[实用新型]双馈风力发电机组中的变换器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种双馈风力发电机组，尤其涉及该双馈风力发电机组中的变换器。

背景技术

风能是一种清洁环保的可再生能源，也是解决能源问题的重要手段之一。近年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快能源的地位。随着风电技术的发展，为了进一步降低风电成本，风力发电机组逐步朝着单台大容量方向发展。

双馈风力发电机组通常由叶片、风力机、齿轮箱、传动系统、发电机、变换器、偏航系统、变桨距系统、远程监控系统和主控制系统等部分组成。叶片、风力机的作用是将风能转换为机械能，通过传动系统，由齿轮箱增速，将机械能传递给发电机。发电机采用双馈异步发电机，通过变换器对发电机的转子侧电流的控制从而实现对发电机的励磁控制，实现机械能向电能的转换，同时能实现风力机系统的变速恒频控制。机舱与塔架之间安装有偏航系统，使机舱对准来风的方向。变桨距系统通常在风速超过额定值时，对风力机转速和输出功率进行控制，保证系统机械和电气安全。主控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。

由此可见，双馈风力发电机组是一个十分复杂的系统。在整个双馈风力发电机组当中，风电系统的变换器是其中的一个非常关键的技术，也是双馈风力发电的技术核心之一。

两电平电压型双PWM变换器是由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变换器通过直流母线连接而成，其英文名称为Back-to-Back PMWConverter。由于在变速恒频交流励磁双馈风力发电系统的运行过程中，两个PWM变换器的工作状态经常变换，通常不再以它们工作于整流或者逆变的状态来区分它们，而是按照它们的位置分别称之为网侧变换器和转子侧变换器，如图1所示。

在硬件主电路设计方面，在网侧变换器前，用于电容充电的Boost电感被设计成T型谐振式滤波器结构，滤波电容对基波同时起无功补偿的作用。在转子侧变换器后，装有dU/dt滤波器，用于滤除开关频率附件的电压谐波。另外，转子侧设计有双向可控硅控制投切的两相电感(Crowbar)装置，在转子侧加装的Crowbar装置能保护直流侧电容、防止直流侧电压过高而击穿电容，且可用于实现外部短路时的低电压穿透，保证定子侧短时低电压状态下机组不脱网，持续运行，提高机组运行的可靠性。直流电容装有预充电回路，用于机组启动时的直流电容预充电。

而在软件控制系统设计方面，这两个PWM变换器各司其职。其中，网侧变换器的任务主要有两个，一是保证其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求。因为理论上网侧变换器可获得任意可调的功率因数，这也为整个系统的功率因数控制提供了一个途径；二是保证直流母线电压的稳定，直流母线电压的稳定是两个变换器正常工作的前提，而这可以通过对输入电流的有效控制来实现。

在变速恒频双馈风力发电系统的运行过程中，由于追踪最大风能的需要，机组的转速时刻处于变化之中，为DFIG提供转差功率的转子侧变换器输入的功率也不断变化。对于电网侧PWM变换器而言，转子侧变换器是一个时变的负载，在某些情况下，可能出现由吸收较大功率到回馈较大功率的负载剧烈变化，而负载的变化会引起直流侧母线电压的波动，从而影响两个PWM变换器的运行性能，进而影响到整个风电机组的性能与安全运行。为了进一步提高电网侧变换器的抗负载扰动能力，满足变速恒频双馈风力发电对转子励磁电流的要求。在电网侧控制系统中，一般采用电压、电流双闭环的控制策略，可以有效地提高电网侧PWM变换器抗负载扰动的性能，保证直流母线电压的稳定。

在双PWM变换器中，网侧变换器的功能是控制直流母线电压的稳定和获得良好的输入性能，不直接参与对DFIG乃至整个发电系统的控制。DFIG及整个风力发电系统的控制都是通过转子侧变换器来实现的。

转子侧变换器的作用也分为两个方面，一是给DFIG的转子提供励磁分量的电流，从而可以调节DFIG定子侧所发出的无功功率；二是通过控制DFIG转子转矩分量的电流控制DFIG定子侧所发出的有功功率，从而使得DFIG运行在风力机的最佳功率曲线上。

为了实现对DFIG有功、无功功率进行有效的控制，转子侧变换器的控制以DFIG的数学模型为基础来进行设计，采用功率、电流双闭环，并对转子电流的转矩分量与励磁分量进行解耦，通过控制转子电流的转矩分量与励磁分量来实现DFIG的有功和无功功率的有效解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电系统的两个目标：最大风能跟踪和无功功率调节。