变频器在风电场中的应用

第３３卷第１２期　２０１１年ｌ２月　华电技术　Ｈｕａｄｉａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０１ｌ　变频器在风电场中的应用　郭迪华，武修苗，杨旭　（大唐￣－Ｉ＇ｑ峡风力发电有限公司，河南三门峡４７２０００）　摘要：介绍了背靠背双脉冲宽度调制（ＰＷＭ）双馈型变频器和全功率变频器的基本工作原理，分析了风力发电系统中　发电机启机、正常运行及电网异常时变频器的动作机制，为进一步研究更适用于风力发电系统的变频器提供参考。　关键词：风力发电；双馈型；变频器；全功率　中图分类号：ＴＮ　７７　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７４—１９５１（２０１１）１２—００７３—０５　０　引言　随着社会的发展，能源紧缺和环境污染的现象　日益严重。风能作为一种可再生能源，完全符合保　护生态环境、优化能源结构的要求，它是人类实现可　持续发展的一种新动力源。我国风能资源十分丰　ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）整流电路，机侧功率　模块为三相桥式ＰＷＭ逆变电路。单个桥臂由续流　二极管和绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）组成，通过直流母线电容将网侧　整流回路和转子侧逆变回路隔离。　富，实际可开发利用量达２５３　ＧＷ。为充分利用河南　地区丰富的风力资源，中国大唐集团公司在河南省　三门峡地区建设了一系列风电项目。大唐三门峡风　力发电有限公司（以下简称三门峡风电公司）北临　黄河，南临秦岭支脉，属于较明显的内陆山地风电　场。风电场使用的风力发电机组包含双馈异步发电　机和永磁直驱发电机２种。　在双馈异步发电机中，变频器控制转子励磁电　流解决了发电机并网及实时追踪发电机最大功率输　出点的问题；另外，它还用来进行转子与电网之间转　图１变频器工作原理图　３种变频器的控制策略都为主控控制。风机运　行时，主控实时跟踪转速，当风速改变时，主控给变　差功率和励磁无功功率的传输。而永磁直驱发电机　中的全功率变频器将发电机和电网完全分开，发电　机发出的全部功率都由它进行传输，所以，对于同一　额定功率的发电机组，它的额定设计功率比双馈变　频器大。　频器“转矩给定”的信号，变频器再通过机侧功率模　块中的驱动回路来控制绝缘栅双极型晶体管（ＩＧ．　ＢＴ）的通断，对直流母排的电流进行逆变，从而得到　所需转子励磁电流的频率。网侧功率模块可以稳定　直流母排上的电压，当电能由转子侧向电网输送时，　本文通过对风电场所用２种变频器的分析，阐　述了变频器在风力发电机中的作用以及工作机制，　为深入研究适用于山地风电场的变频器提供依据。　直流母排上的电流经过网侧功率模块的逆变，达到　工频频率。　１．２变频器的作用　１．２．１　当风速改变时，始终保持与电网频率一致　１双馈型变频器简介　三门峡风电公司使用的双馈型变频器按厂家分　类，有禾望变频器、森瑞克斯变频器和许继变频器，３　类变频器的基本原理相同。　１．１变频器的原理　由图１可知，风力发电机定子直接与电网连接，　变频器与发电机转子、电网相连，主控通过变频器控　制发电机转子侧励磁电流的频率、相位和幅值来保　证发电机在不同转速下其定子侧的输出频率与电网　频率一致，以满足并网条件，即实现变速恒频控制。　发电机定子输出电压频率　＝　±　，　（１）　如图１所示，双馈型变频器功率模块采用背靠　背结构。网侧功率模块为三相桥式脉冲宽度调制　收稿日期：２０１１—０８—１０；修回日期：２０１１—１０—１０　式中：　为发电机定子输出电压频率；ｐ为发电机极　对数；ｆｍ为发电机转子机械频率，ｆｍ＝ｎ／６０，　为发　－７４・　华电技术　第３３卷　电机转速；　为发电机转子电流频率。　由式（１）可知，当转子的机械频率　因风速变　化而变化时，通过控制励磁电流的频率＿厂２来控制定　子输出电压的频率。　２０１１年６月１９日，三门峡风场　２２风力发电机　实时数据图如图２所示。　２２风力发电机由东方汽　轮机有限公司生产，其极对数Ｐ为２，即发电机同步　转速为１　５００　ｒ／ｍｉｎ。当发电机转速达到１　５００　ｒ／ｒａｉｎ　时　厂ｍ为２５　Ｈｚ，由式（１）可知此时转子励磁电流频　率．　为０，电网提供直流励磁。由图２可以看出，转　速越接近１　５００　ｒ／ｒａｉｎ，转子侧励磁电流的频率越小。　一７　ＩⅢ．Ｊ），　掉　时ＩＮ／ｓ　ａ转矩变化曲线　２０００［　。。［——————————一　ｌ　ｏｏ。　。　～　———　——　——　———　时间／　ｂ转子侧励磁电流变化曲线　．量　旨　商　姆　时间／ｓ　Ｃ发电机转速变化曲线　图２风场风力发电机运行实时数据图　１．２．２调节功率因数使发电机实现最大功率输出　如图３所示，在不同风速下（　＞　＞　，），风　力发电机组的功率特性曲线不同。最佳功率曲线　Ｐ　曲线是各不同风速下最大输出功率点的连线。　由图３可知，在同一个风速下，在不同转速时，发电　机会有不同的功率输出。在风速变化时，及时调节　风力发电机的转速，可使发电机保持最佳功率输出。　机侧功率模块通过控制发电机转子侧励磁电流来控　制发电机的转矩，从而调节发电机的转速。　三门峡风电公司　２２风力发电机２０１１年６月　１９日运行数据图如图４所示。由图４可看出，当发　电机转速减小时，定子侧有功功率随之减小。　由图２可知，风速变化时，主控给变频器“转矩　给定”增大，励磁电流的转矩分量随之变化，得到的　图３不同风速下功率曲线及最佳功率曲线图　时间／ｓ　ａ发电机转速变化曲线　时间／ｓ　ｂ定子侧有功功率变化曲线　图４风力发电机运行时转速与有功的关系图　发电机实际转矩增大，发电机转速呈上升趋势。　１．２．３软启动及加热功能　３个厂家的变频器都有预充电回路。下面以禾　望变频器为例，分析预充电回路的作用：主回路容量　大，启机时若通过主回路直接充电，会造成大电流而　损坏回路中的器件；而预充电回路中有限流电阻，在　启机时应降低回路中电流，以保护各器件；在主控给　变频器启机信号时，变频器首先会检查变频器的温　度，当冬天山地地区温度过低时，会通过加热回路　加热。　１．２．４转子与电网之间转差功率的传输　ｓ＝（ｎ　一ｎ）／ｎ，　（２）　式中：ｓ为转差率，是转子转速与同步转速之差对同　步转速之比值；１１，　为同步转速；ｎ为发电机转速。　当式（２）中的ｎ＜ｎ　且ｓ＞０时，发电机处于亚　同步运行状态，式（２）计算结果为正值，转差功率由　电网经变频器输入到转子侧，变频器向发电机转子　侧提供交流励磁，发电机仅由定子输出电能给电网；　当ｎ＝１１，　且ｓ＝０时，发电机处于同步运行状态，变　频器向发电机转子侧提供直流励磁，发电机由定子　输出电能给电网；当式（２）中的ｒｌ，＞ｎ　且ｓ＜０时，　发电机处于超同步运行状态，式（２）计算结果为负　值，转子的转差功率由变频器回馈给电网，即发电机　定子和转子共同输出电能给电网。　１．３风力发电机启机时变频器的动作过程　图５所示为风力发电机启动时变频器的动作过　程及与其他设备之间的信号传递过程。由图５可　糌　第１２期　郭迪华，等：变频器在风电场中的应用　・７５・　知，风力发电机启动时，变频器的动作是由主控控　造成发电机转子侧变频器过流。同时，由于风力机　制的。　变桨柜ＰＬＣ　变频器　图５变频器启动逻辑　１．４　电网异常时变频器的动作机制　１．４．１抑制三相电压不平衡　电气化铁路牵引机车站的连接方式会造成电网　三相不对称现象严重。铁路机车牵引负荷是功率　大、空间和时间分布随机性强的单相负荷，当有重机　车通过时所造成的大量单相负荷形成的不平衡电流　会对风力发电机接人电源点的电能质量造成冲击，　导致风力发电机接入点的电能质量下降。河南三门　峡地区承担着陇海铁路上大量牵引机车站的供电任　务，铁路上单相电气化列车频繁穿越造成电网电压　严重不平衡，导致该地区风场的风力发电机频繁跳　闸脱网。　当电网发生三相电压不平衡时，发电机定子绕　组中会流有负序电流。该负序电流在发电机转子中　会感应出倍频电流，该倍频电流会使发电机转子局　部受热严重、损耗增大、效率降低，同时会引起发电　机的力矩脉动使发电机运行时产生振动。在网侧功　率模块中采用Ｐ—Ｒ（比例一谐振）电流控制系统，　计算在电网不平衡条件下为实现控制目标需要的转　子电流，通过补偿控制作用量，对网侧变频器正负序　电流进行快速调节与精确控制，保证输出电压和电　流中不含负序分量，达到工频输出。　１．４．２低电压穿越　在近期制定的《国家电网风电场接入电网技术　规定（试行）》　中，要求风力发电系统有低电压穿　越的控制能力。当电网电压跌落时，会造成双馈发　电机定子电流增加。由于转子与定子之间磁性耦　合，快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升，　调节速度较慢，故障前期风力机吸收的风能不会明　显减少，而发电机组由于定子端电压降低，不能正常　向电网输送电能，即有一部分能量无法输入电网，这　些能量由变频器系统内部消化，可能导致直流侧电　容充电、变频器直流侧过压　Ｊ。这些会对转子侧　变频器和直流母线的电容造成物理损害。　如图５所示，当转子侧出现过流、过压时，在转　子侧功率模块与发电机转子之间的Ｃｒｏｗｂａｒ电路会　接人，当故障消除时Ｃｒｏｗｂａｒ电路断开。风场早期　所使用的是被动式Ｃｒｏｗｂａｒ，当电网出现故障到一定　限值就触发转子侧Ｃｒｏｗｂａｒ，通过晶闸管短路转子绕　组保护变频器。然后，发电机必须脱网，消除短路后　晶闸管处产生的直流电流；当电网故障消除后，发电　机重新并网。这是一个自我保护型控制过程，不对　故障电网电压提供支撑，并且在电网故障切除后也　不能立即对电网恢复供电，无法实现低压穿越。为　满足国家电网的要求，风场改为使用主动式Ｃｒｏｗ．　ｂａｒ。主动式Ｃｒｏｗｂａｒ存在控制器件和控制降压回　路，当电压达到规定值时，关断Ｃｒｏｗｂａｒ回路，延时　一段时间转子侧功率模块重新发脉冲向电网提供无　功功率支撑，以保证风力发电机在规定时间内保持　并网运行　２全功率变频器　２．１全功率变频器的原理及结构　风场使用新疆金风科技有限公司生产的直驱型　风力发电机组，该机组采用多极同步电机，转子采用　永磁磁钢励磁，将转子与风力发电机叶轮连接，将定　子绕组功率输出直接连接到全功率的变频器上，由　变频器将发电机输出变化的电压、电流转换为和接　入电网相匹配的值。风场使用Ｆｒｅｑｃｏｎ全功率变频　器，其结构原理如图６所示，其采用二极管被动整　流、三重Ｂｏｏｓｔ斩波升压、双ＰＷＭ逆变的拓扑结构。　这种拓扑结构有效解决了低风速下发电机输出　电压低时变频器的稳定运行问题。它通过Ｂｏｏｓｔ斩　波升压环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合　适的范围内，使逆变器的调制范围更宽，保证了变频　器的高效稳定运行；同时，还可以对永磁同步发电机　输出侧功率因数进行校正，提高发电机的运行效率。　此外，它在电网电压波动时可满足国家风电入网标　准要求的低电压穿越功能，保证风力机组安全、可靠　并网。　对全功率变频器而言，其重点在Ｂｏｏｓｔ斩波升　压和双ＰＷＭ逆变环节，被动整流环节只是把发电　机出口交流量整为直流，可以保持整流后电压电流　・７６・　华电技术　第３３卷　图６　Ｆｒｅｑｃｏｎ全功率变频器结构原理　的连续输出而没有突变。Ｂｏｏｓｔ斩波升压回路一方　面对直流母线起着升压、稳压的作用，另一方面通过　可编程控制器（ＰＬＣ）控制Ｂｏｏｓｔ的电流给定，可以达　到调节发电机电磁转矩的目的；双ＰＷＭ逆变环节　的主要作用在于将直流母线的电压电流调制成工频　按正弦波变化的量，以实现发电机输出功率的稳定　并网。　步上升到±６００　Ｖ，预充电过程完成；然后变频器反　馈Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｒｅａｄｙ信号给主控，当发电机转速达到　并网转速后，主控给变频器Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ—ｅｎａｂｌｅ信号，　变频器触发ＩＧＢＴ调制，控制输出电压电流参数与　并网参数一致。　２．３　电网异常时变频器的动作机制　全功率变频器不但能满足低风速下的稳定运　行，在风速突变时其通过转矩调节来控制发电机转　速，从而保证风力发电机平稳、高效运行。此外，其　对电网的支撑作用良好，当电网故障电压下降时，在　电压跌至２０％额定电压时能够维持并网运行６２５　ｍｓ；在电网电压不低于额定电压的９０％时，风力机　组能保持不问断并网运行。变频器还可以向电网提　供无功电流，支持电网电压的恢复。　２．２风力发电机启动时变频器的动作机制　变频器的启动逻辑如图７所示。　变流器控制器　区　Ｉ发预充电信号Ｈ　高压Ｉ／Ｏ板　Ｉ　１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿－Ｊ　｝｛　臣困　ｌ开始预充电ｌ　』　直流母排电压　大于４２０Ｖ　　ｊ　Ｉｌ巨叵　——Ｉ　在电网故障电压下降时，由于叶轮转速不变，发　电机、整流器的运行状态不变，即发电机输出功率大　于变频器输出给电网的功率，导致直流母线电压升　高，变频器控制器此时触发制动电阻导通，将多余的　功率以热耗的形式消耗在制动电阻上。同时，变频　发主断路器　吸合信号　　ｌ　　ＩｊＩ　器向电网提供无功电流，支持电网电压的恢复。当　电网电压恢复正常时，制动电阻回路断开，直流母线　电压恢复正常，变频器正常工作。　风速在６．５　ｍ／ｓ、有功功率在３００　ｋＷ左右时，风　电场现场７７／１　５００　ｋＷ机组电网电压三相对称跌落　时的故障录波如图８所示。　由图８可知，单相最低电压２５８　Ｖ，跌落为额定　电压的６４．８％，风力机组最大电流７００　Ａ，电压低于　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｅｎａｂｉｅ￣［　图７变频器的启动逻辑　风力发电机主控系统给变频器信号，变频器开　始预充电过程，当直流母线电压高于±４２０　Ｖ后，网　侧断路器闭合，预充电电阻被短接，直流母线会进一　９０％以下持续时间为１９　ｓ。在整个电压跌落过程　中，该机组始终保持并网运行，有功功率连续平稳输　出。同时，风力机组还向电网提供无功支持，最大无　第１２期　郭迪华，等：变频器在风电场中的应用　・７７・　之　脚　时刻　图８机组故障录波　功功率达４５０ｋＶ・Ａ，可以加快电网的故障恢复。　定设计功率要大很多。　３　２种变频器的异同　在本文第１章节和第２章节中，分别介绍了２　种变频器的工作原理等，本章节对２种变频器进行　比较分析。　３．１　实现变速恒频的方式不同　３．４故障时处理能力不同　在电网异常和故障状态下，双馈变频器发电机　需运行在特殊控制算法之下，否则电流冲击和畸变　均很严重，发电机的安全也会受到影响；而全功率变　频器由于其发电机与电网完全隔离，在电网跌落和　不对称时，发电机仍可运行在对称状态。　参考文献：　［１］中国电力科学研究院．国家电网风电场接入电网技术规　双馈型变频器通过控制转子励磁电流的频率来　控制定子侧输出电压的频率，以实现变速恒频；而全　功率变频器通过“整流一逆变”的方式，把定子侧的　输出电压先整流成直流，再通过网侧功率模块进行　逆变调制，从而达到与电网一致的输出频率。　３．２控制策略不同　定（试行）［Ｓ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｆｅｎｇｌｉｆａｄｉａｎ．ｃｏｒｎ／　ｚｈｅｎｇｅｅ／３３９ＣＣＪＪ１．ｈｔｍ１．　［２］Ｉ　Ｅｒｌｉｅｈ，Ｍ　Ｗｉｌｃｈ，ｃ　Ｆｅｌｔｅｓ．Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　双馈型变频器通过机侧变频器控制转子侧的励　磁电流来控制发电机的电磁转矩，从而实现对发电　机转速的调节；采用ＰＷＭ全控整流，可以实现发电　ＤＦＩＧ　Ｂａｓｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｆａｒｍｓ　ｗｉｔｈ　ＡＣ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｃ］∥　Ｔｈｅ　１　２ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａａｌｂｏｒｇ：２００７：１—１０．　机转矩和磁链的解耦，即输出有功功率和无功功率　的控制。　全功率变频器通过升压斩波器来调节其输入电　流来控制发电机的电磁转矩，从而实现对发电机转　速的调节。　３．３额定设计功率不同　［３］Ａｎｃａ　Ｄ　Ｈａｎｓｅｎａ，Ｇａｂｒｉｅｌｅ　Ｍｉｃｈａｌｋｅ．Ｆａｕｌｔ　Ｒｉｄｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｃａ—　ｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＤＦＩＧ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，　２００７，３２（９）：１５９４—１６１０．　（编辑：白银雷）　作者简介：　郭迪华（１９６６一），男，河南灵宝人，副总经理，工程师，　从事安全生产管理及技术改造方面的工作。　双馈异步发电机定子直接与电网连接，大部分　功率直接由定子侧输出给电网，部分功率由转子通　过变频器输出给电网，通过变频器的功率仅为转差　武修苗（１９８８一），女，重庆人，助理工程师，从事风力发　电场运行检修方面的工作。　杨旭（１９８７一），男，河南南阳人，助理工程师，从事风力　功率（约为发电机额定功率的１／３），而全功率变频　器的全部视在功率均流过变频器。所以，在２种风　力发电机的额定功率相同时，其全功率变频器的额　发电场运行检修方面的工作（Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｗａｎｇ０５０３＠１２６．　ｃｏｒｎ）。