全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理及控制策略

1、第五章 全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組的工工作原理理及控制制策略 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc291525202 5.1 全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組的工工作原理理 PAGEREF _Toc291525202 h 2 HYPERLINK l _Toc291525203 5.1.1全功功率變流流器風(fēng)電電機(jī)組傳傳動(dòng)鏈形形式 PAGEREF _Toc291525203 h 2 HYPERLINK l _Toc291525204 5.1.2同步步發(fā)電機(jī)機(jī) PAGEREF _Toc291525204 h 2 HYPERLINK l _Toc291525205 5.1.3永磁

2、磁同步風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)及特點(diǎn)點(diǎn) PAGEREF _Toc291525205 h 5 HYPERLINK l _Toc291525206 5.1.4電勵(lì)勵(lì)磁同步步風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)及特特點(diǎn) PAGEREF _Toc291525206 h 15 HYPERLINK l _Toc291525207 5.2 全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組變流流器 PAGEREF _Toc291525207 h 16 HYPERLINK l _Toc291525208 5.2.1 電電機(jī)側(cè)變變流器控控制策略略 PAGEREF _Toc291525208 h 18 HYPERLINK l _Toc291525209 5.

3、2.1 電電網(wǎng)側(cè)變變流器控控制策略略 PAGEREF _Toc291525209 h 195.1 全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組的工工作原理理5.1.1全功功率變流流器風(fēng)電電機(jī)組傳傳動(dòng)鏈形形式隨著現(xiàn)代代風(fēng)電機(jī)機(jī)組的額額定功率率呈現(xiàn)上上升趨勢(shì)勢(shì)，風(fēng)輪輪槳葉長長度逐漸漸增加而而轉(zhuǎn)速降降低。例例如：額額定功率率為5MMW的風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組槳葉長長度超過過60米米，轉(zhuǎn)子子額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為110rppm左右右。當(dāng)發(fā)發(fā)電機(jī)為為兩對(duì)極極時(shí)，為為了使55MW風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)通過過交流方方式直接接與額定定頻率為為50HHz的電電網(wǎng)相連連，機(jī)械械齒輪箱箱變速比比應(yīng)為1150。齒輪箱箱變速比比的增加加，給兆兆瓦級(jí)風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組變速

4、箱箱的設(shè)計(jì)計(jì)和制造造提出了了挑戰(zhàn)。風(fēng)電機(jī)機(jī)組功率率及變速速箱變速速比增大大時(shí)，其其尺寸、重量及及摩擦磨磨損也在在增加。作為另另外一種種選擇，風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)可可以采用用全功率率變流器器以ACC/DCC/AC的方方式與電電網(wǎng)相連連。全功率變變流器是是一種由由直流環(huán)環(huán)節(jié)連接接兩組電電力電子子變換器器組成的的背靠背背變頻系系統(tǒng)。這這兩個(gè)變變頻器分分別為電電網(wǎng)側(cè)變變換器和和發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變換換器。發(fā)發(fā)電機(jī)側(cè)側(cè)變換器器接受感感應(yīng)發(fā)電電機(jī)產(chǎn)生生的有功功功率，并將功功率通過過直流環(huán)環(huán)節(jié)送往往電網(wǎng)側(cè)側(cè)變換器器。發(fā)電電機(jī)側(cè)變變換器也也用來通通過感應(yīng)應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)的定子子端對(duì)感感應(yīng)發(fā)電電機(jī)勵(lì)磁磁。電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變換換器接受受通過直

5、直流環(huán)節(jié)節(jié)輸送來來的有功功功率，并將其其送到電電網(wǎng)，即即它平衡衡了直流流環(huán)節(jié)兩兩側(cè)的電電壓。根根據(jù)所選選的控制制策略，電網(wǎng)側(cè)側(cè)變換器器也用來來控制功功率因數(shù)數(shù)或支持持電網(wǎng)電電壓。5.1.2同步發(fā)發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)使用的的同步發(fā)發(fā)電機(jī)絕絕大部分分是三相相同步發(fā)發(fā)電機(jī)。同步發(fā)發(fā)電機(jī)主主要包括括定子和和轉(zhuǎn)子兩兩部分。定子是是同步發(fā)發(fā)電機(jī)產(chǎn)產(chǎn)生感應(yīng)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勢(shì)的部件件，由定定子鐵芯芯、三相相電樞繞繞組和起起支撐及及固定作作用的機(jī)機(jī)座組成成。轉(zhuǎn)子子的作用用是產(chǎn)生生一個(gè)強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng)，并且可可以由勵(lì)勵(lì)磁繞組組進(jìn)行調(diào)調(diào)節(jié)，主主要包括括轉(zhuǎn)子鐵鐵心、勵(lì)勵(lì)磁繞組組、滑環(huán)環(huán)等。同同步發(fā)電電機(jī)的勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)統(tǒng)一般分分為兩類類，一

6、類類是用直直流發(fā)電電機(jī)作為為勵(lì)磁電電源的直直流勵(lì)磁磁系統(tǒng)，另一類類是用整整流裝置置將交流流變成直直流后供供給勵(lì)磁磁的整流流勵(lì)磁系系統(tǒng)。發(fā)發(fā)電機(jī)容容量大時(shí)時(shí)，一般般采用整整流勵(lì)磁磁系統(tǒng)。同步發(fā)發(fā)電機(jī)是是一種轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速速與電樞樞電動(dòng)勢(shì)勢(shì)頻率之之間保持持嚴(yán)格不不變關(guān)系系的交流流電機(jī)。同步發(fā)電電機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子基木木上是一一個(gè)大的的電磁鐵鐵。磁極極有凸極和隱隱極兩種種結(jié)構(gòu)。凸極轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)構(gòu)和加工工比較簡簡單，制制造成本本低。中中小容量量電機(jī)一一般采用用凸極以以降低成成本；對(duì)大大容量、高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速原動(dòng)動(dòng)機(jī)，高高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的發(fā)電電機(jī)轉(zhuǎn)子子將承受受很大的的離心力力，采用用隱極可可以更好好地固定定勵(lì)磁繞繞組。同步發(fā)電電機(jī)

7、轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)示示意圖當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)勵(lì)磁繞組組中流過過直流電電流時(shí)，產(chǎn)生磁磁極磁場(chǎng)場(chǎng)或稱為為勵(lì)磁磁磁場(chǎng)。原原動(dòng)機(jī)拖拖動(dòng)轉(zhuǎn)子子旋轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，主磁磁場(chǎng)同轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子一起起旋轉(zhuǎn)，就得到到一個(gè)機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)場(chǎng)對(duì)定子子發(fā)生相相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，在定定子繞組組中感應(yīng)應(yīng)出三相相對(duì)稱的的交流電電勢(shì)。由由于定子子三相對(duì)對(duì)稱繞組組在空間間上相差差1200，因此此三相電電勢(shì)也在在時(shí)間上上相差1120電角度度。這個(gè)個(gè)交流電電勢(shì)的頻頻率取決決于電機(jī)機(jī)的極對(duì)對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速速，即由于我國國電網(wǎng)電電源頻率率為500Hz，發(fā)電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速速必須保保持恒定定。根據(jù)電機(jī)機(jī)理論，圖給出出隱極同同步發(fā)電電機(jī)的等等效電路路。圖中中，為發(fā)發(fā)電機(jī)空空載時(shí)定定

8、子繞組組一相感感應(yīng)的電電動(dòng)勢(shì)，為負(fù)載載電流，為一相相端電壓壓，為定定子繞組組一相的的電阻，為同步步電機(jī)的的同步電電抗。通通常定子子繞組的的電阻比比同步電電抗小很很多，因因此可以以忽略。圖為忽忽略電阻阻后隱極極同步發(fā)發(fā)電機(jī)簡簡化的相相量圖。和之間的的夾角叫叫做功率率因數(shù)角角。和之間的的夾角叫叫做功率率角。隱極同步步發(fā)電機(jī)機(jī)的等效效電路與與簡化的的向量圖圖攻角特性性：在忽略電電樞電阻阻的情況況下，根根據(jù)電機(jī)機(jī)學(xué)理論論，同步步發(fā)電機(jī)機(jī)輸出的的電磁功功率等于于輸出的的有功功功率其中，為為發(fā)電機(jī)機(jī)的相數(shù)數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)，有功功功率表達(dá)達(dá)式為對(duì)于并聯(lián)聯(lián)于無限限大電網(wǎng)網(wǎng)上的同同步發(fā)電電機(jī)，發(fā)發(fā)電機(jī)的的端電壓壓U即

9、為為電網(wǎng)電電壓，保保持不變變，在恒恒定勵(lì)磁磁電流條條件下，根據(jù)上上式可知知，隱極極式同步步發(fā)電機(jī)機(jī)輸出的的電磁功功率與攻攻角的正正弦成正正比。這可以通通過下圖圖所示的的攻角特特性曲線線描述。當(dāng)不變變時(shí)，由由畫出的的曲線稱稱為攻角角特性曲曲線。當(dāng)當(dāng)時(shí)，隱隱極發(fā)電電機(jī)輸出出的電功功率最大大。圖 攻角角特性有功功率率的調(diào)節(jié)節(jié)由式可知知，對(duì)于于一臺(tái)并并聯(lián)到無無限大電電網(wǎng)上的的同步發(fā)發(fā)電機(jī)，如果想想增加發(fā)發(fā)電機(jī)的的輸出有有功功率率，當(dāng)勵(lì)勵(lì)磁不作作調(diào)節(jié)時(shí)時(shí)，就必必須增大大功率角角。功率率角的物物理意義義可以從從時(shí)間和和空間兩兩個(gè)角度度來進(jìn)行行理解。對(duì)于發(fā)發(fā)電機(jī)而而言，是是勵(lì)磁電電動(dòng)勢(shì)超超前于端端電壓的的時(shí)

10、間角角；從空空間上，可看作作轉(zhuǎn)子磁磁極軸線線與電樞樞等效合合成磁極極軸線之之間的空空間角。因此，增大功功率角意意味著必必須增加加來自原原動(dòng)機(jī)的的輸入功功率，使使轉(zhuǎn)子加加速，從從而使功功率角增增大，從從而增大大發(fā)電機(jī)機(jī)的有功功功率。但需注注意，區(qū)域是是發(fā)電機(jī)機(jī)穩(wěn)定工工作范圍圍，因此此功率角角的增加加不能超超過穩(wěn)定定極限990，如果果再增加加來自原原動(dòng)機(jī)的的輸入功功率，則則無法建建立新的的平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將繼繼續(xù)上升升而失速速。無功功率率的調(diào)節(jié)節(jié)接到電網(wǎng)網(wǎng)上的負(fù)負(fù)載，除除了阻性性負(fù)載外外，還有有感性負(fù)負(fù)載和容容性負(fù)載載，所以以一個(gè)電電力系統(tǒng)統(tǒng)除了要要能提供供負(fù)載有有功功率率外，還還要有提提供和調(diào)調(diào)

11、節(jié)無功功功率的的能力。通過改改變同步步發(fā)電機(jī)機(jī)的勵(lì)磁磁電流，可調(diào)節(jié)節(jié)同步發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)輸輸出的無無功功率率。當(dāng)=1時(shí)時(shí)，定子子的電流流最小，這種情情況稱為為負(fù)載時(shí)時(shí)的正常常勵(lì)磁。在正常常勵(lì)磁基基礎(chǔ)上增增加勵(lì)磁磁電流，稱為過過勵(lì)。在在正常勵(lì)勵(lì)磁基礎(chǔ)礎(chǔ)上較少少勵(lì)磁電電流，稱稱為欠勵(lì)勵(lì)。無論論增大和和減小勵(lì)勵(lì)磁電流流，都將將使定子子電流增增大。發(fā)發(fā)電機(jī)輸輸出的無無功功率率可通過過描述。在正常常勵(lì)磁時(shí)時(shí)，發(fā)電電機(jī)只輸輸出有功功功率。過勵(lì)時(shí)時(shí)，電樞樞反應(yīng)為為去磁作作用，定定子電流流落后于于端電壓壓，發(fā)電電機(jī)除了了向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出有有功功率率外，還還向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出感感性無功功功率。欠勵(lì)時(shí)時(shí)，電樞樞反應(yīng)為為增磁作作用，

12、定定子電流流超前于于端電壓壓，發(fā)電電機(jī)除了了向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出有有功功率率外，還還向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出容容性無功功功率。5.1.3永磁同同步風(fēng)力力發(fā)電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)及及特點(diǎn)（1）直直驅(qū)式外外轉(zhuǎn)子永永磁風(fēng)力力發(fā)電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu) 外轉(zhuǎn)子子電機(jī)的的特點(diǎn)是是定子在在靠軸中中間不動(dòng)動(dòng)，轉(zhuǎn)子子在外圍圍旋轉(zhuǎn)。在下圖圖中展示示了內(nèi)定定子的構(gòu)構(gòu)造，內(nèi)內(nèi)定子由由硅鋼片片疊成，與常見見的外定定子相反反，其線線圈槽是是開在鐵鐵芯圓周周的外側(cè)側(cè)。內(nèi)定子鐵鐵芯通過過定子的的支撐體體固定在在底座上上，在底底座上有有轉(zhuǎn)子軸軸承孔用用來安裝裝外轉(zhuǎn)子子的轉(zhuǎn)軸軸。 在定子鐵鐵芯的槽槽內(nèi)嵌放放著定子子繞組，繞組是是按三相相規(guī)律分分布，與與外定子子繞組類類似。

13、 外轉(zhuǎn)子如如同一個(gè)個(gè)桶套在在定子外外側(cè)，由由導(dǎo)磁良良好的鐵鐵質(zhì)材料料制成，在“桶”的內(nèi)側(cè)側(cè)固定有有永久磁磁鐵做成成的磁極極，這種種結(jié)構(gòu)的的優(yōu)點(diǎn)是是磁極固固定較容容易，不不會(huì)因?yàn)闉殡x心力力而脫落落。 按多極發(fā)發(fā)電機(jī)的的原理，磁極的的布置如如下圖 把外轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)軸安安裝在定定子機(jī)座座的軸承承上 在實(shí)際風(fēng)風(fēng)力機(jī)制制造中往往往把外外轉(zhuǎn)子磁磁軛直接接與風(fēng)輪輪輪轂（包括輪輪轂外罩罩）制成成一體，使結(jié)構(gòu)構(gòu)更緊湊湊。（2）直直驅(qū)永磁磁中間定定子盤式式風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)直驅(qū)永磁磁盤式風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)的定定子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子都呈呈平面圓圓盤結(jié)構(gòu)構(gòu)，定子子與轉(zhuǎn)子子軸向交交替排列列，這里里介紹中中間定子子盤式發(fā)發(fā)電機(jī)。下圖是是一

14、個(gè)盤盤式定子子。由于于盤式發(fā)發(fā)電機(jī)通通過定子子繞組的的的磁力力線是軸軸向走向向，在電電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)是繞繞軸運(yùn)行行的，所所以定子子的硅鋼鋼片是繞繞制的，在兩側(cè)側(cè)有繞組組的嵌線線槽。 在定子線線槽內(nèi)分分布著定定子繞組組，按三三相布置置連接。 定子鐵芯芯固定在在機(jī)座的的支架上上 盤式轉(zhuǎn)子子由磁軛軛與永久久磁鐵組組成，下下圖為左左面轉(zhuǎn)子子圖下圖為磁磁極的分分布圖 右面轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)與與左面轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)構(gòu)相同，只是反反個(gè)面而而已。下下圖為左左右轉(zhuǎn)子子間的磁磁力線走走向圖。 為更清楚楚的看清清磁力線線走向，下圖為為稍側(cè)面面的磁力力線走向向圖。 把轉(zhuǎn)子與與定子擺擺在一起起 安裝上左左右端蓋蓋，下圖圖為組裝裝好的永永

15、磁中間間定子盤盤式發(fā)電電機(jī)。 下圖為永永磁中間間定子盤盤式發(fā)電電機(jī)的剖剖面圖。 下圖為側(cè)側(cè)視的剖剖面圖，為看清清內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)隱藏藏了右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。 （3）直直驅(qū)永磁磁中間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子盤式式風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)盤式永磁磁直驅(qū)式式風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)的的定子與與轉(zhuǎn)子都都呈平面面圓盤結(jié)結(jié)構(gòu)，定定子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸向向交替排排列，這這里介紹紹中間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子盤式式發(fā)電機(jī)機(jī)。下圖圖是一個(gè)個(gè)盤式定定子，由由于盤式式發(fā)電機(jī)機(jī)的通過過定子繞繞組的磁磁力線是是軸向走走向，在在電機(jī)旋旋轉(zhuǎn)時(shí)是是繞軸運(yùn)運(yùn)行的，所以定定子的硅硅鋼片是是繞制的的，在一一側(cè)有繞繞組的嵌嵌線槽。在定子線線槽內(nèi)分分布著定定子繞組組，按三三相布置置，單個(gè)個(gè)繞組呈呈扇形狀狀。 定

16、子有兩兩個(gè)，右右定子與與左定子子結(jié)構(gòu)一一樣，只只是反個(gè)個(gè)面而已已。 轉(zhuǎn)子由永永久磁鐵鐵組成，磁鐵固固定在非非導(dǎo)磁材材料制成成的轉(zhuǎn)子子支架上上，下圖圖是轉(zhuǎn)子子的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖。 每塊磁鐵鐵的磁極極在轉(zhuǎn)子子的兩面面， 下圖表示示了磁力力線在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與定定子間的的走向， 下圖是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與定定子的布布置圖 先把左定定子固定定在左端端蓋中，再裝上上轉(zhuǎn)子， 把右定子子固定在在右端蓋蓋中，左左右端蓋蓋扣緊固固定，發(fā)發(fā)電機(jī)就就組裝好好了，下下圖為發(fā)發(fā)電機(jī)外外觀圖。 下圖為中中間轉(zhuǎn)子子盤式永永磁發(fā)電電機(jī)的剖剖面圖 下圖為側(cè)側(cè)視的剖剖面圖。 5.1.4電勵(lì)磁磁同步風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)及特點(diǎn)點(diǎn)電勵(lì)磁同同步發(fā)電電機(jī)(EElec

17、ctriicallly Excciteed SSyncchroonouus GGeneerattor，EESSG)，通通常在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)進(jìn)行直流流勵(lì)磁。使用EEESGG相比使使用PMMSG的的優(yōu)勢(shì)在在于，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁電流可可控，可可以控制制磁鏈在在不同功功率段獲獲得 最最小損耗耗；而且且不需要要使用成成本較高高的永磁磁材料，也避免免了永磁磁體失磁磁的風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)，Ennerccon公公司主要要經(jīng)營這這類產(chǎn)品品。但是是EESSG需要為為勵(lì)磁繞繞組提供供空間，會(huì)使電電機(jī)尺寸寸更大，轉(zhuǎn)子繞繞組直流流勵(lì)磁需需要滑環(huán)環(huán)和電刷刷。永磁同步步電機(jī)的的數(shù)學(xué)模模型定子電壓壓方程為為其中，、分別為為定子dd、q軸軸電壓分

18、分量；、分別為為定子dd、q軸軸電路分分量；為為定子電電阻；、分別為為定子dd、q軸軸自感；為轉(zhuǎn)子子角速度度；為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子永磁磁體的磁磁鏈最大大值。電磁轉(zhuǎn)矩矩方程為為其中，pp為電機(jī)機(jī)的極對(duì)對(duì)數(shù)。忽略附加加損耗后后的功率率平衡方方程為其中，、分別為為電機(jī)的的電磁功功率、輸輸入功率率和輸入入功率；、分別為為電機(jī)的的鐵耗、機(jī)械損損耗和定定子銅耗耗。電磁功率率與電磁磁轉(zhuǎn)矩的的關(guān)系為為5.2 全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組變流流器電力電子子變流器器作為風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電與電網(wǎng)網(wǎng)的接口口，作用用非常重重要，既既要對(duì)風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)進(jìn)行行控制，又要向向電網(wǎng)輸輸送優(yōu)質(zhì)質(zhì)電能，還要實(shí)實(shí)現(xiàn)低電電壓穿越越等功能能；隨著著風(fēng)力發(fā)發(fā)

19、電的快快 速發(fā)發(fā)展和風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組單機(jī)容容量的不不斷增大大，變流流器的容容量也要要隨之增增大，因因此大容容量多電電平變流流器也開開始得到到應(yīng)用，以下將將對(duì)一些些典型變變流器拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行討討論。從 圖11中可以以看到，典型的的永磁直直驅(qū)變速速恒頻風(fēng)風(fēng)電系統(tǒng)統(tǒng)中，采采用背靠靠背雙PPWM變變流器，包括電電機(jī)側(cè)變變流器與與電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器，能量量可以雙雙向流動(dòng)動(dòng)。對(duì)PPMSGG直驅(qū)系系統(tǒng)，電電機(jī)側(cè)PPWM變變流器通通過調(diào)節(jié)節(jié)定子側(cè)側(cè)的dqq軸電流流，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)及電電機(jī)勵(lì)磁磁與轉(zhuǎn)矩矩的解耦耦控制，使發(fā)電電機(jī)運(yùn)行行在變速速恒頻狀狀態(tài)，額額定風(fēng)速速以下具具有最大大風(fēng)能捕捕獲功能能。電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)PWWM

20、變流流器通過過調(diào)節(jié)網(wǎng)網(wǎng)側(cè)的ddq軸電電流，保保持直流流側(cè)電壓壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有有功和無無功的解解耦控制制，控制制流向電電網(wǎng)的無無功功率率，通常常運(yùn)行在在單位功功率因數(shù)數(shù)狀態(tài)，還要提提高注入入電網(wǎng)的的電能質(zhì)質(zhì)量。背背靠背雙雙PWMM變流器器是目前前風(fēng)電系系統(tǒng)中常常見的一一種拓?fù)鋼?，國?nèi)內(nèi)外對(duì)其其研究較較多，主主要集中中在變流流器建模模、控制制算法以以及如何何 提高高其故障障穿越能能力等方方面。國國外公司司如ABBB、AAlsttom，國內(nèi)公公司如合合肥陽光光電源等等，均有有這類變變流器產(chǎn)產(chǎn)品。對(duì)直驅(qū)型型風(fēng)電系系統(tǒng)，變變流器拓拓?fù)涞倪x選擇較多多。圖22是不控控整流+booost變變換器+逆變拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

21、構(gòu)，通過過booost變變換器實(shí)實(shí)現(xiàn)輸入入側(cè)功率率因數(shù)校校正(PPoweer FFacttor Corrrecctioon, PFCC)，提提高發(fā)電電機(jī)的運(yùn)運(yùn)行效率率，保持持直流側(cè)側(cè)電壓的的穩(wěn)定，對(duì)PMMSG的的電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行行控制，實(shí)現(xiàn)變變速恒頻頻運(yùn)行，在額定定風(fēng)速以以下具有有最大風(fēng)風(fēng)能捕獲獲功能。國外EEnerrconn公司的的直驅(qū)風(fēng)風(fēng)電系統(tǒng)統(tǒng)e822(2mmw)、國內(nèi)合合肥陽光光電源的的小型并并網(wǎng)風(fēng)力力機(jī)變流流器使用用這種拓拓?fù)?。圖2 不不控整流流+DCC/DCC變換+逆變拓拓?fù)潆S著風(fēng)電電機(jī)組單單機(jī)容量量的不斷斷增大，風(fēng)電變變流器的的電壓與與電流等等級(jí)也在在不斷提提高，因因此多電

22、電平變流流器拓?fù)鋼涞玫搅肆藦V泛關(guān)關(guān)注。變變流器采采用多電電平方式式后，可可以在常常規(guī)功率率器件耐耐壓基礎(chǔ)礎(chǔ)上，實(shí)實(shí)現(xiàn)高電電壓等級(jí)級(jí)，獲得得更多級(jí)級(jí)（臺(tái)階階）的輸輸出電壓壓，使波波形更接接近正弦弦，諧波波含量少少，電壓壓變化率率小，并并獲得更更大的輸輸出容量量。圖33是直驅(qū)驅(qū)風(fēng)電系系統(tǒng)中三三電平背背靠背雙雙PWMM變流器器拓?fù)洌c兩電電平雙PPWM變變流器相相比，功功率器件件和電容容增加了了一倍，并額外外增加了了箝位二二極管；直流側(cè)側(cè)電容由由兩個(gè)完完全一樣樣的電容容串聯(lián)組組成，電電容的中中點(diǎn)作為為變換器器的箝位位點(diǎn)， 由網(wǎng)側(cè)側(cè)變換器器保持直直流側(cè)兩兩個(gè)電容容的電壓壓均衡。這種結(jié)結(jié)構(gòu)在風(fēng)風(fēng)電中的的

23、應(yīng)用目目前已經(jīng)經(jīng)比較成成熟，對(duì)對(duì)其的研研究很多多，主要要集中在在控制策策略的優(yōu)優(yōu)化上。 目前前，世界界范圍內(nèi)內(nèi)從事大大功率風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電用變流流器和高高壓變頻頻器研制制的一些些公司，都有多多電平的的產(chǎn)品方方案；AABB用用于風(fēng)力力發(fā)電的的變流器器如accs10000，整流器器采 用用12脈脈沖二極極管整流流，逆變變器采用用三電平平NPCC結(jié)構(gòu)，器件采采用IGGCT；SIEEMENNS也有有相似的的應(yīng)用，功率器器件采用用高壓IIGBTT；法國國ALSSTOMM公司 采用飛飛跨電容容型四電電平拓?fù)鋼?，功率率器件采采用IGGBT，另外還還基于IIGCTT開發(fā)出出了飛跨跨電容型型五電平平變頻器器。圖3

24、三三電平背背靠背雙雙PWMM變流器器結(jié)構(gòu)5.2.1 電機(jī)側(cè)側(cè)變流器器控制策策略令，則定定子方程程變?yōu)楦鶕?jù)上式式可以構(gòu)構(gòu)成電機(jī)機(jī)側(cè)變流流器的電電流環(huán)控控制圖，如下圖圖所示。由于定定子直軸軸電流、交軸電電流不但但受到各各自控制制電壓和和的影響響，還要要分別受受到交叉叉耦合電電壓、的影響響。因此此，在電電機(jī)的電電流環(huán)控控制中，除了要要對(duì)直軸軸電流和和交軸電電流分別別進(jìn)行閉閉合積分分控制，從而得得到相應(yīng)應(yīng)的控制制電壓分分量和以外，還要分分別加上上交叉耦耦合電壓壓的補(bǔ)償償項(xiàng)、，最終終分別得得到直軸軸控制電電壓和交交軸控制制電壓和和。為了更好好地控制制轉(zhuǎn)矩(或有功功功率)，還應(yīng)應(yīng)在電流流環(huán)之外外加上轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

25、環(huán)(或功率率環(huán))。由于，而且采采用=00的控制制方式，所以電電磁轉(zhuǎn)矩矩表達(dá)式式變?yōu)楫?dāng)保持電電機(jī)轉(zhuǎn)速速不變時(shí)時(shí)，可以以通過控控制定子子交軸電電流分量量來控制制電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從從而進(jìn)一一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)電機(jī)機(jī)輸出有有功功率率的控制制。帶有有功功功率控控制外環(huán)環(huán)的電機(jī)機(jī)側(cè)變流流器的控控制框圖圖如圖所所示。由由于在后后面對(duì)電電網(wǎng)側(cè)變變流器進(jìn)進(jìn)行控制制時(shí)，要要求它保保持直流流側(cè)電壓壓穩(wěn)定，因此直直流側(cè)電電容器的的充放電電對(duì)有功功功率的的影響很很小。如如果再進(jìn)進(jìn)一步忽忽略變流流器本身身的功率率損耗，就可認(rèn)認(rèn)為發(fā)電電機(jī)發(fā)出出的有功功功率經(jīng)經(jīng)過電機(jī)機(jī)側(cè)和電電網(wǎng)側(cè)變變流器后后會(huì)被全全部送入入電網(wǎng)。因此，在圖33.2中中

26、，發(fā)電電機(jī)輸出出的功率率是通過過間接檢檢測(cè)電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器輸入入到電網(wǎng)網(wǎng)的功率率來近似似獲取的的。5.2.1 電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器控制策策略（1）電電網(wǎng)側(cè)變變流器的的基本工工作原理理電網(wǎng)側(cè)變變流器的的主電路路為三相相橋式結(jié)結(jié)構(gòu)，采采用脈寬寬調(diào)制方方式控制制各開關(guān)關(guān)元件工工作，其其交流側(cè)側(cè)電壓除除了正弦弦基波外外，也存存在一些些高次諧諧波。但但由于有有電感的的濾波作作用，使使得高次次諧波電電壓所產(chǎn)產(chǎn)生的諧諧波電流流很小，所以電電網(wǎng)側(cè)變變流器的的交流側(cè)側(cè)電流波波形比較較接近正正弦。在在以下的的分析中中，將不不考慮交交流側(cè)電電壓和電電流諧波波在電網(wǎng)看看來，電電網(wǎng)側(cè)變變流器相相當(dāng)于是是一個(gè)可可控的三三相交

27、流流電壓源源，圖33.6為為其基波波等效電電路。圖圖中，、分別為為電網(wǎng)的的三相電電壓，“+、”代表規(guī)規(guī)定的正正方向（下同）；、分別為為變流器器交流側(cè)側(cè)的電阻阻和電感感；、分別為為交流側(cè)側(cè)三相電流流，其正正方向規(guī)規(guī)定如箭箭頭所示示(下同同)；、分別為為交流側(cè)側(cè)三相電壓壓。變流流器的工工作狀態(tài)態(tài)將由它它們共同同決定。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器穩(wěn)態(tài)運(yùn)運(yùn)行時(shí)，由圖33.6可可知任意意一相的的電壓平平衡方程程式為 式(3.7)對(duì)對(duì)應(yīng)的相相量圖如如圖3.7所示示。其中中，圖33.7(a)表表示電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器工作作于逆變變狀態(tài)，有功功功率從變變頻器輸輸入電網(wǎng)網(wǎng)；圖3.7(bb)表示示電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器工作十十整流狀

28、狀態(tài)，有有功功率率從電網(wǎng)網(wǎng)輸入變變頻器。從圖3.7也可可看出，通過調(diào)調(diào)節(jié)電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器的交交流側(cè)電電壓的幅幅值和相相位，就就可以控控制電流流的大小小及其與與電網(wǎng)電電壓之間間的相位位角，從從而讓變變流器工工作在不不同的運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)態(tài)：(1)單單位功率率因數(shù)逆逆變運(yùn)行行。交流流側(cè)電流流與電網(wǎng)網(wǎng)電壓之之間的相相位角為為1800，變流流器與電電網(wǎng)之間間沒有無無功功率率的傳遞遞，有功功功率從從變流器器輸入電電網(wǎng)。（2）單單位功率率因數(shù)整整流運(yùn)行行。交流流側(cè)電流流與電網(wǎng)網(wǎng)電壓同同相，變變流器與與電網(wǎng)之之間沒有有無功功功率的傳傳遞，有有功功率率從電網(wǎng)網(wǎng)輸入變變流器。（3）靜靜止無功功發(fā)生器器運(yùn)行狀狀態(tài)。當(dāng)當(dāng)

29、=900時(shí)，變變流器與與電網(wǎng)之之間僅有有無功傳傳遞，相相當(dāng)于一一臺(tái)靜止止的無功功發(fā)生器器。（4）其其他運(yùn)行行狀態(tài)。當(dāng)=(090)時(shí)，變流器器從電網(wǎng)網(wǎng)吸收有有功功率率和滯后后的無功功功率；當(dāng)=(-9900)時(shí)，變流器器從電網(wǎng)網(wǎng)吸收有有功功率率和超前前的無功功功率；當(dāng)=(9901880)時(shí)，變流器器向電網(wǎng)網(wǎng)輸出有有功功率率和超前前的無功功功率；當(dāng)=(-1180-900)時(shí)，變流器器向電網(wǎng)網(wǎng)輸出有有功功率率和滯后后的無功功功率?？梢?，電電網(wǎng)側(cè)變變流器能能夠靈活活控制輸輸入到電電網(wǎng)的無無功功率率。一方方面，當(dāng)當(dāng)電網(wǎng)需需要無功功補(bǔ)償時(shí)時(shí)，它可可以方便便地提供供相應(yīng)的的無功功功率；另一方方面，如如果電網(wǎng)網(wǎng)

30、對(duì)無功功功率沒有要要求，可可按功率率因數(shù)為為1進(jìn)行行控制，從而降低變變流器的的容量要要求和投投資。這這也是雙雙PWMM變流器器與其它它變流器器相比所所具有的的優(yōu)點(diǎn)之之一。（2）電電網(wǎng)側(cè)變變流器的的數(shù)學(xué)模模型為了對(duì)電電網(wǎng)側(cè)變變流器進(jìn)進(jìn)行有效效的控制制，首先先必須建建立其數(shù)數(shù)學(xué)模型型。如果果用開關(guān)關(guān)來表示示變流器器的各個(gè)個(gè)電力電電子器件件，則電電網(wǎng)側(cè)變變流器的的主電路路可用圖圖3.88所示的的簡化模模型來表表達(dá)。為了推導(dǎo)導(dǎo)方便，引入開開關(guān)函數(shù)數(shù)來表達(dá)達(dá)各相電電力電子子器件的的導(dǎo)通狀狀態(tài)。第第相（）的的開關(guān)函函數(shù)表達(dá)達(dá)式為 （3.88）由圖3.8，根根據(jù)基爾爾霍夫電電壓和電電流定律律，可以以寫出以以

31、下方程程（3.99）式中，CC為直流流測(cè)電容容，為負(fù)負(fù)載電流流。圖 3.8 電電網(wǎng)側(cè)變變流器主主電路的的簡化模模型用表示直直流側(cè)負(fù)負(fù)極性端端n與電電網(wǎng)中性性點(diǎn)之間間的電壓壓；、分別表表示變流流器交流流側(cè)各相相對(duì)n端端的電壓壓。則變變流器交交流側(cè)各各相對(duì)電電網(wǎng)中性性點(diǎn)的電電壓分別別為 （3.110）根據(jù)平均均狀態(tài)空空間法，可知在在一個(gè)調(diào)調(diào)制周期期內(nèi)應(yīng)有有 （33.111）式中，為為變流器器直流側(cè)側(cè)電壓。假設(shè)電網(wǎng)網(wǎng)的三相相電壓是是對(duì)稱的的，應(yīng)有有（3.112）將式（33.111）、（3.112）代代入到式式（3.10）中可得得（3.113）再將式（3.110）、（3.11）、（33.133）代入入

32、到式（3.99）中可可得（3.114）式中（33.144）就是是電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器在ABBC坐標(biāo)標(biāo)系下的的高頻數(shù)數(shù)學(xué)模型型。將其其寫為矩矩陣形式式可得 （3.15）設(shè)電網(wǎng)三三相電壓壓對(duì)稱，可以表表達(dá)為（3.116）式中，為為電網(wǎng)相相電壓的的幅值；為電網(wǎng)網(wǎng)的電角角頻率；為電網(wǎng)網(wǎng)A相電電壓的初初始相位位角。由電網(wǎng)電電壓的瞬瞬時(shí)值可可以得到到電網(wǎng)電電壓的空空間矢量量為（3.117）如果把dd-q坐坐標(biāo)系的的d軸方方向選為為電網(wǎng)電電壓的空空間矢量量方向，q軸方方向超前前d軸990，則則有（3.118）如果d-q坐標(biāo)標(biāo)系的dd相電壓壓初相角角與A相相的相等等，則由由ABCC三相靜靜止坐標(biāo)標(biāo)系到dd-q同同

33、步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系的變換換矩陣為為（3.119）式中，為為d-qq同步旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系的角角頻率。于是有（3.220）（3.221）將式中（3.119）、（3.20）、（33.211）代入入到式（3.115）中中，可得得d-qq同步旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系下電電網(wǎng)側(cè)變變流器的的數(shù)學(xué)模模型為（3.222）而d-qq同步旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系下變變流器的的交流側(cè)側(cè)電壓為為（3.223）把式（33.233）代入入到式（3.222）中中，并且且只取前前兩個(gè)方方程式，可得（3.224）而在d-q同步步旋轉(zhuǎn)坐坐標(biāo)系下下，由電電網(wǎng)側(cè)變變流器輸輸入到電電網(wǎng)的有有功功率率和無功功功率分分別為（3.225）很顯然，小于00表明變變流器工工作在整整流狀態(tài)態(tài)，有功功功率由由電網(wǎng)流流向變流流器；而而大于00則表明明變