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1、1、摘要22、变速恒频双馈风力发电变换器概述32.1研究背景32.3创新点42.4技术领域42.5技术优势52.6技术关键和主要技术指标62.7使用说明书73、变速恒频双馈风力发电系统网侧变换器控制123.1 基于Pi控制器的电网电压定向控制123.1.1 网侧变换器数学模型123.1.2 控制系统构成143.1.3 仿真与结果分析153.2网的变换器PR控制173.2.1 PR控制器173.2.2 PR控制系统构成193.2.3 仿真与结果分析204. 变速恒频双馈风力发电系统转子侧变换器控制254.1 基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制254.1.1双馈电机控制系统构成264.1.2仿真
2、与结果分析274.2自适应PR控制294.2.1自适应PR控制系统构成304.2.2无静差理论验证314.2.3仿真与结果分析325、应用前景和适用范围365.1应用前景365.2适用范围376附件381、摘要变速恒频双馈风力发电系统具有变速运行范围宽、系统运行效率高、功率变换器容量小、成本低等优势，在风力发电系统中得到了广泛的应用。在该系统中，转子交流励磁变换器的控制是关键。本文的研究工作主要是围绕着变速恒频双馈风力发电系统双PWM变换器的控制展开 在对网侧变换器的研究中，通过分析网侧变换器数学模型和PR控制器特性，提出了网侧变换器PR控制策略，与传统的双闭环PI控制相比，该策略能够充分发挥
3、PR控制器在静止坐标系下实现交流输入信号无稳态误差的特点及其在谐波补偿方面的优势，无需坐标旋转变换，省去易受温度及电路参数影响的耦合项及前馈补偿项，从而减小了控制算法的实现难度，提高了控制系统的鲁棒性，并且有利于电能质量的改善；在对转子侧变换器的研究中，针对基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制策略下系统控制性能易受电机参数影响的问题，提出了自适应PR控制策略。在此基础上，对1.5MW变速恒频双馈风力发电机组自适应PR控制系统的性能进行了仿真验证此外，为解决变速恒频双馈风力发电系统运行中转子侧功率的频繁变化所引起的直流母线电压波动剧烈等问题，对双PWM变换器协调控制进行了研究，提出了一种双PWM
4、交换器联合控制策略一负载电流前馈控制，并进行了仿真研究。结果表明，该策略能够有效抑制直流母线电压波动，有利于降低电解电容的容量，提高机组的可靠性。关键字：变速恒频；风力发电；双PWM变换器；PR控制2、变速恒频双馈风力发电变换器概述2.1研究背景 当前，人类发展所共同面临的两大问题：一是能源枯竭，如煤炭枯竭、石油和天然气等常规能源储量日益减少；二是生态坏境的恶化。基于上述的两大问题，开发和利用可再生无污染能源对人生存环境的改善意义重大，人们开始把目光投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。如果把全世界风能理论蕴藏量的百分之一用于发电，即可为当今世界经济发展提供强大的动力支持。风能是最清洁的能
5、源之一，风力发电是大规模利用风能最经济的方式。地球上的风能大大超过水流的能量，也大于固体燃料和固体燃料的总和。目前世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视风能的开发利用。在这种大环境中，为了提高风力发电转换的效率，本团队研发了“变速恒频双馈风力发电变换器”。2.2设计目的和基本思路设计目的：随着风电机组容量的不断增大，提高机组运行效率成为风力发电技术研究的重要内容。可实现最大风能追踪的变速恒频双馈风力发电系统成为研究开发的热点变速恒频双馈风力发电变换器应运而生，为风力发电提供更加可靠的保障。基本思路：本变换器以双PWM变换为基本原理，包括网侧变换器
6、的常规矢量控制和PR控制、转子侧变换器的常规矢量控制和自适应PR控制以及双PWM变换器联合控制，并分别进行了仿真分析和验证。2.3创新点采用矢量控制技术多重化PWM控制技术无源整流与PWM整流可选采用DSP作为核心控制芯片，具有较高的实时性压接工艺的IBGT技术，有效抗振动变换电路与控制电路独立设计，完全隔离，绝缘等级高，操作安全主动的无功控制，可以根据需求进行超前或滞后补偿高效率，本产品具有96%的变换效率零冲击并网，自动软并网和软解列控制随机风速下的电功率平滑控制2.4技术领域 风力发电，是面向未来最清洁能源之一。变速恒频双馈风力发电变流器，是为风力发电机与电网之间建立的桥梁和纽带，它是一
7、种将多变的风力电能变换成稳定的电能馈入电网的装置。同时，它可以为同类发电系统提供稳定高效的变流作用。此装置必将有广阔的应用空间。2.5技术优势 1.三相电压型PWM变换器是三相变换器中最常用的一种，因此，关于它的研究是最充分的，控制技术是最成熟的，相关的文献和可利用的资料最多。 2。许多功率器件的生产商专门针对这种结构的变换器设计了功率模块，并已大批量生产。因此，与需要特殊设计的功率器件的其它形式的变换器相比较，功率器件的成本会节省很多。 3.其主电路简单，性能可靠，有现成的控制方案可供借鉴，硬件、软件的开发周期短。 4.在这种交一直一交的结构中，两个变换器之间的直流母线电容使两个变换器实现了
8、解藕，这使得两个变换器可以独立地分开控制而不会相互千扰。如果电网侧出现轻度故障时，可以通过有效地控制网侧PWM变换器保持直流母线电压不变，这样不至于影响转子侧变换器的控制，反之，DFIG转子出现不正常运行的情况，只需要通过对转子侧的有效控制即可，对网侧PWM变换器而言只是相当于一个负载扰动。这种结构使得这种变换器自身具有对电网故障有较强的适应能力。 5.由于这种变换器的网侧变换器采用的是Boost升压电路，所以，只要选取合适的电路参数，直流母线电压可以达到很大，但实际上往往根据器件的容量、耐压、DFIG运行要求及整个系统的损耗等因素综合决定直流母线电压的大小。所以电压型双PWM变换器的电压传输
9、比高，对转子侧输出电压的控制能力强，这是DFIG在电网故障下不间断运行所希望的。2.6技术关键和主要技术指标技术关键：交直交变速恒频双馈风力发电系统具有良好的动态和静态性能，其系统输入输入功率因素可调，可以有效地控制和调节发电机输出电功率，并且可以避免发电机并网和解列过程对电网和风轮机造成电气与机械冲击，尤其适合于功率超过兆瓦的大型风力发电装置。主要技术指标：额定功率 1250kW；功率因数从0.97 感性到0.9 容性；无功功率 545 kVA；额定转速 1100rpm；额定电压 690V 10；电网频率 50Hz 1Hz；直流电压：1100V；最大功率：1610（10s）;650ms 时间
10、内电压下陷至额定电压的60，由变换器控制调节，不停机；控制方式：采用全数字化控制；电磁兼容性能：可抗2000V脉冲干扰；加热装置：有；冷却方式：水冷；绝缘标准：GB 3859/93。2.7使用说明书产品用途 用于带齿轮箱的交流励磁双馈风力发电系统。为双馈风力发电用型采用PWM整流PWM逆变方式，电压等级400V、690V，适合发电机组功率从600kW到5MW。基本原理 双馈发电机在结构上与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直交变流器向发电机的转子供电，提供交流励磁电流。通过变流器的功率仅为电机的转差功率，功率变流器
11、将转差功率回馈到转子或者电网，双馈电机的交直交功率变流器由于只通过转差功率，其容量仅为电机额定容量的1/3，因此大大降低了并网变流器的造价，网侧和直流侧的滤波电感、支撑电容都相应缩小，电磁干扰也大大降低，也可方便地实现无功功率控制。应用环境 变速恒频双馈风力发电变换器，可广泛应用于平原风电场、高原风电场、近海风电场等环境，具备较强的防尘、防湿、防盐雾能力。能够适应长距离输配电的要求，具有较低的谐波污染，更不会对电网产生共振。应用在平原或高原风电场应用在岛屿和近海岸风电场应用在高温或高寒风电场主要技术特征额定功率 1250kW；功率因数从0.97 感性到0.9 容性；无功功率 545 kVA；额
12、定转速 1100rpm；额定电压 690V 10；电网频率 50Hz 1Hz；直流电压：1100V；最大功率：1610（10s）;650ms 时间内电压下陷至额定电压的60，由变换器控制调节，不停机；控制方式：采用全数字化控制；电磁兼容性能：可抗2000V脉冲干扰；加热装置：有；冷却方式：水冷；绝缘标准：GB 3859/93。使用和操作1. 准备工作在外界环境条件下采取相应措施 散热（Cooling） 功率模块必须采用水冷散热结构，并满足以下条件： 冷却介质 水/乙二醇 比率取60/40 到 80/20 流率满足每分钟39 升 标称压力 1.5 bar(Pa) 最大工作压力 3 bar 压力损
13、失p 最大0.8 bar （39 升/分钟，20）在没有功率减小的情况下，水入口温升可达35水入口温升到3638时，系统总功率250kW水入口温升到3941时，系统总功率150kW；从42起，变换器被切除； IGBT 模块部分应具有自动温度保护装置，当监控到温度异常时，需采取相应的措施。 当冷却液温度上升到45以上且没有降低趋势时，需要启用备用冷却液储罐。加热（Heating）为了使IGBT 模块热应力最小，与变换器功率部件相连部分的冷却循环系统被电加热。这样就能够保证变换器只在冷却介质温度高于5 度时被激活。它的控制与监视由WEC 控制（部分）进行。开关柜内也需安装加热回路，以保证在潮湿环境
14、和机舱环境温度低于-20条件下设备正常运行。2. 使用操作（一）、显示器显示： 读出警告和错误信息 读出运行计时器数据 显示和调整负载特征曲线 显示测试和设置点数据： 电网电压 发电机电压 内部电路电压 发电机电流 速度 电网功率 时间和日期的改变（二）测试 以下是必须测试项目： 绝缘电阻测量，根据DIN，VDE 标准 接地电阻测量，根据DIN，VDE 标准 冷却介质导管压力测试，最小3.5 bar 测量变换器损耗。其中电网侧变换器、发电机侧变换器以及电网 或（和）发电机扼流器损耗曲线应分别用图表描述。 测量系统在额定负载和一半额定负载情况下的谐波 变换器从10 分钟内两次最大功率变为10 秒钟内两次 测量功率模块工作前后的温度偏差 测量实际功率输出与特征曲线之间的调节偏差 测量速度变化时速度调节量 测量单位功率因数时的无功功率 检查在系统容差范围内不同速度下变换器的关机和重启情况 在指定范围内仿真快速电压变化 电压窗模拟，（60Un，最大650ms） 用户界面测试，以及查询功能测试 错误情况下的测试： 部分负载和正常负载时的电压失效 部分负载和正常负载时的电网监测继电器释放
