風(fēng)力發(fā)電機變流器及其低電壓穿越概述

風(fēng)力發(fā)電機變流器及其低電壓穿越概述導(dǎo)語：本文從三種典型風(fēng)電系統(tǒng)動身，包括失速型風(fēng)電系統(tǒng)、雙饋與目前的風(fēng)電系統(tǒng)構(gòu)造，并對所承受的風(fēng)力發(fā)電機進展了爭論和分析。引言近年來隨著能源危機與環(huán)境問題的日益突出，世界各國都在大力變速變槳距調(diào)整技術(shù)已經(jīng)成為mw級以上大型風(fēng)電機組的重要特征；在目前的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機〔doubly-fedinductiongeneratordfig〕的雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)市場份額最大，使用永synchronousgenerator，pmsg〕的直越與無功支持等功能進展了規(guī)定，我國也將會有類似的規(guī)章出臺1-3。本文從三種典型風(fēng)電系統(tǒng)動身，包括失速型風(fēng)電系統(tǒng)、雙饋與永流器和低電壓穿越力量等，介紹了不同風(fēng)電公司的相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)。幾種典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為有齒輪箱和直接驅(qū)動型，有齒輪箱又可以分為多級齒輪+高速發(fā)電機型與單級齒輪+低速發(fā)電機型。從不同的角度可以有不同的分類方法，本文從以下幾種典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動身進展?fàn)幷?-5。1是一種典型的失速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括多級齒輪和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機squirrel-cageinductiongeneratorsciscig通過變壓scig需要從電網(wǎng)吸取無功功率，因此通常在定子scigscigvesta維斯塔斯bonusmadnordexscig失速型風(fēng)電系統(tǒng)構(gòu)造簡潔，牢靠性高，本錢較低，適于大批量生產(chǎn)。但是風(fēng)速波動用風(fēng)能，效率低；不能向電網(wǎng)供給無功支持。2是典型的雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括多級齒輪、雙饋感應(yīng)發(fā)電機和背靠背雙pwmdfig定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，pwm變流器與電網(wǎng)連接，其中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器調(diào)整dfig變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)可以在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，通常在同步速四周±30%左右，背靠背變流器的容量僅占發(fā)電機容量的25～30vestagames〔歌美颯，repower，nordexdfig風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)品，最大功率等級已經(jīng)超5mwdfig電壓穩(wěn)定。dfig變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，多級齒輪箱仍舊是主要故障點之一，存在摩擦損耗、發(fā)熱，噪聲等問題，需要定期維護；轉(zhuǎn)子上的電dfig影響較大，會在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生較大的過流，可能造成變流器的損壞，幫助其實現(xiàn)低電壓穿越與動態(tài)無功支持的掌握策略相對簡單。3是典型的永磁直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括永磁同步發(fā)電機和全功率背靠背雙pwmpmsg通過全功率變流器直接與電網(wǎng)連接，通常極對數(shù)較多，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩，徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，呈圓環(huán)狀；由于省去了齒輪箱，從而簡化了傳動鏈，提高了系統(tǒng)效率，降低了機械噪聲，減小了修理量，提高了dfig越功能。但是永磁材料目前的本錢仍舊較高；變流器容量較大，損耗較大，變流器的本錢較高。理論上永磁體在高溫時存在失磁的風(fēng)險，但是近年來隨著永磁材料性能的不斷提高、價格的下降，pmsg+全功率變流器已經(jīng)成為一種很有吸引力和應(yīng)用前景寬廣的方案。目前，zephyros，mitsubishi，疆金風(fēng)等公司在市場上有這類產(chǎn)品。以上爭論了三種典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在目前的市場上占據(jù)較大4給出了不同風(fēng)電機組類型在世界年度裝機容量中的份額19952023年5scig19950202355%，替代失速型風(fēng)電系統(tǒng)成為風(fēng)電市場的主導(dǎo)機型；pmsg&eesg風(fēng)電系統(tǒng)〔eesg將在后面爭論〕10年間緩慢增長，202320%，目前其增長勢頭要更快將從本節(jié)介紹的三種風(fēng)電機型動身，介紹其他的風(fēng)電系統(tǒng)。隨著風(fēng)電技術(shù)的快速進展，風(fēng)電機組單機容量將持續(xù)增大，從而節(jié)約安裝空間與本錢，特別是海上風(fēng)電，由于海上風(fēng)速更高、空間更調(diào)掌握，低電壓穿越與無功支持力量，高壓直流輸電〔hvdc〕在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)將成為設(shè)備制造商與系統(tǒng)運營商共同關(guān)注的課題。風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機類型針對圖1vestas公司提出了優(yōu)化滑差〔optislip〕的概念，承受繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機〔woundrotorinductiongeneratowriwrig優(yōu)化，其他與典型的失速型風(fēng)電系統(tǒng)一樣。目前，vestas，suzlon等速范圍越寬，電機滑差越大，電阻需要消耗的功率越多，電機效率越10%以內(nèi)。2dfig風(fēng)電系統(tǒng)，由于存在滑環(huán)和電刷會降低運行牢靠性，可以承受無刷dfibrushlessdfig，bdfibdfig具有雙定子繞dfigpwmdfig比較，省去了滑環(huán)和電刷，但是電機制造與掌握更加簡單。3pmsg直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，還可以承受電勵磁同步發(fā)電機electricallyexcitedsynchronousgeneratoeeseesc相比使用pmsgeesc在目前的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多，enercon公司主要經(jīng)營這類產(chǎn)品。但是eesc需滑環(huán)和電刷。pmsg由于不是標(biāo)準產(chǎn)品，在尺寸及構(gòu)造上有很大的敏捷〔radialfluxpmmachin，rfp、軸向磁通axialfluxpmmachinafp〕和橫向磁通transversalfluxpmmachine，tfp，其中rfpm構(gòu)造簡潔穩(wěn)固，功率密度更高，在大功率直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中得到了較多應(yīng)用在以上爭論的根底上，依據(jù)齒輪箱構(gòu)造和發(fā)電機的不同，還有其+全功率變流器變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，3的風(fēng)電機組與pmsg1:10左箱系統(tǒng)比較，齒輪箱傳動部件更少，是一種折衷的方案。multibrid，winwind等公司在市場上有這類產(chǎn)品。多級齒輪+全功率變流器變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，可以使用pmsg或者scigpmsg時，電機體積更小，效率更高，與圖2所示常規(guī)dfig容量較大；ge公司有這類產(chǎn)品。使用scig時，電機制造簡潔，與圖1常規(guī)失速型風(fēng)電系統(tǒng)比較，掌握敏捷，變速運行、柔性并網(wǎng)、無功支持等功能都簡潔實現(xiàn)，也存在變流器容量較大的問題；siemens公司在市場上有這類產(chǎn)品。隨著電力電子器件本錢的下降，多級齒輪+全功率變流器會更有競爭力。風(fēng)電變流器電力電子變流器作為風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，作用格外重要，既壓穿越等功能；隨著風(fēng)力發(fā)電的快速進展和風(fēng)電單機容量的不斷增到應(yīng)用，以下將對一些典型變流器拓撲構(gòu)造進展?fàn)幷摗?3中可以看到，典型的雙饋和永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電pwm變流器，包括電機側(cè)變流器〔或轉(zhuǎn)子側(cè)變流器pmsg直驅(qū)系統(tǒng)，電機側(cè)pwm變流器通過調(diào)整定子側(cè)的dqdfigd、q軸電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整及有功、無功功率的解耦掌握。電網(wǎng)側(cè)pwm變流器均通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)的dq穩(wěn)定，實現(xiàn)有功和無功的解耦掌握，掌握流向電網(wǎng)的無功功率，通常pwm變流器是目前風(fēng)電系統(tǒng)中常見的一種拓撲，國內(nèi)外對其爭論較等方面。國外公司如abb，alstom，國內(nèi)公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產(chǎn)品。對直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)，變流器拓撲的選擇較多。圖5是不控整流+boost變換器+boost變換器實現(xiàn)輸入側(cè)功率因powerfactorcorrectiopf直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，對pmsg的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進展掌握，實現(xiàn)變速enercon、國內(nèi)合肥陽光電源等公司有使用這種拓撲的產(chǎn)品。隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增大，風(fēng)電變流器的電壓與電流等獲得更多級〔臺階〕的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，6是直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中三電平背靠背雙pwmpwm前已經(jīng)比較成熟，對其的爭論很多，主要集中在掌握策略的優(yōu)化上研制的一些公司，都有多電平的產(chǎn)品方案；abb用于風(fēng)力發(fā)電的變流acs100012脈沖二極管整流，逆變器承受三電平npc構(gòu)造，器件承受igct；siemens也有相像的應(yīng)用，功率器件承受高壓igbtalstomigbt，另外還基于igct開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。風(fēng)電低電壓穿越及無功支持隨著風(fēng)力發(fā)電裝機容量的不斷增大，其對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略，很多國家制訂了的規(guī)章，對并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電提出了的要求，這些要求包括有功、無功功率掌握，電壓、頻率掌握，電能質(zhì)量掌握，功和無功功率支持，幫助電網(wǎng)電壓及頻率的恢復(fù)及穩(wěn)定9-1。lvrt介紹及技術(shù)現(xiàn)狀lvrt〔lowvoltageridethrough，lvrt〕是“風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越力量”的英文縮寫。定義功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)正常工作為止的力量。7給出了德國e.on標(biāo)準規(guī)定的低電壓穿越曲線，其中電網(wǎng)電壓0，持續(xù)時間為150ms左右，當(dāng)電網(wǎng)電壓在曲線以上時，風(fēng)電機組要保持并網(wǎng)，并能夠在電壓跌落及恢復(fù)階段向電網(wǎng)供給無功功許風(fēng)電機組脫網(wǎng)。這就要求風(fēng)電系統(tǒng)必需具有較強的低電壓穿越力量，能快速向電網(wǎng)供給無功支持。相間故障和三相故障等類型，其故障類型和比例為：單相對地故障70%15%10%5%；還可以分壓跌落的深度不等，最低可以到零，持續(xù)時間為0.5個電網(wǎng)電壓周期到數(shù)秒。目前國內(nèi)外對雙饋和直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時的應(yīng)對措施11-1，已經(jīng)有較多爭論，包括改進變流器掌握策略提高系統(tǒng)的動態(tài)特性使其具備肯定的lvrt力量，但在跌落深度較大時，僅依靠電機組捕獲的風(fēng)能。文獻［13］對國內(nèi)外雙饋和直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電系lvrt力量，常運行。變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)lvrt方面的文獻大局部針對三相對稱電網(wǎng)故障，也在增多，常規(guī)變流器矢量掌握下電壓、電流只包含正序重量，不壓波動14，因此隨著對lvrt功能要求的提高，針對不對稱故障需lvrt通常需要特地的電壓跌落模擬裝置，模擬不同的電網(wǎng)電壓跌落故障。15〔voltagesaggenerato，vsg〕vsg實現(xiàn)方法，了比照；變壓器形式vsg具有構(gòu)造簡潔、牢靠性高和本錢較低的優(yōu)勢，目前使用較多，電力電子變換形式的vsg因其體積小、便于攜帶和強大的功能。在產(chǎn)品中的應(yīng)用目前國外生產(chǎn)直驅(qū)風(fēng)電變流器產(chǎn)品的幾大廠家如enercon、ge、abb、siemens等，為適應(yīng)的電網(wǎng)規(guī)章對lvrt和無功支持的要求，都enercon風(fēng)電機組當(dāng)電網(wǎng)消滅問題時，功率，實現(xiàn)支持電網(wǎng)電壓，在故障被修復(fù)、電網(wǎng)電壓已經(jīng)恢復(fù)后，風(fēng)電機組馬上恢復(fù)供電；文獻［16］供給了enercon直驅(qū)同步電機系統(tǒng)－e66的仿真和測試結(jié)果，傳遞到電網(wǎng)的短路電流值只取決于變流器障及隨之的電壓跌落，被轉(zhuǎn)化為附加電阻上的熱能，因此，故障對發(fā)電機機械力矩的影響被降到最低。ge風(fēng)電的低電壓穿越技術(shù)能使風(fēng)電機組在主要的電網(wǎng)故障發(fā)生時似的傳輸牢靠性標(biāo)準。通過提高發(fā)電機組和掌握設(shè)計，lvrt技術(shù)能使風(fēng)電機組在消滅嚴峻電網(wǎng)擾動時可以不連續(xù)運行；windvar技術(shù)通過的危急，降低電網(wǎng)解列的影響，lvrtwind