全功率风机变流器介绍

全功率风机变流器介绍一、全功率变流器控制原理全功率风力发电系统主体电路结构，如图1所示。发电机的输出端连接变流器的机侧，变流器的网侧输出经升压变器后，连接电网。图1全功率风力发电系统主体电路结构。随着风速的变化，发电机的转速也变化，因此发电机输出的电压幅值和频率是变化的，而电网的电压幅值和频率是恒定的。为了将发电机输出的频率和幅值变化的交流电送入到电网，变流器起到中间纽带环节的作用。首先将发电机输出的交流电经机侧变流器部分整流成直流电，再经由网侧变流器部分逆变成交流电送入电网。图2为全功率风力发电功率控制原理图，风机总控依据当前的风况，通过变桨和偏航控制叶片吸收的机械能，获得发电机的转矩量。然后将转矩量值下发给变流器。变流器根据总控下发的转矩指令，控制对发电机电能的抽取，从而控制并网电流大小。风机总控变流器送入电网电能总控依据当前风况，下发发电机转矩指令。转矩指令并网电流变流器响应转矩指令，控制并网功率。图2功率控制原理图对于机侧的变流器部分，在无速度传感器控制技术的基础上，采用基于定子电流定向的复合矢量控制技术，实现最大转矩电流比矢量控制的控制性能。图3为发电机的控制矢量图。fdqsussRiqsqjLisdsdjLi0esfisiqisdis图3发电机控制矢量图对于网侧的变流器部分，采用电流解耦控制技术及并网电流对称控制技术。通过对并网电流的解耦，将并网电流分解为有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制。同时为实现三相并网电流的对称控制，将负序的有功电流和无功电流控制为零。控制结构框图如图4所示。网侧变流器电网aibiciaubucudcuSVPWMpsθDDSRF-SPLLnqindipdipqipsθDDSRF-SPLLpqunqupdunduPI*dcudcup*qiPIpqin*q0iPInqip*diPIpdin*d0iPIndidqpg_qVng_dVpg_dV++ng_qV++dqα_puβ_puα_nuβ_nu++++psθ图4网侧变流器控制框图根据机侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。图5为机侧变流器的主体电路结构，图6为转换为数学模型的机侧控制框图。idcaSC(0.25pu)dc(2.7pu)VbScSaSbScSABCPNPMSG图5机侧变流器主体电路结构pwmK()(r)qdu()qdu()qdi*()qdipwm1/K()1qdsLsR1ipisks1s1sT()fx*T1.56puPWMk0.3pkpu0.8pui0.08pusT图6机侧变流器控制数学模型框图根据网侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。图7为网侧变流器的主体电路机构，图8为为转换为数学模型的网侧控制框图。L1(0.90pu)L2(0.40pu)ucaucbuccidcaSC(0.25pu)dc(2.7pu)VbScSaSbScSABCPN1ai1bi1cicaicbicci1ai2ai2bi2ci0cebeaeCf(0.008pu)图7网侧变流器主体电路结构(s)e22s1RLs1fC)s(L2V)s(2I11s1RL(s)V)s(1I)s(CfI)s(CfV)s(L1VPWMk11dddTskTs1ipisks1s1sT*1(s)I1.56puPWMk0.32pudk0.079pudT0.30.12pkpu0.3pui0.08pusT图8网侧变流器控制数学模型框图全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略如图9所示。图中，DDSRF-SPLL(DecoupledDoubleSynchronousReferenceFrameSPLL)为双同步坐标系软件锁相环，实时检测电网电压的正负序分量角度ps和ns。在正常情况的直驱机组发电运行时，机侧变流器实现功率外环和电流内环控制，在实时跟踪给定发电功率控制的前提下，实现无速度传感器矢量控制和定子电流的最优控制；网侧变流器实现直流电压外环和桥臂并网电流的内环控制，在恒定直流支撑电压等于设定值的前提下，实现桥臂d、q轴正序电流pdi、pqi和负序电流ndi、nqi的解耦控制和电网电压的前馈控制，实时保证并网电流三相对称控制。发电机机侧变流器网侧变流器电网uiviwiuuvuwu无速度传感器控制abcdqssdusqusdisqiPI发电功率计算sdusqusdisqi功率给定计算转矩给定*emT*emPemP*sqi*sdiPIPIsqusduSVPWMaibiciaubucu直流电压协同控制dcusSVPWMemPsdusqu*gQqudupsθDDSRF-SPLLnqindipdipqipsθDDSRF-SPLLpqunqupdunduPI*dcudcup*qiPIpqin*q0iPInqip*diPIpdin*d0iPIndidqpg_qVng_dVpg_dV++ng_qV++dqα_puβ_puα_nuβ_nu++++*dcupsθpqunqupdundu**dcukung_dVng_qVpg_dVpg_qV撬棒电路nsθnsθnsθ网侧变流器直流电压外环控制桥臂并网电流的正负序内环控制机侧变流器功率外环控制机侧电流的内环控制Bang-Bang控制：udcudc_max,有触发信号udcudc_min,无触发信号dcupqVpdVqnVdnV图9全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略二、SVG退出运行时，全功率风机变流器运行情况当高压无功功率补偿器退出运行时，全功率变流器是能够正常运行的，前提是总控工作正常，电网运行在合适的设定范围，满足变流器设计的工作范围内，即高压侧不能超过760VAC，低压正常运行时，不低于690×0.8＝552V。LVRT时除外。三、全功率风机变流器的无功控制原理全功率风机变流器的网侧部分能够起到并网无功功率调节作用。图10为三相电压型PWM变换电路，对此进行工作模式分析。通过对网侧电流控制可以实现四象限运行。图10三相电压型PWM变换器上图中，Ua表示A相交流电源电动势矢量，Va表示交流侧电压（即桥臂中点对电网中点的电压）矢量，Ia表示交流侧电流矢量，ULa表示交流侧电感电压矢量。以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电流矢量即可实现PWM变换器的四象限运行。PWM变换器四象限运行规律如图11所示。图11PWM变换器交流侧矢量关系(1)电压矢量Va端点在圆轨迹AB上运动，如图11(a)所示。PWM变换器运行于整流状态。从电网吸收有功及感性无功功率。在A点运行时，PWM变换器从电网只吸收感性无功功率。(2)电压矢量Va端点在圆轨迹BC上运动，如图11(b)所示。PWM变换器运行于整流状态。从电网吸收有功及容性无功功率。当PWM变换器运行在B点时，则实现单位功率因数整流控制；(3)电压矢量Va端点在圆轨迹CD上运动，如图11(c)所示。PWM变换器运行于有源逆变状态。向电网传输有功及容性无功功率。当PWM变换器运行至C点时，PWM变换器从电网吸收容性无功功率。(3)电压矢量Va端点在圆轨迹DA上运动，如图11(d)所示PWM变换器运行于有源逆变状态。向电网传输有功及感性无功功率。PWM变换器运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。通过控制交流侧电流矢量Ia,来控制变流器的运行状态。对于机侧的变流器，主要在圆轨迹ABC上运动，工作于整流模式，将发电机输出的电压整流成直流电。对于网侧的变流器，主要在圆轨迹CDA上运动，工作于有源逆变模式，将直流电逆变成交流电，送入电网，同时能够实现无功功率调节。对于交流侧电流矢量的控制，采用解耦控制，将交流侧电流矢量分解成有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制，控制原理如图4所示。变流器可实现感性和容性无功调节，在正常运行时，提供的无功功率可达到额定功率的40%。无功功率的调节特性由总控决定，根据当前的电网电压值，可实现单台机组调节或统一调度调节。四、风力发电机组在低电压穿越时功率输出特性。直驱风力发电系统中，电网电压的瞬间跌落会导致网侧变流器输出功率的减小，如果机侧变流器仍旧实时响应总控转矩信号，能量的不匹配将导致直流母线电压，这就势必会威胁到网侧与机侧变流器功率器件如开关管、直流支撑电容的寿命和运行可靠性，因此为瞬间释放发电机馈送到电网的能量，需要网侧、机侧变流器协调控制撬棒卸荷电路动作，保证系统的平稳投切和稳定运行。同时依据要求提供一部分的无功功率支持。在发生低电压穿越时，变流器输出的功率与电网电压跌落的深度和总控下发转矩值有关。由于变流器功率器件的过载能力有限，并网电流大小受到限制，当电网电压跌落时，电流维持一定值时，跌落深度越深，并网功率越小。变流器并入电网的有功功率由机侧决定，总控下发转矩越小，并入电网的功率越小。同时，考虑到无功功率支持的要求，在发生低电压穿越时，除了正常的有功电流送入电网外，还需要送入电网一部分无功电流，以变流器额定电流为限制条件，在发生低电压穿越时,无功电流满足22_qrefNdIII。及投入电网的视在电流值不超过变流器的额定电流值。