風(fēng)力發(fā)電 直驅(qū)式變流器 電流總諧波

????? 摘要：本文從控制原理，電路拓?fù)洌夹g(shù)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，呈電流源特性，易于多單元并聯(lián)。
Abstract：The 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.

　　0 引言
?　　風(fēng)力發(fā)電是目前最具有形成規(guī)模化和最具備商業(yè)化的可再生能源技術(shù)。而實(shí)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(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)風(fēng)輪及其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，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(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中，其容量只有系統(tǒng)總功率的1/3—1/4，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(jī)結(jié)構(gòu)，無須齒輪箱（或半直驅(qū)式，采用一級(jí)齒輪箱），也無滑輪，機(jī)械故障少，損耗小，運(yùn)行效率高，維護(hù)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。　　目前國內(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?fù)浜突仞伈⒕W(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(xiàng)目中，現(xiàn)已成功運(yùn)行數(shù)月，且無故障記錄
　　1控制原理
　　兆瓦級(jí)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(gè)單元的主電路拓?fù)洳捎媒弧薄浑妷盒徒Y(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。

?圖1 帶有Boost升壓穩(wěn)壓電路拓?fù)?br />采用圖1主電路拓?fù)洌ㄟ^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(yùn)行效率，減小損耗，同時(shí)，Boost電路還可以對永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。

圖2 PWM整流電路拓補(bǔ)

采用圖2主電路拓?fù)洌ㄟ^PWM可控整流技術(shù)，可以很好的處理發(fā)電機(jī)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(diǎn)。控制上采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)雙閉環(huán)矢量控制技術(shù)。各個(gè)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(biāo)5%的要求。
2 技術(shù)特點(diǎn)
利用多年的研制低壓大功率變頻器的主電路拓?fù)浜湍芰炕仞伈⒕W(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(xiàng)目中，該產(chǎn)品有如下技術(shù)特點(diǎn)：
（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(gè)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?fù)洌m應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣，同時(shí)也有益于減小網(wǎng)側(cè)電流總諧波。
（四）兆瓦級(jí)變流器需多個(gè)單元并聯(lián)組合，系統(tǒng)控制會(huì)自動(dòng)分組工作，很容易線性化并網(wǎng)回饋功率，易于整個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目系統(tǒng)控制，同時(shí)有益于減小電流總諧波
（五）并網(wǎng)變流器采用先進(jìn)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(dòng)并網(wǎng)功率最大化。
（六）具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，根據(jù)風(fēng)電整體控制，可以瞬時(shí)滿足大范圍功率變化要求，適應(yīng)性強(qiáng)。
（七）具有溫度，過流，短路，旁路，網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護(hù)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(xiàng)目中的其它部分連接方便，控制靈活。
　　3 實(shí)驗(yàn)波形分析
???? 圖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(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖4是并網(wǎng)電流為100A時(shí)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(fù)的單位功率因數(shù)，同時(shí)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。

圖3 電流60A時(shí)波形圖

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圖4 電流100A時(shí)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?fù)洌士刂齐娏髟刺匦裕菀撞⒙?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(xiàng)目中。

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