双馈风力发电变流器主要器件设计与系统控制策略

　　1 引言

　　随着地球常规能源的日益枯竭，发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。随着风电技术的不断发展，双馈风力发电变流器凭借其体积小、价格低等优势被大多数风电厂采用，双馈风力发电变流器也逐渐成为风力发电系统中的研究热点。

　　2 双馈风力发电变流器系统基本工作原理

　　2.1双馈风力发电变流器系统介绍

　　双馈风电变流器系统原理图如图2-1所示，采用的发电机为转子交流励磁的双馈发电机，其结构与绕线式异步感应电机类似。定子绕组直接接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出工频电压。

　　由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样使变频器的成本、体积大大降低。

　　这种控制方案通过控制转子电流幅值和相位还可以改变发电机的功率角。因此通过调节励磁可以实现有功无功的独立控制，达到功率因数灵活调节。对电网而言，输出无功功率可起到无功补偿的作用;吸收无功功率起到抑制过电压的作用，从而对于稳定电网做出贡献。

　　这种方案的缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷;交流励磁双馈发电机的数学模型、能量关系复杂，控制策略也就相对比较复杂。

　　2.22.0MW双馈变流器系统主回路说明

　　如2-1图所示，本系统中设计了由KM2控制的预充电支路，当KM2闭合后，通过限流电阻缓慢对直流母线上电容充电，当母线电压达到一定值时方闭合KM1，并切除预充电支路，这样防止直接闭合网侧KM1时对变流器母线电容的冲击。

　　网侧LC型滤波单元(U5)，可以对变换器输出电压里富含的开关谐波起到滤波作用。

　　在电网发生瞬间跌落故障时，制动单元(U3)与Crowbar单元(U6)配合动作，来保持变流器并网运行不脱网。

　　转子侧LC滤波单元(U4)，抑制机侧输出中的电压开关谐波，将dv/dt控制在一定范围内。

　　网侧变流器单元(U2)是一个三相PWM整流器，为转子侧变流器单元(U1)提供稳定的直流电压;而转子侧变流器实际上是一个逆变器，为双馈电机转子提供交流励磁。网侧变流器单元与机侧变流器都有各自的DSP负责对其的实时控制。

　　当变流器控制系统检测到机组满足并网条件时，控制并网开关(QF2)闭合，从而实现发电机组并网发电。

　　3 2.0MW双馈风力发电变流器主要器件参数计算

　　3.1电网侧滤波器设计

　　3.1.1电网侧滤波器电感设计

　　网侧PWM整流器交流侧进线电感的设计首先应该满足整流器输出有功(无功)功率的要求，同时也要满足抑制电流谐波及快速电流跟踪的要求。下面给出了PWM整流器工作在单位功率因数时对电感的约束条件

在本2.0MW双馈变流器系统中，三相PWM整流器总功率为720kW，交流进线电压690，直流母线电压为1100V，开关频率为2.5kHz，网侧额定电流值为600A。总电感选择时，谐波电流脉动最大允许值可以放大到额定电流的10%～20%，本系统中取电流谐波脉动最大允许值

　　3.1.2电网侧滤波器电容设计

　　设三相PWM整流器的总功率为，则电容上消耗的无功：

　　直流母线电压最小1073V。选取直流母线电压为1100V。

　　考虑到以上因素，及市面上IGBT的供货情况，留有一定裕量，我们选择1700V，1000A的IGBT并联，网侧每相单元采用两支并联，机侧每相单元采用三支并联，来满足本系统要求。

　　3.3 直流母线滤波电容计算

　　直流母线滤波电容C的容量选择主要考虑以下三方面因素：

　　(1)电容值能满足期望的纹波电压

　　(2)电容的额定电压

　　(3)电容的额定纹波电流

　　基于对纹波电流与电解电容发热量和寿命关系的分析，纹波电流对于电力电子装置滤波电容容量的选取起到关键的约束作用。因此，可根据纹波电流最大允许值来计算滤波电容容量。滤波电容的计算依据是在直流电流脉动最严重的情况下，保持电压脉动在容许范围内。

　　假设负载电流为正弦电流，则直流回路的脉动直流电流也是有规律的，

　　4.软件总体框架

　　由于2.0MW风电变流器主拓扑采用交-直-交结构，硬件采用机侧网侧独立控制，因此其软件主要分为：网侧控制软件、机侧控制软件两部分。

　　软件设计采用模块化设计，根据程序的功能将其分为个功能模块，机侧/网侧程序主要包括：系统初始化模块，AD采样滤波转换模块，CAN通信模块，波形显示模块、软启动模块，电压故障采集模块，低电压穿越处理模块，机侧/网侧控制算法模块，SVPWM生成模块，程序采用定时中断方式进行AD采集及相应的闭环控制，程序在AD中断及主定时中断中轮巡执行。程序中的算法主要是网侧的电压外环及双电流闭环控制、电机侧的电网电压定向矢量控制。

　　4.1网侧控制策略

　　电网电压定向矢量控制采用双闭环级联式控制结构：电压外环、电流内环。电压环的主要作用是控制直流母线电压;电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制，并实现单位功率因数运行。如下图所示。

　　为了检测电网电压不对称跌落、系统采集负序电压、电流并通过双电流闭环进行独立控制。电网电压的低落则通过采集坐标变换在同步坐标下的d-q分量经滤波后，送给电流计算环节，对电网进行无功支撑。

　　4.2机侧控制策略

　　交流励磁双馈电机与电网之间采用柔性连接，通过对发电机转子电流的控制，就可在变速运行中的任何转速下满足并网条件，实现成功并网，双馈电机并网条件是定子电压和电网电压在幅值、频率及相位相同，因而并网之前应对定子电压进行调节。成功并网之后，风电机组根据实际风速、风向及电网调度需要对机组的有功功率，无功功率实时进行调节。因而并网之后应对双馈电机的功率进行调节。

　　机侧分段并网控制策略，依次为转子位置初始误差的补偿阶段、定子电压的建立阶段、双馈电机的并网阶段。并网期间实时提取电网电压、转子电压电流的d-q分量并进行滤波、当母线电压过压、转子过流或过压时封锁机侧PWM信号，投入Crowbar电路保护电机转子，待电流稳定后恢复机侧变流器，采取无功支撑算法，当电压恢复时机侧变流器继续进行功率控制。

　　5.结束语

　　本文以2.0MW双馈风电变流器为例，介绍了系统主回路中网侧滤波器、母线电容、IGBT等器件参数的计算以及选型，其次对系统的软件总体框架、网侧和机侧控制策略加以说明。