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 (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 (18)

5.2.1 电网侧变流器控制策略 (19)

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

构和加工比较简单，制造成本低。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。

同步发电机转子结构示意图

当转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。原动机拖动转子旋转时，主磁场同转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场。该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出三相对称的交流电势。由于定子三相对称绕组在空间上相差120°，因此三相电势也在时间上相差120°电角度。这个交流电势的频率取决于电机的极对数p和转子转速n，即

1

60

np

f=

由于我国电网电源频率为50Hz，发电机的转速必须保持恒定。

根据电机理论，图给出隐极同步发电机的等效电路。图中，

E为发电机空载时定子绕

组一相感应的电动势，I为负载电流，U为一相端电压，R为定子绕组一相的电阻，

c

X 为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

阻后隐极同步发电机简化的相量图。U 和I之间的夹角ϕ叫做功率因数角。

E和U之间的夹角θ叫做功率角。

E

R

I

U

C

ϕ

θ

U

I

E C

jIX

隐极同步发电机的等效电路与简化的向量图

攻角特性：

在忽略电枢电阻的情况下，根据电机学理论，同步发电机输出的电磁功率等于输出的有

功功率

cos M P mUI ϕ=

其中，m 为发电机的相数。

经推导，有功功率表达式为

0cos sin M c

UE P UI X ϕθ== 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0E U 和不变时，由M P ()f θ=画出的曲线称为攻角特性曲线。当90θ=°时，隐极发电机输出的电功率最大。

图 攻角特性 有功功率的调节 由式0cos sin M c

UE P UI X ϕθ==可知，对于一台并联到无限大电网上的同步发电机，如果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0E 超前于端电压U 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，90θ<°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。

当cos ϕ=1时，定子的电流I 最小，这种情况称为负载时的正常励磁。在正常励磁基础上增加励磁电流，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sin Q mUI ϕ=描述。在正常励磁时，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 落后于端电压U ，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，电枢反应为增磁作用，定子电流I 超前于端电压U ，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出容性无功功率。

5.1.3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。

在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是按三相规律分布，与外定子绕组类似。