子中感应出较高电压（高达2000多伏），进而产生一系列的过电流和过电压现象。

低电压穿越，是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率以支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。

目前各国都在相继制定新的电网运行准则，要求风电系统具有一定的低电压穿越能力。

中国的电网运行准则目前还在制定中，暂时还没有明确的规定。

最具代表性的是德国电网运营商E.ON Netz 对风电场风力机组提出的LVRT 要求[8]，如图8所示。

1090
704515U /U N (%)图8德国E.ON Netz 公司LVRT 要求
在图8中，仅当电网电压值处于图示折线下方也就是图中所示的风机跳闸区时，才允
许风机脱网解列；而在折线以上区域，风机应继续保持并网，等待电网恢复。

且当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑以帮助电网恢复。

图中当电压跌落到额定电压的15%时，要求风机提供无功支持并保持并网至少625ms，而在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。

以上是电网对风力发电系统低电压穿越能力的具体要求。

电网电压跌落是电网运行中的常见故障之一，当电网出现故障导致电压跌落后，会使
风力发电机组出现过电压、过电流或转速上升等问题，对于风力发电机本身及其控制系统的安全运行产生影响。

为了抑制电网电压跌落对双馈型风力发电系统的影响，实现低电压穿越功能，诸多文献
对风力发电机LVRT 技术的做了研究，可主要归结为以下几种方案:基于转子撬棒(Crowbar)保护电路的LVRT 控制策略[9]、基于双馈电机暂态磁链补偿技术的LVRT 控制策略[10]、基于短暂中断(STI)的LVRT 控制策略[11]、基于提高转子电流环动态控制增益的LVRT 控制策略[12]、
基于能量管理技术的LVRT 控制策略[13]、基于双馈电机定子电压动态补偿控制的LVRT 控制策
略[14]等。

6、双馈电机控制方法简介
6.1矢量控制
20世纪70年代，德国西门子公司F.Blaschke 等人提出的“感应电机磁场定向的控制
原理”和美国学者P.C.Custman 与A.A.Clark 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。

此后，经过许多学者和工程技术人员的不断完善和改进，最终形成了现已普遍应用的矢量控制变频调速系统[18]。

采用矢量控制使得交流电机可以模拟他励直流电机转矩控制规律而加以控制，大大提高了交流电机的控制性能，使其几乎能与直流调速系统相媲美。

双馈电机起初多在传动系统中用作电动机运行，尤其是在窄范围大功率调速的工业场
合。

随着电力电子技术和控制技术的发展，在一些发电场合，如水能、风能发电等，双馈电机有着其独特的优势。

在双馈电机的多种应用场合，矢量控制被应用于双馈电机的控制策略之中，成为目前双馈电机的主要控制策略。

在双馈电机矢量控制策略中，依据其矢量定向的不同，又分为基于定子磁场定向的矢量
控制、
基于气隙磁场定向的矢量控制、基于转子磁场定向的矢量控制以及基于定子电压定向的矢量控制等矢量控制策略。

对于鼠笼电机，控制从定子侧输入，转子侧短路；对于双馈电机控制从转子侧输入，定子侧接电网。

对比双馈电机定子与鼠笼电机转子的广义Park 方程，可知两者存在对偶关系。

鼠笼电机通常采用转子磁场定向控制以实现转矩和励磁电流的解耦控制，因此双馈电机可以采用定子磁场定向控制实现转矩和转子侧励磁电流的解耦控制，而误差小。

同时，定子电压定向的矢量控制也可以实现转矩和转子侧励磁电流的解耦控制，定向方便等优点，所以此方法也广泛应用在双馈电机的控制中。

6.2直接转矩控制
20世纪80年代中期，德国的M.Depenbrock 和日本的I.Takahashi 提出了直接转矩控制理论[18]，目前该技术已成功地应用在交流传动中。

直接转矩控制是一种直接的转矩控制，它不是通过控制电流等量来间接控制转矩，而是把转矩作为被控量来直接控制，强调的是转矩的控制效果，采用离散的电压状态和近似圆形磁链轨迹的概念。

同其它电机类似，双馈电机也可以采用直接转矩控制方法。

双馈感应电机直接转矩控制是基于电机转子侧进行控制的，采用转子磁链幅值给定值及转矩的指令值分别和它们的观测值做滞环比较，使被控制值波动限定在一定的容差范围内，然后通过开关表选择电机侧变流器功率器件的开关状态来实现对双馈电机转矩的直接控制。

直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在静止坐标系下计算与控制电机的转矩，采用转子磁场定向，借助离散的两点式调节（Band-Band 控制）产生PWM 信号，直接对变流器的开关状态进行最佳控制，在维持转子磁链为圆形轨迹的同时，获得转矩的高动态性能。

直接转矩控制省掉了复杂的矢量变换，控制结构简单，且不明显依赖转子参数，故对转子参数的变化具有鲁棒性。

同时，该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高动态性能的交流调速方法。

然而，直接转矩控制是一种Band-Band 控制，会导致转矩和定转子电流的脉动。

图9双馈电机定子磁场定向矢量控制结构图
图10双馈电机定子电压定向矢量控制结构图
7、电网电压定向控制的基本原理
1电网电压定向控制一般采用电压外环、电流内环的双闭环结构，电流方向以电网电压空间矢量的方向为基准。

电网电压定向控制系统能否实现较好的稳态性能和快速的动态响应，很大程度上依赖于电流内环的设计。

在同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环PI调节器的设计，同时可以很方便的与正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制方式接口，利于电网侧滤波参数的设计，是目前应用最广泛的电网侧变流器的控制策略，以下文将对电网电压定向矢量控制进行详细分析。

图11同步旋转坐标系下电压定向控制框图
8、低电压时双馈电机系统的响应特性分析
目前，变速恒频风力发电系统，尤其是双馈型风力发电系统在应对电网电压跌落等故障能力方面存在很大的困难。

本节将针对电网电压跌落及恢复时双馈风力发电系统的响应特性进行详细的分析，以便为后面对其低电压穿越控制方案的设计奠定基础。

在双馈型风力发电系统中，由于双馈电机的定子直接与电网相连接，因此在电网电压跌落时会导致其定子端电压跌落，由于定子磁链不能突变，导致定子磁链中含有直流成分，不对称电网电压跌落还会含有负序成分。

由于双馈风力发电系统中的双馈电机的并网运行转速通常比较高，这一较高的转速相对于定子磁链中的直流成分和负序成分而言，均具有较大的转差率，从而在双馈电机转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流。

转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中半导体器件的安全运行构成了威胁，严重时会导致转子侧变流器保护电路动作甚至烧坏变流器[29]。

在电网电压跌落的过渡过程中，电网侧变流器传输功率的能力受到限制，因而其对直流侧电压的控制性能降低。

因此，在电网电压跌落的动态过程中可能会引起背靠背变流器直流侧电压的升高，这也严重威胁到变流器半导体器件的安全运行。

在电网跌落的过渡过程中，尤其发生不对称跌落的过程中，会致使双馈电机的电磁转矩出现脉动，由于风轮机的惯性较大，这种脉动会给双馈型风力发电机、齿轮箱等机械部件造成冲击，从而影响风机的有效运行寿命。

在电网电压快速恢复过程中也存在类似的暂态过程，同样会对风电系统可靠运行产生严重的影响。

为此必须采取一定的措施，对双馈电机系统进行控制，以使其具有较强的低电压穿越能力。

9、低电压穿越控制方案
基于转子Crowbar的LVRT控制方案是较早用于对双馈型风力发电机转子变流器保护的一项控制技术，可以分为无源Crowbar和有源Crowbar两大类。

在风力发电尚未形成规模时，风力发电系统应用Crowbar技术主要进行自我保护，所采用的Crowbar多为被动式Crowbar，即所谓的无源Crowbar。

随着风力发电装机容量的不断增大，在一些国家和地区风力发电已占有相当大的容量，并且未来将会有更多的风电场投入运行。

为此电力系统开始对风力发电提出了新的要求，自2003年德国E.ON公司首次对风力发电提出并网要求以来，传统风机的无源Crowbar保护电路不再满足电力系统对风力发电提出的新要求。

为了满足电力系统对风力发电的进一步要求，需要Crowbar电路动作后能在适当的时候断开，从而使得在风机在不脱离电网的情况下转子变流器可以重新工作，于是出现了新型的可以切断转子回路的主动式Crowbar保护电路，即所谓的有源Crowbar。

1.无源Crowbar:
图12无源Crowbar保护电路
图12是由二极管整流桥和晶闸管构成的常用无源Crowbar保护电路，当直流侧电压达到保护值时，通过触发晶闸管导通实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流
器的连接以实现对转子侧变流器的保护功能。

而保护电路与转子绕组一直保持连接，直到定子接触器将定子侧与电网断开且等转子电流衰减为零后，晶闸管恢复到阻断状态，待条件允许时双馈电机重新执行并网操作。

显然，基于晶闸管的被动式撬棒完全是一种自我保护形式的Crowbar，因此，不能对故障状态下的电网电压提供支撑，并且在电网故障切除后也不能马上对电网提供能量。

无源Crowbar保护电路控制简单，能够在电网电压跌落时保护转子侧变流器。

但是晶闸管不能自行关断，因此故障时电机必须解列；当故障消除后，系统不能自动恢复正常，必须重新并网。

此电路都是被动式保护，难以适应新的电网规则要求，因此要选用主动Crowbar 保护电路。

1.有源Crowbar:
为了满足电力系统对风力发电的进一步要求，需要Crowbar电路动作后能在适当时刻断开，从而使得在风机在不脱网的情况下转子变流器可以重新开始工作，于是出现了新型的可以在适当时刻切断保护电路的有源Crowbar。

在有源Crowbar保护电路中可采用能够换流的SCR、GTO、IGBT等可关断器件。

常用的两种典型有源Crowbar保护电路应用结构如图4.2所示。

图4.2(a)是在二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成的斩波器，这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使风电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。

图13(b)是采用三相交流开关（常用SCR）和旁路电阻构成的保护电路，故障期间为转子侧可能出现的大电流提供通路。

采用这种电路，当电网电压跌落发生及恢复时，转子侧变流器可以与转子保持连接，当故障消除后，切除旁路电阻使系统快速恢复正常运行。

其中Crowbar电阻的取值比较关键，既要避免变流器直流侧过压，又要有效抑制转子侧过电流，其取值大小将在下一小节中介绍。

（a）二极管整流桥+IGBT+电阻(b)三相交流开关+旁路电阻
图13、有源Crowbar保护电路
其实这两种拓扑的实质是一样的，都属于有源Crowbar，都可以适应新的电网规则
要求，使风力发电机在故障不严重时保持不脱网运行。

由于晶闸管的成本较低且它对过
电流的承受能力比较大，所以实验中采用三相晶闸管和旁路电阻组成的保护电路，详细
的实验方案设计将在下一节具体说明。

1010、、有源Crowbar的参数设计
对于三相晶闸管和Crowbar电阻组成的有源Crowbar保护电路方案，我们必须从实际系统的性能、可靠性及成本等方面考虑，对系统中的关键参数进行仔细的分析，确定最终的实验方案。

以下将分别对撬棒电阻、晶闸管及控制参数的选择进行分析。

1.Crowbar电阻R的选择：
Crowbar电阻R的阻值的选取较为重要，阻值过小不能起到限制转子电流的作用，阻值。