摘要：

　　作為可再生能源中最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一，風(fēng)能越來越受到世界各國的重視。本文以2.0MW雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器為例，介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對主要器件參數(shù)進(jìn)行計算和選擇，其次對系統(tǒng)控制策略加以說明。

      Abstract：

      Wind energy as one of the renewable power technology which was the most close to commercialization has been more and more attention by the countries all over the world. In the case of 2.0MW Doubly-fed Wind Power Converters, this discussion introduce the topologies that doubly-fed wind power converters most commonly used , and the calculation and choice of the main device parameter , then demonstrates system control strategy.

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；雙饋?zhàn)兞髌?；網(wǎng)側(cè)濾波器；控制策略；

      Key words：wind power；double-fed converter；grid side filter；control stategy

　　1 引言

　　隨著地球常規(guī)能源的日益枯竭，發(fā)展可再生能源已經(jīng)是大勢所趨。主要發(fā)達(dá)國家、發(fā)展中國家，都已經(jīng)將發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源作為應(yīng)對新世紀(jì)能源和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，風(fēng)能無疑是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器憑借其體積小、價格低等優(yōu)勢被大多數(shù)風(fēng)電廠采用，雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器也逐漸成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。

　　2 雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)基本工作原理

　　2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)介紹

　　雙饋風(fēng)電變流器系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示，采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵磁的雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步感應(yīng)電機(jī)類似。定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的電源供給三相低頻勵磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速。從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓。

　　由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣使變頻器的成本、體積大大降低。

　　這種控制方案通過控制轉(zhuǎn)子電流幅值和相位還可以改變發(fā)電機(jī)的功率角。因此通過調(diào)節(jié)勵磁可以實(shí)現(xiàn)有功無功的獨(dú)立控制，達(dá)到功率因數(shù)靈活調(diào)節(jié)。對電網(wǎng)而言，輸出無功功率可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?；吸收無功功率起到抑制過電壓的作用，從而對于穩(wěn)定電網(wǎng)做出貢獻(xiàn)。

　　這種方案的缺點(diǎn)是交流勵磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷；交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、能量關(guān)系復(fù)雜，控制策略也就相對比較復(fù)雜。

　　2.22.0MW雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)主回路說明

　　如2-1圖所示，本系統(tǒng)中設(shè)計了由KM2控制的預(yù)充電支路，當(dāng)KM2閉合后，通過限流電阻緩慢對直流母線上電容充電，當(dāng)母線電壓達(dá)到一定值時方閉合KM1，并切除預(yù)充電支路，這樣防止直接閉合網(wǎng)側(cè)KM1時對變流器母線電容的沖擊。

　　網(wǎng)側(cè)LC型濾波單元（U5），可以對變換器輸出電壓里富含的開關(guān)諧波起到濾波作用。

　　在電網(wǎng)發(fā)生瞬間跌落故障時，制動單元（U3）與Crowbar單元（U6）配合動作，來保持變流器并網(wǎng)運(yùn)行不脫網(wǎng)。

　　轉(zhuǎn)子側(cè)LC濾波單元（U4），抑制機(jī)側(cè)輸出中的電壓開關(guān)諧波，將dv/dt控制在一定范圍內(nèi)。

　　網(wǎng)側(cè)變流器單元(U2)是一個三相PWM整流器，為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器單元(U1)提供穩(wěn)定的直流電壓；而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實(shí)際上是一個逆變器，為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵磁。網(wǎng)側(cè)變流器單元與機(jī)側(cè)變流器都有各自的DSP負(fù)責(zé)對其的實(shí)時控制。

　　當(dāng)變流器控制系統(tǒng)檢測到機(jī)組滿足并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)開關(guān)（QF2）閉合，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

　　3 2.0MW雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器主要器件參數(shù)計算

　　3.1電網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計

　　3.1.1電網(wǎng)側(cè)濾波器電感設(shè)計

　　網(wǎng)側(cè)PWM整流器交流側(cè)進(jìn)線電感的設(shè)計首先應(yīng)該滿足整流器輸出有功(無功)功率的要求，同時也要滿足抑制電流諧波及快速電流跟蹤的要求。下面給出了PWM整流器工作在單位功率因數(shù)時對電感的約束條件

　　在本2.0MW雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)中，三相PWM整流器總功率為720kW，交流進(jìn)線電壓690，直流母線電壓為1100V，開關(guān)頻率為2.5kHz，網(wǎng)側(cè)額定電流值為600A?？傠姼羞x擇時，諧波電流脈動最大允許值可以放大到額定電流的10%～20%，本系統(tǒng)中取電流諧波脈動最大允許值

　　3.1.2電網(wǎng)側(cè)濾波器電容設(shè)計

　　設(shè)三相PWM整流器的總功率為，則電容上消耗的無功：

　　直流母線電壓最小1073V。選取直流母線電壓為1100V。

　　考慮到以上因素，及市面上IGBT的供貨情況，留有一定裕量，我們選擇1700V，1000A的IGBT并聯(lián)，網(wǎng)側(cè)每相單元采用兩支并聯(lián)，機(jī)側(cè)每相單元采用三支并聯(lián)，來滿足本系統(tǒng)要求。

　　3.3 直流母線濾波電容計算

　　直流母線濾波電容C的容量選擇主要考慮以下三方面因素：

　　(1)電容值能滿足期望的紋波電壓

　　(2)電容的額定電壓

　　(3)電容的額定紋波電流

　　基于對紋波電流與電解電容發(fā)熱量和壽命關(guān)系的分析，紋波電流對于電力電子裝置濾波電容容量的選取起到關(guān)鍵的約束作用。因此，可根據(jù)紋波電流最大允許值來計算濾波電容容量。濾波電容的計算依據(jù)是在直流電流脈動最嚴(yán)重的情況下，保持電壓脈動在容許范圍內(nèi)。

　　假設(shè)負(fù)載電流為正弦電流，則直流回路的脈動直流電流也是有規(guī)律的，

　　4.軟件總體框架

　　由于2.0MW風(fēng)電變流器主拓?fù)洳捎媒?直-交結(jié)構(gòu)，硬件采用機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)獨(dú)立控制，因此其軟件主要分為：網(wǎng)側(cè)控制軟件、機(jī)側(cè)控制軟件兩部分。

　　軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，根據(jù)程序的功能將其分為個功能模塊，機(jī)側(cè)/網(wǎng)側(cè)程序主要包括：系統(tǒng)初始化模塊，AD采樣濾波轉(zhuǎn)換模塊，CAN通信模塊，波形顯示模塊、軟啟動模塊，電壓故障采集模塊，低電壓穿越處理模塊，機(jī)側(cè)/網(wǎng)側(cè)控制算法模塊，SVPWM生成模塊，程序采用定時中斷方式進(jìn)行AD采集及相應(yīng)的閉環(huán)控制，程序在AD中斷及主定時中斷中輪巡執(zhí)行。程序中的算法主要是網(wǎng)側(cè)的電壓外環(huán)及雙電流閉環(huán)控制、電機(jī)側(cè)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制。

　　4.1網(wǎng)側(cè)控制策略

　　電網(wǎng)電壓定向矢量控制采用雙閉環(huán)級聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓；電流環(huán)根據(jù)電壓環(huán)給出的電流指令對交流側(cè)輸入電流進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。如下圖所示。

　　為了檢測電網(wǎng)電壓不對稱跌落、系統(tǒng)采集負(fù)序電壓、電流并通過雙電流閉環(huán)進(jìn)行獨(dú)立控制。電網(wǎng)電壓的低落則通過采集坐標(biāo)變換在同步坐標(biāo)下的d-q分量經(jīng)濾波后，送給電流計算環(huán)節(jié)，對電網(wǎng)進(jìn)行無功支撐。

　　4.2機(jī)側(cè)控制策略

　　交流勵磁雙饋電機(jī)與電網(wǎng)之間采用柔性連接，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制，就可在變速運(yùn)行中的任何轉(zhuǎn)速下滿足并網(wǎng)條件，實(shí)現(xiàn)成功并網(wǎng)，雙饋電機(jī)并網(wǎng)條件是定子電壓和電網(wǎng)電壓在幅值、頻率及相位相同，因而并網(wǎng)之前應(yīng)對定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。成功并網(wǎng)之后，風(fēng)電機(jī)組根據(jù)實(shí)際風(fēng)速、風(fēng)向及電網(wǎng)調(diào)度需要對機(jī)組的有功功率，無功功率實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)。因而并網(wǎng)之后應(yīng)對雙饋電機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　機(jī)側(cè)分段并網(wǎng)控制策略，依次為轉(zhuǎn)子位置初始誤差的補(bǔ)償階段、定子電壓的建立階段、雙饋電機(jī)的并網(wǎng)階段。并網(wǎng)期間實(shí)時提取電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子電壓電流的d-q分量并進(jìn)行濾波、當(dāng)母線電壓過壓、轉(zhuǎn)子過流或過壓時封鎖機(jī)側(cè)PWM信號，投入Crowbar電路保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子，待電流穩(wěn)定后恢復(fù)機(jī)側(cè)變流器，采取無功支撐算法，當(dāng)電壓恢復(fù)時機(jī)側(cè)變流器繼續(xù)進(jìn)行功率控制。

　　5.結(jié)束語

　　本文以2.0MW雙饋風(fēng)電變流器為例，介紹了系統(tǒng)主回路中網(wǎng)側(cè)濾波器、母線電容、IGBT等器件參數(shù)的計算以及選型，其次對系統(tǒng)的軟件總體框架、網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)控制策略加以說明。

　　作者簡介：

　　張哲 男 哈爾濱九州電氣新能源事業(yè)部研發(fā)員，主要從事大功率風(fēng)力發(fā)電變流器研究。