电力电子知识入门4

电力电子知识入门（四）——电力电子在风光储中的应用2011.10.0712目录风力发电光伏发电电力储能3目前风电发展呈现特点风力发电电气控制组成风电变流器（双馈、直驱）国外风电变流器产品介绍风电变流器发展展望一风力发电4一风力发电5目前风电发展呈现特点：因风能转换效率高，在大型风电机组上更显经济性等，水平轴风电机组成了世界风电发展的主流机型，并占到95%以上的市场份额；而具有载荷控制平稳、安全和高效等优点的变桨距功率调节方式，近年也得到广泛采用。我国2008年安装的兆瓦级风电机组，都是变桨距机组。风电机组的单机容量持续增大，世界上主流机型已经从2000年的500～1000千瓦增加到2008年的2～3兆瓦。海上风电场的开发进一步加快了大容量风机的发展，目前，已有企业开始设计和制造8～10兆瓦风电机组。直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。据祁和生介绍，无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场的青睐。大型风电机组关键部件的性能日益提高。国外己研发出3000V~12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机的效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98%以上；某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化。风电场建设和运营的技术水平日益提高。“随着投资者对风电场建设前期的评估和建成后运行质量的要求越来越高，国外已开发出了许多先进测试设备和评估软件。”祁和生介绍说，在风电场选址方面开发了商业化的应用软件；在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件；国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究，精确度可达90%以上。一风力发电6风力发电电气控制系统一风力发电7整机分类从整机结构上分类，风电整机可以分成异步失速，双馈变速恒频，永磁直驱三种。由于电网对无功补偿和低电压穿越能力的要求，已经安装的异步失速风机风场，需要进行相应的改造以满足并网的要求。双馈变速恒频和永磁直驱风机由于安装了变流器，具有较好的对功率因素和无功的调节能力，逐步成为主要的发展方向。目前主流在产的1.5MW和2MW风机均采用这两种技术路线。风力发电电气控制系统一风力发电8典型的双馈机型结构典型的直驱风机结构无齿轮箱直驱式风机：风机叶轮直接驱动多级同步发电机的转子发电，免去齿轮箱这一传统部件，发电机采用高磁能积的永磁材料作为磁极，省去了励磁绕组产生的损耗。双馈风力发电机：是通过叶轮将风能转变为机风轮转动惯量，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。风力发电电气控制系统一风力发电9风电变流器一风力发电风电变流器与传动链的电气连接示意图10双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。三相交流电网平波电抗器绕线转子异步发电机逆变器整流器风轮PwPa双馈异步发电机的系统结构双馈电机及变流器风电变流器一风力发电11双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：式中f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；p——发电机的极对数；n——转子的转速（r/min）；f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。122160fnpf一风力发电根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时nn1，转差率s0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。13定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。一风力发电2）超同步运行状态。此时nn1，转差率s0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流。14定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。一风力发电15当来流风速降低时，风力机转速降低，双馈风力发电机的转子转速n也降低，转子绕组电流产生的旋转磁场转速n2将低于双馈风力发电机的同步转速n1，定子绕组感应电动势的频率f低于额定频率f1（50Hz），此时转速测量装置立即将转速降低这一信息反馈到变流器，使转子电流的频率增高，则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速n1，于是定子绕组感应电动势的频率又恢复到额定频率f1。同理，当来流风速增大时，系统也会自动调整转子电流的频率，从而实现定子电流频率的恒定不变。总之当双馈风力发电机转子转速高于或低于同步转速时，应控制变频器能量流入或流出电网；二者相同时，变频器提供直流励磁。这样就控制了定子向电网供应电能频率的稳定。双馈风机控制控制过程：一风力发电16双馈机组特点：双馈机组采用了多级齿轮箱驱动异步发电机，它的电机转速高，转矩小，重量轻，体积小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械损耗。双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3~1/4。双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在出现电网电压跌落的情况下，如果网侧电压下降40％，将会造成电机侧的电流上升4倍，考虑这种情况则变流器需要选用容量更大的IGBT，或者采用“crowbar”。另一方面电机侧的电流突增会对传动系统中的齿轮箱和发电机产生冲击，这些因素在双馈型变流装置的设计时都要予以充分的考虑。一风力发电17直驱电机及变流器发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变流器可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，具有较强的低电压穿越能力。当发电机采用低速多极同步发电机时,可以不使用齿轮箱,即“直接驱动”风力机系统，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/电流转换为和接入电网相匹配的电压和频率。风电变流器一风力发电18191、由于电机在不同转速下输出电压不同，因此逆变器输入侧的直流电压一直在变化。当风速较低时，PWM逆变器输入电压很低，为了并网，必须提高逆变器的调制深度。这会导致逆变器运行效率低，开关利用率低，峰值电流高，传导损耗大。2、由于不控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。由于不控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。可在整流之后采用多级Boost电路交错并联的方式以增加功率传送能力并降低开关频率。主要缺点是，前端的PWM整流器的会大大提高系统的成本。一风力发电直驱型变流器拓扑20直驱方案的优点：采用永磁同步发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。直驱型机组虽然采用了全功率变频装置导致成本上升，但是全功率变频装置所具有的技术优势却是非常明显的，它省去了故障率高、维护量大的滑环装置，使整机的可靠性进一步提高。特别是当电网出现电压跌落的情况时，由于全功率变流器的输出电流可以由直流电压做闭环控制，基本上能够很容易地控制输出电流的波动，这对电网的安全运行和保障机组设备本身的安全是非常重要的。一风力发电21双馈异步式风力发电机和永磁直驱式同步风力发电机比较一风力发电22可以安装在塔基处或者发电机舱内一风力发电ABB公司ACS800-67（用于异步滑环发电机）国外风电变流器产品介绍23变流器模块一风力发电ABB公司ACS800-67（用于异步滑环发电机）国外风电变流器产品介绍24ACS800-67双馈电机变流器原理图一风力发电国外风电变流器产品介绍25电路板之间的接线图一风力发电国外风电变流器产品介绍26网侧和转子侧变流器网侧变流器是一个基于IGBT模块的变流器(ISU)，它带有AC或DC熔断器及可选设备。它带有一个装有IGBT供电控制程序的RDCU-02控制单元。网侧变流器由转子侧变流器控制单元通过光纤进行控制。网侧变流器将输入的三相交流电整流为传动单元中间直流电路所需要的直流电。中间直流电流向转子侧变流器供电。网侧滤波器用来抑制交流电压和电流谐波。缺省情况下，网侧变流器将直流环节的电压控制在输入线电压的峰值。也可以通过一个参数将直流电压给定值设得更高。IGBT半导体模块的控制基于电机传动控制领域常用的直接转矩控制方法(DTC)。每个变流器模块都装有一个转速可控的内部风扇。该风扇的转速可以根据IGBT模块的温度进行调节。转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT的逆变器模块(INU)。该变流器装有绕线电机控制应用程序，该程序还通过光纤对网侧变流器模块进行控制。LCL滤波器模块用来减少传动单元向电网产生的干扰。Du/dt滤波器用于抑制转子绝缘上出现的电压尖峰和快速瞬变电压。Crowbar用来在电网出现异常情况时防止出现过电压，例如在电网失压或电网短路时。一风力发电ACS800-67双馈变流器特点国外风电变流器产品介绍27冷启动在传动单元通电之前，必须保证传动单元柜体内的温度和湿度在允许的范围之内。传动单元柜体内有一个加热逻辑电路，它控制着柜体内部的加热系统，该电路保证了只有在工作条件满足要求时才能启动传动单元。只有在网侧变流器接触器断开并且传动单元从电网断开时才能进行加热。当传动单元接入电网时，变流器的正常损耗可以保证传动的温度满足运行要求。加热逻辑原理图一风力发电国外风电变流器产品介绍28Converteam双馈变流器ProWind(风冷)风冷2MW内置LVRT硬件机侧参数额定电压690V额定容量950KVA额定电流760A一风力发电国外风电变流器产品介绍29Converteam双馈变流器ProWind(水冷)2.5MW一风力发电国外风电变流器产品介绍30ProWind双馈变流系统的主要技术参数Converteam一风力发电国外风电变流器产品介绍31ConverteamLVRT方案一风力发电国外风电变流器产品介绍32一风力发电风电变流器发展展望高功率密度、通用模块化设计风力发电机组容量的增长要求变流器的功率密度不断得到提高，同时未来的海上风场环境也要求系统有很高的可靠性和方便的维护性。因此需要采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计方式。目前风电变流器应用最广泛的开关器件为IGBT，而随着变流器容量的增加，功率等级更高的IGCT将逐步得到推广应用。IGCT器件采用平板结构，损耗可以通过上下两个散热面向外传导，这就为充分发挥器件的功率处理能力、减小设备体积创造了有利条件。ABBPCS6000(5MW)全功率变流器中采用积木式模块，该模块集成了8个IGCT单元、吸收电路及水冷回路，取出任何一个IGCT单元都不需要拆卸母排和水管，并且智能保护系统能够在没有保险管的前提下保证IGCT损坏不会导致其余部件的损毁，其可靠性和可维护性达到了相当高的水平。三电平IGCT集成单元33电压电流等级不断提高，拓扑结构更加灵活多样海上风力发电将风机从陆地移向海面成为一种新的趋势。随着风电机组单机容量的不断增大，风电变流器的电压与电流等级也在不断提高，多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后，可以在常规功率器件耐压基础上，实现高电压等级，获得更多级的输出电压，且波形更接近正弦，谐波含量少，电压变化率小。目前，世界范围内从事大功率风力发电用变流器和高压变频器研制的一些公司，均采用多电平的产品方案:ABB用于风力发电的变