新風(fēng)光直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器裝置

0 引言

　　風(fēng)力發(fā)電是目前最具有形成規(guī)?；妥罹邆渖虡I(yè)化的可再生能源技術(shù)。而實(shí)際上風(fēng)力發(fā)電在很大程度上取決于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為MW級(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流技術(shù)。所謂變速恒頻，就是通過(guò)調(diào)速控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能夠跟隨風(fēng)速的變化，最大限度地提高風(fēng)能的利用效率，有效降低載荷，同時(shí)風(fēng)輪及其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，保證輸出的電能頻率始終與電網(wǎng)頻率一致。

　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋式和直驅(qū)式兩種類型。雙饋式由于其變流器串聯(lián)在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中，其容量只有系統(tǒng)總功率的1/4~1/3，有效地降低了系統(tǒng)成本；與雙饋式相比，直驅(qū)式采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，無(wú)齒輪箱（或半直驅(qū)式，采用一級(jí)齒輪箱），也無(wú)滑輪，機(jī)械故障少，損耗小，運(yùn)行效率高，維護(hù)成本低，但是，由于直驅(qū)式采用系統(tǒng)全功率傳輸，初始成本相對(duì)較高。

　　目前國(guó)內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)主要研究、跟蹤，消化吸收雙饋式并網(wǎng)變流器，而我們公司近年來(lái)利用多年研究開(kāi)發(fā)大功率變頻器主電路拓?fù)浜突仞伈⒕W(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，專注直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)，成功研制出該產(chǎn)品，并已安裝調(diào)試于內(nèi)蒙古包頭市，現(xiàn)已成功運(yùn)行數(shù)月，且無(wú)故障記錄。

　　1 控制原理

　　MW級(jí)大功率直驅(qū)式并網(wǎng)變流器采用多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個(gè)單元的主電路拓?fù)洳捎媒?直-交電壓型結(jié)構(gòu)，如圖1或圖2 所示，圖1采用二極管不控整流和Boost升壓穩(wěn)壓電路，圖2采用PWM全控整流電路。

　　采用圖1主電路拓?fù)洌ㄟ^(guò)Boost 升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將很好地控制后端逆變器的輸入直流電壓，即不論二極管不控整流的輸出直流電壓變化多大，通過(guò)Boost 升壓穩(wěn)壓電路后，其直流電壓基本穩(wěn)定，使后端逆變器調(diào)制度范圍好，提高運(yùn)行效率，減小損耗，同時(shí)，Boost 電路還可以對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。

　　采用圖2 主電路拓?fù)?，通過(guò)PWM 可控整流技術(shù)，可以很好地處理發(fā)電機(jī)端的交流電壓不穩(wěn)、諧波較大和直流側(cè)電壓變化大的問(wèn)題，是最具發(fā)展前途的主電路結(jié)構(gòu)方式。兩種主電路各有各的優(yōu)缺點(diǎn)?？刂粕喜捎秒娏鲀?nèi)環(huán)，電壓外環(huán)雙閉環(huán)矢量控制技術(shù)。

　　各個(gè)單元采用載波移相多重化技術(shù)，無(wú)須額外增加濾波器，便能使網(wǎng)側(cè)電流諧波失真系數(shù)THD＜國(guó)標(biāo)5%的要求。

　　2 技術(shù)特點(diǎn)

　　山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司利用多年研制低壓大功率變頻器的主電路拓?fù)浜湍芰炕仞伈⒕W(wǎng)技術(shù)，成功研制并已成功用于風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器，其技術(shù)特點(diǎn)有：

　　1）控制上采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制，呈現(xiàn)電流源特性，電流環(huán)是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制的核心；

　　2）變流器對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)電流源特性，容易做多單元并聯(lián)，易于大功率化組裝，各個(gè)單元之間采用多重化載波移相，極大地減小了網(wǎng)側(cè)電流總諧波；

　　3）網(wǎng)側(cè)逆變器采用三電平電路拓?fù)?，適應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣，同時(shí)也有益于減小網(wǎng)側(cè)諧波電流；

　　4）MW 級(jí)變流器需多個(gè)單元并聯(lián)組合，系統(tǒng)控制會(huì)自動(dòng)分組工作，很容易線性化并網(wǎng)回饋功率，易于整個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的系統(tǒng)控制，同時(shí)有益于減小電流總諧波；

　　5）并網(wǎng)變流器采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)，可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，自動(dòng)使并網(wǎng)功率最大化；

　　6）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，根據(jù)風(fēng)電整體控制，可以瞬時(shí)滿足大范圍功率變化要求，適應(yīng)性強(qiáng)；

　　7）具有過(guò)熱、過(guò)流、短路、旁路、網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護(hù)功能，具有多種模擬量和數(shù)字量接口，具有CAN總線或RS485串行總線等接口，與風(fēng)電項(xiàng)目中的其它部分連接方便，控制靈活。

　　3 實(shí)驗(yàn)波形分析

　　圖3 是并網(wǎng)電流為60 A 時(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖，圖4是并網(wǎng)電流為100 A時(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。從兩圖可以看出，網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且與電網(wǎng)電壓反相，呈現(xiàn)負(fù)的單位功率因數(shù)，同時(shí)也能觀察到隨著電流的增大，網(wǎng)側(cè)電流的諧波失真系數(shù)（THD）越來(lái)越小，即整體效率越來(lái)越高。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器采用交-直- 交三電平電壓型主電路拓?fù)洌士刂齐娏髟刺匦?，容易并?lián)，易于大功率化組裝，網(wǎng)側(cè)電流正弦化，可以軟并網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，無(wú)污染，可以廣泛用于風(fēng)力發(fā)電等可再生能源項(xiàng)目中。