全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略.doc

全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略TOC\o"1-2"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc291525202"5.1全功率变流器风电机组的工作原理PAGEREF_Toc291525202\h2HYPERLINK\l"_Toc291525203"5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式PAGEREF_Toc291525203\h2HYPERLINK\l"_Toc291525204"5.1.2同步发电机PAGEREF_Toc291525204\h2HYPERLINK\l"_Toc291525205"5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点PAGEREF_Toc291525205\h5HYPERLINK\l"_Toc291525206"5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点PAGEREF_Toc291525206\h15HYPERLINK\l"_Toc291525207"5.2全功率变流器风电机组变流器PAGEREF_Toc291525207\h16HYPERLINK\l"_Toc291525208"5.2.1电机侧变流器控制策略PAGEREF_Toc291525208\h18HYPERLINK\l"_Toc291525209"5.2.1电网侧变流器控制策略PAGEREF_Toc291525209\h195.1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和转子转速，即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，为发电机空载时定子绕组一相感应的电动势，为负载电流，为一相端电压，为定子绕组一相的电阻，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。和之间的夹角叫做功率因数角。和之间的夹角叫做功率角。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其中，为发电机的相数。经推导，有功功率表达式为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