全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略.docx

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第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略
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HYPERLINK\l"_Toc291525202"5.1全功率变流器风电机组的工作原理 PAGEREF_Toc291525202\h2
HYPERLINK\l"_Toc291525203"5.1.1全功率变流器风电机组传动链方式 PAGEREF_Toc291525203\h2
HYPERLINK\l"_Toc291525204"5.1.2同步发电机 PAGEREF_Toc291525204\h2
HYPERLINK\l"_Toc291525205"5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 PAGEREF_Toc291525205\h5
HYPERLINK\l"_Toc291525206"5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 PAGEREF_Toc291525206\h15
HYPERLINK\l"_Toc291525207"5.2全功率变流器风电机组变流器 PAGEREF_Toc291525207\h16
HYPERLINK\l"_Toc291525208"5.2.1电机侧变流器控制策略 PAGEREF_Toc291525208\h18
HYPERLINK\l"_Toc291525209"5.2.1电网侧变流器控制策略 PAGEREF_Toc291525209\h19


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方式
随着古代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐添加而转速降低。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摆布。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。齿轮箱变速比的添加，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、分量及摩擦磨损也在添加。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零碎。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
发电零碎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持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。同步发电机的励磁零碎普通分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁零碎，另一类是用整流安装将交流变成直流后供给励磁的整流励磁零碎。发电机容量大时，普通采用整流励磁零碎。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厉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，制构成本低。中小容量电机普通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，主磁场同转子一同旋转，就得到一个机械旋转磁场。该磁场对定子发生绝对运动，在定子绕组中感应出三绝对称的交流电势。由于定子三绝对称绕组在空间上相差120°，因而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，因而可以忽略。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