《電子技術(shù)應(yīng)用》
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直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器裝置
胡順全
摘要: 本文從控制原理,電路拓撲,技術(shù)特點,實驗分析等方面簡明扼要地闡述了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器。此變流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高,電流總諧波(THD)小,動態(tài)響應(yīng)快,呈電流源特性,易于多單元并聯(lián)。
Abstract:
Key words :
[摘要]:本文從控制原理,電路拓撲,技術(shù)特點,實驗分析等方面簡明扼要地闡述了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器。此變流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高,電流總諧波(THD)小,動態(tài)響應(yīng)快,呈電流源特性,易于多單元并聯(lián)。

 

[關(guān)鍵詞]:風(fēng)力發(fā)電 直驅(qū)式變流器 電流總諧波

 

 
AbstractThe paper briefly introduces the inverter device for direct-drive wind power generation system in the aspect of controlled-theory , circuit structure , technical features , experiment analyzing etc. The inverter also has higher power factor in line side , lower THD , quickly dynamic response . It presents the character of current-source, and it is easy to be paralleled.

 

Key wordsWind power generation   direct – drive inverter   THD

 

  

 

0 引言

 

   風(fēng)力發(fā)電是目前最具有形成規(guī)?;妥罹邆渖虡I(yè)化的可再生能源技術(shù)。而實際上風(fēng)力發(fā)電在很大程度上取決于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展,變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為兆瓦級以上風(fēng)力發(fā)電機組的主流技術(shù)。所謂變速恒頻,就是通過調(diào)速控制,使風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能夠跟隨風(fēng)速的變化,最大限度地提高風(fēng)能的利用效率,有效降低載荷,同時風(fēng)輪及其所驅(qū)動的電機轉(zhuǎn)速變化時,保證輸出的電能頻率始終與電網(wǎng)頻率一致。

 

  變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋式和直驅(qū)式兩種類型。雙饋式由于其變流器串聯(lián)在雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組中,其容量只有系統(tǒng)總功率的1/31/4,有效地降低了系統(tǒng)成本;與雙饋式相比,直驅(qū)式采用低速永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu),無須齒輪箱(或半直驅(qū)式,采用一級齒輪箱),也無滑輪,機械故障少,損耗小,運行效率高,維護成本低,但是,由于直驅(qū)式采用系統(tǒng)全功率傳輸,初始成本相對高?! ∧壳皣鴥?nèi)許多高校,研究所和企業(yè)主要研究、跟蹤,消化吸收雙饋式并網(wǎng)變流器,而我們公司近年來利用多年研究開發(fā)大功率變頻器主電路拓撲和回饋并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)勢,專注直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的開發(fā),成功研制出產(chǎn)品,并安裝調(diào)試于內(nèi)蒙古包頭市自治區(qū)項目中,現(xiàn)已成功運行數(shù)月,且無故障記錄

 

  

 

1控制原理

 

  兆瓦級大功率直驅(qū)式并網(wǎng)變流器采用多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu),單個單元的主電路拓撲采用交—直—交電壓型結(jié)構(gòu),如圖1或圖2所示,圖1采用二極管不控整流和Boost升壓穩(wěn)壓電路,圖2采用PWM全控整流電路。

 

 

 1 帶有Boost升壓穩(wěn)壓電路拓撲

 

采用圖1主電路拓撲,通過Boost升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將很好的控制后端逆變器的輸入直流電壓,即不管二極管不控整流的輸出直流電壓變化多大,通過Boost升壓穩(wěn)壓電路后,其直流電壓基本穩(wěn)定,使后端逆變器調(diào)制度范圍好,提高運行效率,減小損耗,同時,Boost電路還可以對永磁同步發(fā)電機輸出側(cè)進行功率因數(shù)校正。

 

 

2 PWM整流電路拓補

 

采用圖2主電路拓撲,通過PWM可控整流技術(shù),可以很好的處理發(fā)電機端的交流電壓不穩(wěn),諧波較大和直流側(cè)電壓變化大的問題,是最具發(fā)展前途的主電路結(jié)構(gòu)方式。兩種主電路各有各的優(yōu)缺點??刂粕喜捎秒娏鲀?nèi)環(huán),電壓外環(huán)雙閉環(huán)矢量控制技術(shù)。各個單元采用載波移相多重化技術(shù),無需額外增加濾波器,便能使網(wǎng)側(cè)電流總諧波THD小于國標5%的要求。

 

 

技術(shù)特點

 

利用多年的研制低壓大功率變頻器的主電路拓撲和能量回饋并網(wǎng)技術(shù),成功研制出直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器,并已成功用于風(fēng)力發(fā)電項目中,該產(chǎn)品有如下技術(shù)特點:

 

(一)控制上采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制,呈現(xiàn)電流源特性,電流環(huán)是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制的核心。

 

(二)變流器對電網(wǎng)呈現(xiàn)電流源特性,容易做多單元并聯(lián),易于大功率化組裝,各個單元之間采用多重化載波移相,極大的減小了網(wǎng)側(cè)電流總諧波。

 

(三)網(wǎng)側(cè)逆變器采用三電平電路拓撲,適應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣,同時也有益于減小網(wǎng)側(cè)電流總諧波。

 

(四)兆瓦級變流器需多個單元并聯(lián)組合,系統(tǒng)控制會自動分組工作,很容易線性化并網(wǎng)回饋功率,易于整個風(fēng)電項目系統(tǒng)控制,同時有益于減小電流總諧波

 

(五)并網(wǎng)變流器采用先進的PWM控制技術(shù),可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率,減小開關(guān)損耗,提高效率,自動并網(wǎng)功率最大化。

 

(六)具有動態(tài)響應(yīng)快,根據(jù)風(fēng)電整體控制,可以瞬時滿足大范圍功率變化要求,適應(yīng)性強。

 

(七)具有溫度,過流,短路,旁路,網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護功能,具有多種模擬量和數(shù)字量接口,具有CAN總線或RS485串行總線等接口,與風(fēng)電項目中的其它部分連接方便,控制靈活。

 

  

 

實驗波形分析

 

     3,圖4分別是網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖,圖3是并網(wǎng)電流為60A時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖;圖4是并網(wǎng)電流為100A時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖,從兩圖可以看出,網(wǎng)側(cè)電流正弦化,且與電網(wǎng)電壓反相,呈現(xiàn)負的單位功率因數(shù),同時也能觀察到隨著電流的增大,網(wǎng)側(cè)電流的總諧波(THD)越來越小,即整體效率也越來越大。

 

 

3 電流60A時波形圖

 

4 電流100A時波形圖

  

 

4 小結(jié)

 

   直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器采用交—直—交三電平電壓型主電路拓撲,呈控制電流源特性,容易并聯(lián),易于大功率化組裝,網(wǎng)側(cè)電流正弦化,可以軟并網(wǎng),對電網(wǎng)無沖擊,無污染,可以廣泛用于風(fēng)力發(fā)電等可再生能源項目中。

 

 

作者介紹:胡順全,畢業(yè)于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院電力電子與電力傳動專業(yè),現(xiàn)就職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司研發(fā)部工作,從事變頻器、可再生能源回饋裝置等電力電子變換技術(shù)的研發(fā)工作。

 

 

參考文獻:

 

(1) 楊國良,基于電力電子技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀。變頻技術(shù)應(yīng)用,2007263-67

 

(2)Yang zhenkun, liang hui .A DSP control system for the grid-connected inverter in wind enery conversion system . IEEE 2005:1050-1053

 

(3)馬小亮,變速風(fēng)力發(fā)電機組動力驅(qū)動系統(tǒng)方案比較。 變頻器世界 2007,442-48

 

(4)Robert hennchen comparison between double feed asynchronues generator and synchronues generator for use in wind turbines[z]2005

 

 

 

 

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