直驱式永磁同步风力发电变流器.docx

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成本,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、结构及安全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,并对电网故障进行实时检测,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范围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。特别是双PWM结构的变流器中,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发展,双PWM背靠背变流器结构得到越来越广泛的应用。

1.3.2变流器结构设计

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,这就对变流器的结构设计与生产提出了更高要求。
尤其对于兆瓦级低压(直流侧电压不大于1100V)大容量风电变流器,由于电压等级并不算太高,变流器通过的额定电流较大.一些在小容量应用场合中无需关注甚至根本不会存在的问题却会成为这类变流器设计的难点及关键,如开关器件的限制,各种连接线、接头及其线路杂散参数的影响,散热系统设计,系统的高效率、低成本、易于安装与维护等。

一般来讲,3MW以下的变流器的设计采用两电平的拓扑较为合理,三电平或多电平结构的设计会使系统成本增大。为实现高功率密度,变流器容量的扩展可采用若干功能模块的并联来实现,如若干较低功率等级的器件并联、三相半桥功能模块并联等。变流器总体设计可能会较为复杂,且对生产与工艺有较高要求,以便与实现器件或设备的均流控制。
随着单体功率器件等级的不断提高,也可釆用单个大功率IGBT功率模块构成一个完整三相半桥实现全部的能量传递。其设计会相对简单,对生产与工艺的要求相对降低,控制也相对简单,但对功率器件性能及使用会有较高要求,同时必须尽量减小线路寄生参数,削弱较大di/dt与du/dt对开关器件的影响[3]。
目前,模块化的设计理念巳充分渗透至变流器结构设计研究中。比如考虑装配、维护的要求和空间限制,将一个轿臂的两个IGBT功率模块、直流支撑回路、缓冲吸收回路与散热系统全部集成,形成一个相对独立的最小功率变换功能单元,通过组合,便可构成一套具备组件互换性的背靠背变流器。甚至也能以此最小功率变换功能单元,构成其它拓扑结构的大功率变流器。

对于二极管不控整流+逆变拓扑结构,如图1.5。由于机侧釆用的是不控整流,直流母线电压完全由机端电压决定,而对于网侧逆变器来说,直流电压必须大于某一定值才能向电网输出功率,当直流母线电压过高时,又会对变流器所用功率器件的耐压提出背刻要求,带来成本增加、整机效益降低的不良影响。因此这类拓扑结构的变流器的运行范围通常较小,导致风能利用效率极大降低;并且由于能量的单向性,难以对风力发电机实施控制,导致MPPT能力不易实现并存在很大的低次谐波成分。
不控整流+BOOST变换器+逆变拓扑结构,如图1.6。通过BOOST变换器实现输入侧功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC),提高发电机的运行效率,保持直流侧电压的稳定,对发电机的电磁转矩和转速进行控制,实现变速恒频运行。但这种结构同样受限于能量单向性问题,无法直接对发电机实施有效的控制;并且在系统容量较高的应用场合,设计可靠高效的大功率BOOST电路会变得较为困难。但在其它应