雙饋風力發電變流器主要器件設計與系統控制策略

　　1 引言

　　隨著地球常規能源的日益枯竭，發展可再生能源已經是大勢所趨。主要發達國家、發展中國家，都已經將發展風能、太陽能等可再生能源作為應對新世紀能源和氣候變化雙重挑戰的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，風能無疑是世界上公認的最接近商業化的可再生能源技術之一。隨著風電技術的不斷發展，雙饋風力發電變流器憑借其體積小、價格低等優勢被大多數風電廠采用，雙饋風力發電變流器也逐漸成為風力發電系統中的研究熱點。

　　2 雙饋風力發電變流器系統基本工作原理

　　2.1雙饋風力發電變流器系統介紹

　　雙饋風電變流器系統原理圖如圖2-1所示，采用的發電機為轉子交流勵磁的雙饋發電機，其結構與繞線式異步感應電機類似。定子繞組直接接入電網，轉子繞組由頻率、幅值、相位可調的電源供給三相低頻勵磁電流，在轉子中形成一個低速旋轉磁場，這個磁場旋轉速度與轉子的機械轉速相加等于定子磁場的同步轉速。從而在發電機定子繞組中感應出工頻電壓。

　　由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此雙向變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分，這樣使變頻器的成本、體積大大降低。

　　這種控制方案通過控制轉子電流幅值和相位還可以改變發電機的功率角。因此通過調節勵磁可以實現有功無功的獨立控制，達到功率因數靈活調節。對電網而言，輸出無功功率可起到無功補償的作用;吸收無功功率起到抑制過電壓的作用，從而對于穩定電網做出貢獻。

　　這種方案的缺點是交流勵磁發電機仍然有滑環和電刷;交流勵磁雙饋發電機的數學模型、能量關系復雜，控制策略也就相對比較復雜。

　　2.22.0MW雙饋變流器系統主回路說明

　　如2-1圖所示，本系統中設計了由KM2控制的預充電支路，當KM2閉合后，通過限流電阻緩慢對直流母線上電容充電，當母線電壓達到一定值時方閉合KM1，并切除預充電支路，這樣防止直接閉合網側KM1時對變流器母線電容的沖擊。

　　網側LC型濾波單元(U5)，可以對變換器輸出電壓里富含的開關諧波起到濾波作用。

　　在電網發生瞬間跌落故障時，制動單元(U3)與Crowbar單元(U6)配合動作，來保持變流器并網運行不脫網。

　　轉子側LC濾波單元(U4)，抑制機側輸出中的電壓開關諧波，將dv/dt控制在一定范圍內。

　　網側變流器單元(U2)是一個三相PWM整流器，為轉子側變流器單元(U1)提供穩定的直流電壓;而轉子側變流器實際上是一個逆變器，為雙饋電機轉子提供交流勵磁。網側變流器單元與機側變流器都有各自的DSP負責對其的實時控制。

　　當變流器控制系統檢測到機組滿足并網條件時，控制并網開關(QF2)閉合，從而實現發電機組并網發電。

　　3 2.0MW雙饋風力發電變流器主要器件參數計算

　　3.1電網側濾波器設計

　　3.1.1電網側濾波器電感設計

　　網側PWM整流器交流側進線電感的設計首先應該滿足整流器輸出有功(無功)功率的要求，同時也要滿足抑制電流諧波及快速電流跟蹤的要求。下面給出了PWM整流器工作在單位功率因數時對電感的約束條件

在本2.0MW雙饋變流器系統中，三相PWM整流器總功率為720kW，交流進線電壓690，直流母線電壓為1100V，開關頻率為2.5kHz，網側額定電流值為600A。總電感選擇時，諧波電流脈動最大允許值可以放大到額定電流的10%～20%，本系統中取電流諧波脈動最大允許值

　　3.1.2電網側濾波器電容設計

　　設三相PWM整流器的總功率為，則電容上消耗的無功：

　　直流母線電壓最小1073V。選取直流母線電壓為1100V。

　　考慮到以上因素，及市面上IGBT的供貨情況，留有一定裕量，我們選擇1700V，1000A的IGBT并聯，網側每相單元采用兩支并聯，機側每相單元采用三支并聯，來滿足本系統要求。

　　3.3 直流母線濾波電容計算

　　直流母線濾波電容C的容量選擇主要考慮以下三方面因素：

　　(1)電容值能滿足期望的紋波電壓

　　(2)電容的額定電壓

　　(3)電容的額定紋波電流

　　基于對紋波電流與電解電容發熱量和壽命關系的分析，紋波電流對于電力電子裝置濾波電容容量的選取起到關鍵的約束作用。因此，可根據紋波電流最大允許值來計算濾波電容容量。濾波電容的計算依據是在直流電流脈動最嚴重的情況下，保持電壓脈動在容許范圍內。

　　假設負載電流為正弦電流，則直流回路的脈動直流電流也是有規律的，

　　4.軟件總體框架

　　由于2.0MW風電變流器主拓撲采用交-直-交結構，硬件采用機側網側獨立控制，因此其軟件主要分為：網側控制軟件、機側控制軟件兩部分。

　　軟件設計采用模塊化設計，根據程序的功能將其分為個功能模塊，機側/網側程序主要包括：系統初始化模塊，AD采樣濾波轉換模塊，CAN通信模塊，波形顯示模塊、軟啟動模塊，電壓故障采集模塊，低電壓穿越處理模塊，機側/網側控制算法模塊，SVPWM生成模塊，程序采用定時中斷方式進行AD采集及相應的閉環控制，程序在AD中斷及主定時中斷中輪巡執行。程序中的算法主要是網側的電壓外環及雙電流閉環控制、電機側的電網電壓定向矢量控制。

　　4.1網側控制策略

　　電網電壓定向矢量控制采用雙閉環級聯式控制結構：電壓外環、電流內環。電壓環的主要作用是控制直流母線電壓;電流環根據電壓環給出的電流指令對交流側輸入電流進行控制，并實現單位功率因數運行。如下圖所示。

　　為了檢測電網電壓不對稱跌落、系統采集負序電壓、電流并通過雙電流閉環進行獨立控制。電網電壓的低落則通過采集坐標變換在同步坐標下的d-q分量經濾波后，送給電流計算環節，對電網進行無功支撐。

　　4.2機側控制策略

　　交流勵磁雙饋電機與電網之間采用柔性連接，通過對發電機轉子電流的控制，就可在變速運行中的任何轉速下滿足并網條件，實現成功并網，雙饋電機并網條件是定子電壓和電網電壓在幅值、頻率及相位相同，因而并網之前應對定子電壓進行調節。成功并網之后，風電機組根據實際風速、風向及電網調度需要對機組的有功功率，無功功率實時進行調節。因而并網之后應對雙饋電機的功率進行調節。

　　機側分段并網控制策略，依次為轉子位置初始誤差的補償階段、定子電壓的建立階段、雙饋電機的并網階段。并網期間實時提取電網電壓、轉子電壓電流的d-q分量并進行濾波、當母線電壓過壓、轉子過流或過壓時封鎖機側PWM信號，投入Crowbar電路保護電機轉子，待電流穩定后恢復機側變流器，采取無功支撐算法，當電壓恢復時機側變流器繼續進行功率控制。

　　5.結束語

　　本文以2.0MW雙饋風電變流器為例，介紹了系統主回路中網側濾波器、母線電容、IGBT等器件參數的計算以及選型，其次對系統的軟件總體框架、網側和機側控制策略加以說明。