1、双馈型风力发电系统的运行原理
双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。
双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用，因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。
图1、双馈风力发电系统结构图
双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，
此时有如下数学关系表达式：
12r n n n =± 2160
f n n f r p ±=
1211
r n n n
s n n -=
=± 式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，
s
s n n
n s -=
为发电机的转差率。 由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可
使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，
2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。
双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。
2. 变速恒频双馈风力发电机运行工况
2. 1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程
从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。
1）双馈电机运行于超同步发电机情况下：
图2、 双馈电机超同步发电机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n -=，由于2n 与1n 方向相反，所以n ＞1n ，转差S<0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。因而此时，双馈电机是吸收机械功率mec P ，然后通过定子侧向电网输出功率1P ，通过转子侧向电网馈送转差功率s P 。因此可得mec P =1P +s P 。 2）双馈电机运行于超同步电动机状态：
图3、 双馈电机超同步电动机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n -=，由于2n 与1n 方向相反，所以n ＞1n ，转差率S<0。
并且电磁转矩em
T 与n 同向，起驱动作用。因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功
率
1
P ，通过转子侧向电网吸收转差功率
s
P ，向外输出机械功率
mec
P 。因此可得
mec P =
1P +
s
P 。
3）双馈电机运行于亚同步发电机状态：
图4、 双馈电机亚同步发电机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n -=，由于2n 与1n 方向相同，所以n ＜1n ，转差率S ＞0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。因而此时，双馈电机是通过转子侧向电网吸收功率s P ，向外吸收机械功率mec P ，通过定子侧向电网输出转差功率1P 。因此可得1P =mec P +s P 。 4）双馈电机运行于亚同步电动机状态：
从图5中可以看到，21n n n -=，由于2n 与1n 方向相同，所以n ＜1n ，转差率S
＞0。并且电磁转矩em T 与n 同向，起驱动作用。因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功率1P ，向外输出机械功率mec P ，通过转子侧向电网输出转差功率s P 。因此可得1P =
mec P +s P 。
图5、 双馈电机亚同步电动机时的功率流程
上面一共讨论了双馈电机在四种情况下的运行特性，但是我们在风力发电中需要考虑的仅仅是1），3）两种发电机运行情况。并且还应当注意的是，由于1I =m I -2I ，可以调节转子侧绕组中电流2I 相位大小，来控制定子中定子电流1I 的相位和大小，从而实现通过转子侧的少量无功功率来控制定子侧的大量无功功率。
3、双馈风力发电变流器控制
一、电机侧变流器的控制
图6 电机侧变流器结构图
电机侧变流器拓扑结构如图所示，电机转子侧接三相电压型PWM 变流器，其直流环节通常是恒定的，即直流侧电压恒定，交流侧转子量通常是变化的。
可以通过控制电机侧变流器的电流给定进行定子侧电流相位、幅值、频率的控制，并控
制电机稳态运行时转速稳定，通过控制转子侧电流间接控制电机功率。
对于电机侧变流器的控制采用定子磁链定向的矢量控制（目前有多种方法）。
二、电网侧变流器的控制
图7 电网侧变流器结构图
电网侧PWM变流器实际上是一个三相电压型PWM整流器，其控制目标是调节网侧功率因数，保持直流母线电压恒定。
具体控制方式采用电网电压定向矢量控制，即先建立电网侧PWM变流器的数学模型，将其转换至d-q轴坐标系下，将电网电压矢量定向在d轴上，在此基础上建立电网侧PWM 变流器在电网电压矢量控制下的方程。
由于电网侧所要实现的控制目标是对电网功率因数和直流侧电压的控制，则电网侧变流器控制系统的控制变量为直流电压和电网电流。
4、变流器主电路开关器件参数设计
风力发电系统所用交流-直流-交流变流器开关器件选用绝缘栅双极晶体管（IGBT），电机侧变流器和电网侧变流器均采用IGBT作为开关器件，对于IGBT的选型需要分别考虑电机侧最大持续电流峰值和电网侧最大持续电流峰值，同时还需要考虑到中间直流电压最高值来选择合适的开关器件参数。
4.1 电机侧最大电流有效值计算
电机额定转速为1800r/min ，而电机转速范围是：1000-2030r/min ，当双馈发电机工作在转速1800r/min ，即转差率0.2S =-的超同步工况时，发电机定子侧有功功率达到最大值为：
11
156013001 1.2
s G P P kW kW s =?
=?=-
此时，定子电流和转子电流也达到最大值。下面分三种情况具体计算转子电流： 一、不考虑电网电压波动时的电机转子电流：
转速为n=1800r/min,定子侧电压峰值
为：690975.81sm U V ==；计算转子电流为：
1
102.98sm
rd m
U i A
L ω=
=
534.3232s
rq m
sm s
P i A
L U L =
=??
则转子侧电流峰值最大为：544.15r i A ==
则转子侧电流有效值最大为：384.83r ab i A -=
= s
L ——定子绕组在d-q 坐标系下的等效自感,
r
L ——转子绕组在d-q 坐标系下的等效
自感；
m
L ——定、转子间绕组在d-q 坐标系下的等效互感。
二、考虑电网电压波动时的电机转子电流
转速为n=1800r/min,考虑电网电压波动，当电压跌落10%时，定子侧电压峰值为：
6900.9878.22sm U V =?=；
计算转子电流为：
1
92.687sm
rd m
U i A
L ω=
=
593.6932s
rq m
sm s
P i A
L U L =
=??
则转子侧电流峰值最大为：600.88r i A ==
则转子侧电流有效值最大为：424.95r ab i A -=
= 三、当功率因数cos 0.9?=时，考虑电网电压波动时的电机转子电流
转速为n=1800r/min ，考虑电网电压波动时定子侧电压峰值为：
6900.9878.22sm U V =?=，
定子侧无功功率为: s tan(arccos0.9)1560755.54Q kw kw =?=; 则转子侧q 轴电流rq i 不变，d 轴电流rd i 为：
1
432.3332sm
s
rd m
m
sm s
U Q i A
L L U L ω=
+
=??
则转子侧电流峰值最大为：734.423r i A ==
则转子侧电流有效值最大为：519.39r ab i A -=
= 综上所述，第三种情况时，电机转子侧电流最大，则电机侧变流器IGBT
额定电流为：
12519.391468.83T i A A =?=
4.2 电网侧最大电流有效值计算
当双馈发电机工作在转速2030r/min ，即转差率0.353s =-的超同步工况时，发电机转子侧有功功率达到最大值为：
0.353
15604071 1.353
r s P P kW kW s =?=?=-
由于电网侧变流器并网功率因数恒为1，所以发电机转子侧有功功率Pr 与网侧变流器的有功功率r P 相等，则考虑电网电网电压波动10%时，变流器电网侧输出交流线路上的最大电流有效值为：
378.40
r I A =
=
则电网侧变流器IGBT 额定电流为：22378.391070.28T i A A =?=
4.3. 采用滤波器原因：
风力发电系统中采用PWM 变流器驱动异步电机，在实际应用中，双馈变流器位于塔底，双馈发电机安装在塔顶，在变流器和发电机之间采用长线电缆传输时，当PWM 变流器发射脉冲经过长线电缆传至电机时会产生电压反射现象，导致在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧电机绕组的绝缘压力，造成电机在短期内绝缘击穿等事故，分析表明发电机端产生的过电压与变流器输出PWM 脉冲上升时间和电缆长度有关。
PWM 变流器的输出脉冲经过长线电缆传至发电机，由于长线电缆的分布特性，即存在漏电感和耦合电容，会产电压反射现象，在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧发电机绕组的绝缘压力。这种反射现象与变流器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关。一般PWM 脉冲的传输速度约为光速的1／2，当脉冲由变流器传输到发电机的时间超过脉冲上升时间的1／3时，在发电机端发生垒反射，使电压近似加倍，从而使发电机的绝缘迅速老化甚至击穿。
5、低电压穿越技术概述
低电压穿越技术，关于双馈电机的低电压工作原理，简单地说，是在电网电压跌落及恢复期间，由于定子电压突变而磁链来不及变化，在磁链中产生直流分量和负序分量，该分量在转子中感应出较高电压（高达2000多伏），进而产生一系列的过电流和过电压现象。
低电压穿越，是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率以支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。目前各国都在相继制定新的电网运行准则，要求风电系统具有一定的低电压穿越能力。中国的电网运行准则目前还在制定中，暂时还没有明确的规定。最具代表性的是德国电网运营商E.ON Netz 对风电场风力机组提出的LVRT 要求[8]，如图8所示。
U /U N (%)
图8德国E.ON Netz 公司LVRT 要求
在图8中，仅当电网电压值处于图示折线下方也就是图中所示的风机跳闸区时，才允许风机脱网解列；而在折线以上区域，风机应继续保持并网，等待电网恢复。且当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑以帮助电网恢复。图中当电压跌落到额定电压的15%时，要求风机提供无功支持并保持并网至少625ms ，而在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。以上是电网对风力发电系统低电压穿越能力的具体要求。
电网电压跌落是电网运行中的常见故障之一，当电网出现故障导致电压跌落后，会使风力发电机组出现过电压、过电流或转速上升等问题，对于风力发电机本身及其控制系统的安全运行产生影响。
为了抑制电网电压跌落对双馈型风力发电系统的影响，实现低电压穿越功能，诸多文献对风力发电机LVRT技术的做了研究，可主要归结为以下几种方案:基于转子撬棒(Crowbar)保护电路的LVRT控制策略[9]、基于双馈电机暂态磁链补偿技术的LVRT控制策略[10]、基于短暂中断(STI)的LVRT控制策略[11]、基于提高转子电流环动态控制增益的LVRT控制策略[12]、基于能量管理技术的LVRT控制策略[13]、基于双馈电机定子电压动态补偿控制的LVRT
控制策略[14]等。
6、双馈电机控制方法简介
6.1矢量控制
20世纪70年代，德国西门子公司F.Blaschke等人提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国学者P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。此后，经过许多学者和工程技术人员的不断完善和改进，最终形成了现已普遍应用的矢量控制变频调速系统[18]。采用矢量控制使得交流电机可以模拟他励直流电机转矩控制规律而加以控制，大大提高了交流电机的控制性能，使其几乎能与直流调速系统相媲美。
双馈电机起初多在传动系统中用作电动机运行，尤其是在窄范围大功率调速的工业场合。随着电力电子技术和控制技术的发展，在一些发电场合，如水能、风能发电等，双馈电机有着其独特的优势。在双馈电机的多种应用场合，矢量控制被应用于双馈电机的控制策略之中，成为目前双馈电机的主要控制策略。
在双馈电机矢量控制策略中，依据其矢量定向的不同，又分为基于定子磁场定向的矢量控制、基于气隙磁场定向的矢量控制、基于转子磁场定向的矢量控制以及基于定子电压定向的矢量控制等矢量控制策略。对于鼠笼电机，控制从定子侧输入，转子侧短路；对于双馈电机控制从转子侧输入，定子侧接电网。对比双馈电机定子与鼠笼电机转子的广义Park方程，可知两者存在对偶关系。鼠笼电机通常采用转子磁场定向控制以实现转矩和励磁电流的解耦
控制，因此双馈电机可以采用定子磁场定向控制实现转矩和转子侧励磁电流的解耦控制，而且此方法磁链检测方便，误差小。同时，定子电压定向的矢量控制也可以实现转矩和转子侧励磁电流的解耦控制，定向方便等优点，所以此方法也广泛应用在双馈电机的控制中。6.2直接转矩控制
20世纪80年代中期，德国的M. Depenbrock和日本的I. Takahashi提出了直接转矩控制理论[18]，目前该技术已成功地应用在交流传动中。直接转矩控制是一种直接的转矩控制，它不是通过控制电流等量来间接控制转矩，而是把转矩作为被控量来直接控制，强调的是转矩的控制效果，采用离散的电压状态和近似圆形磁链轨迹的概念。
同其它电机类似，双馈电机也可以采用直接转矩控制方法。双馈感应电机直接转矩控制是基于电机转子侧进行控制的，采用转子磁链幅值给定值及转矩的指令值分别和它们的观测值做滞环比较，使被控制值波动限定在一定的容差范围内，然后通过开关表选择电机侧变流器功率器件的开关状态来实现对双馈电机转矩的直接控制。
直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在静止坐标系下计算与控制电机的转矩，采用转子磁场定向，借助离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对变流器的开关状态进行最佳控制，在维持转子磁链为圆形轨迹的同时，获得转矩的高动态性能。
直接转矩控制省掉了复杂的矢量变换，控制结构简单，且不明显依赖转子参数，故对转子参数的变化具有鲁棒性。同时，该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高动态性能的交流调速方法。然而，直接转矩控制是一种Band-Band控制，会导致转矩和定转子电流的脉动。
图9 双馈电机定子磁场定向矢量控制结构图
图10 双馈电机定子电压定向矢量控制结构图
7、电网电压定向控制的基本原理
1电网电压定向控制一般采用电压外环、电流内环的双闭环结构，电流方向以电网电压空间矢量的方向为基准。电网电压定向控制系统能否实现较好的稳态性能和快速的动态响应，很大程度上依赖于电流内环的设计。在同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环PI调节器的设计，同时可以很方便的与正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制方式接口，利于电网侧滤波参数的设计，是目前应用最广泛的电网侧变流器的控制策略，
以下文将对电网电压定向矢量控制进行详细分析。
图11同步旋转坐标系下电压定向控制框图
8、低电压时双馈电机系统的响应特性分析
目前，变速恒频风力发电系统，尤其是双馈型风力发电系统在应对电网电压跌落等故障能力方面存在很大的困难。本节将针对电网电压跌落及恢复时双馈风力发电系统的响应特性进行详细的分析，以便为后面对其低电压穿越控制方案的设计奠定基础。
在双馈型风力发电系统中，由于双馈电机的定子直接与电网相连接，因此在电网电压跌落时会导致其定子端电压跌落，由于定子磁链不能突变，导致定子磁链中含有直流成分，不对称电网电压跌落还会含有负序成分。由于双馈风力发电系统中的双馈电机的并网运行转速通常比较高，这一较高的转速相对于定子磁链中的直流成分和负序成分而言，均具有较大的转差率，从而在双馈电机转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流。转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中半导体器件的安全运行构成了威胁，严重时会导致转子侧变流器保护电路动作甚至烧坏变流器[29]。
在电网电压跌落的过渡过程中，电网侧变流器传输功率的能力受到限制，因而其对直
流侧电压的控制性能降低。因此，在电网电压跌落的动态过程中可能会引起背靠背变流器直流侧电压的升高，这也严重威胁到变流器半导体器件的安全运行。
在电网跌落的过渡过程中，尤其发生不对称跌落的过程中，会致使双馈电机的电磁转矩出现脉动，由于风轮机的惯性较大，这种脉动会给双馈型风力发电机、齿轮箱等机械部件造成冲击，从而影响风机的有效运行寿命。
在电网电压快速恢复过程中也存在类似的暂态过程，同样会对风电系统可靠运行产生严重的影响。为此必须采取一定的措施，对双馈电机系统进行控制，以使其具有较强的低电压穿越能力。
9、低电压穿越控制方案
基于转子Crowbar的LVRT控制方案是较早用于对双馈型风力发电机转子变流器保护的一项控制技术，可以分为无源Crowbar和有源Crowbar两大类。在风力发电尚未形成规模时，风力发电系统应用Crowbar技术主要进行自我保护，所采用的Crowbar多为被动式Crowbar，即所谓的无源Crowbar。随着风力发电装机容量的不断增大，在一些国家和地区风力发电已占有相当大的容量，并且未来将会有更多的风电场投入运行。为此电力系统开始对风力发电提出了新的要求，自2003年德国E.ON公司首次对风力发电提出并网要求以来，传统风机的无源Crowbar保护电路不再满足电力系统对风力发电提出的新要求。为了满足电力系统对风力发电的进一步要求，需要Crowbar电路动作后能在适当的时候断开，从而使得在风机在不脱离电网的情况下转子变流器可以重新工作，于是出现了新型的可以切断转子回路的主动式Crowbar保护电路，即所谓的有源Crowbar。
1.无源Crowbar:
图12 无源Crowbar保护电路
图12是由二极管整流桥和晶闸管构成的常用无源Crowbar保护电路，当直流侧电压达到保护值时，通过触发晶闸管导通实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流器的连接以实现对转子侧变流器的保护功能。而保护电路与转子绕组一直保持连接，直到定子接触器将定子侧与电网断开且等转子电流衰减为零后，晶闸管恢复到阻断状态，待条件允许时双馈电机重新执行并网操作。显然，基于晶闸管的被动式撬棒完全是一种自我保护形式的Crowbar，因此，不能对故障状态下的电网电压提供支撑，并且在电网故障切除后也不能马上对电网提供能量。
无源Crowbar保护电路控制简单，能够在电网电压跌落时保护转子侧变流器。但是晶闸管不能自行关断，因此故障时电机必须解列；当故障消除后，系统不能自动恢复正常，必须重新并网。此电路都是被动式保护，难以适应新的电网规则要求，因此要选用主动Crowbar 保护电路。
1.有源Crowbar:
为了满足电力系统对风力发电的进一步要求，需要Crowbar电路动作后能在适当时刻断开，从而使得在风机在不脱网的情况下转子变流器可以重新开始工作，于是出现了新型的可以在适当时刻切断保护电路的有源Crowbar。在有源Crowbar保护电路中可采用能够换流的SCR、GTO、IGBT等可关断器件。常用的两种典型有源Crowbar保护电路应用结构如图4.2所示。图4.2(a)是在二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成的斩波器，这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使
风电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。图13(b)是采用三相交流开关（常用SCR）和旁路电阻构成的保护电路，故障期间为转子侧可能出现的大电流提供通路。采用这种电路，当电网电压跌落发生及恢复时，转子侧变流器可以与转子保持连接，当故障消除后，切除旁路电阻使系统快速恢复正常运行。其中Crowbar电阻的取值比较关键，既要避免变流器直流侧过压，又要有效抑制转子侧过电流，其取值大小将在下一小节中介绍。
（a）二极管整流桥+IGBT+电阻(b) 三相交流开关+旁路电阻
图13、有源Crowbar保护电路
其实这两种拓扑的实质是一样的，都属于有源Crowbar，都可以适应新的电网规则
要求，使风力发电机在故障不严重时保持不脱网运行。由于晶闸管的成本较低且它对过
电流的承受能力比较大，所以实验中采用三相晶闸管和旁路电阻组成的保护电路，详细
的实验方案设计将在下一节具体说明。
10、有源Crowbar的参数设计
对于三相晶闸管和Crowbar电阻组成的有源Crowbar保护电路方案，我们必须从实际系统的性能、可靠性及成本等方面考虑，对系统中的关键参数进行仔细的分析，确定最终的实验方案。以下将分别对撬棒电阻、晶闸管及控制参数的选择进行分析。
1. Crowbar电阻R的选择：
Crowbar电阻R的阻值的选取较为重要，阻值过小不能起到限制转子电流的作用，阻
值过大又会在转子侧变流器的出线端形成过电压，进而使直流侧过压，威胁到转子变流器的耐压安全。
当有源Crowbar 开始工作时，双馈电机基本等同于感应电机。文献[30]给出了双馈电机最大短路电流计算公式，其与Crowbar 电阻的关系如下
11max i ≈
（4-14）
设转子允许的最大电压为U 2max ，Crowbar 电阻的最大值为
2max 1cb R <
（4-15）
2. 晶闸管SCR 的选择：
对于晶闸管的选择要考虑其额定电压、额定电流、过电流能力、du/dt 及di/dt 等参数，还要考虑其类型、尺寸、价格等因素。同时，晶闸管的选择与撬棒电阻有很重要的关系，4.5.2节将给出晶闸管的电流及电压波形，通过波形可以为晶闸管的选择提供依据。
3. 控制参数的选择：
在对有源Crowbar 保护电路进行控制时，必须弄清楚其被触发和禁止的逻辑关系：当电网电压跌落时，首先监视双馈电机系统的转子侧电流，若转子侧电流超过其设定的上限值时，立刻封锁转子侧变流器的脉冲，以防止转子变流器因过电流而损坏；同时监视双馈电机系统的直流母线电压，若直流母线电压超出其设定的上限值，触发转子Crowbar 保护电路动作，短路双馈电机的转子电路。在Crowbar 保护电路被触发动作后，一方面继续监视双馈电机转子侧电流和直流母线电压，一旦转子侧电流和直流母线电压都低于其设定的下限值，并且维持一段时间，则可关断Crowbar 保护电路，重新恢复对转子侧变流器的控制。在电网电压恢复时同样的按上述逻辑进行控制。
同时，在电网电压跌落时还必须考虑变流器对电网无功功率补偿的控制策略。DFIG 应对电
网故障的无功功率支持既可以采用转子侧变流器，又可以电网侧变流器对无功功率进行补偿。首先考虑转子侧变流器具有对双馈电机进行控制能力时的情况，在电网电压跌落较轻微时转子变流器仍持续工作，考虑到双馈电机的设计特点，相比于通过网侧变流器对电网进行无功补偿而言，用双馈电机转子侧变流器对电网进行无功补偿，进而对电网电压实施控制较为有利。目前，对于双馈电机的无功功率进行控制的方案，概括起来可以分为三类:无功功率指令性控制、双馈电机定子侧功率因数控制和定子电压控制。当电网电压跌落深度较大转子侧变流器不工作时，可以采用网侧变流器进行无功功率的控制；同时在暂态过程结束后电机重新工作时，转子侧变流器也可以进行无功功率补偿以利于电网恢复。
电网电压对称跌落到15%时：
在双馈型风力发电仿真系统中，电机侧变流器采用定子电压定向矢量控制策略，电网侧变流器采用电网电压定向矢量控制策略，双馈电机工作在额定状态下且定子侧及电网侧功率因数均为1。三相电网电压在0.5s 时刻跌落到其额定值的15%，1.125s 时刻恢复，此动态过程中系统的主要变量波形图如图14所示。
（a ）定子电压波形 （b ）定子电流波形
t(s)
u A B C (V )
4
t(s)
i A B C (A )
(c) 转子电流波形 （d ）直流电压波形
（e ）定子有功及无功功率波形
图14 电网电压对称跌落到15%时的主要变量波形
t(s)
i a b c (A
)
t(s)
U d c (V )
6
t(s)
P s ,Q s
V ol 38No.Z1 Apr.2018 噪 声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第38卷第Z1期2018年4月 文章编号：1006-1355(2018)Z1-0383-05 考虑各向异性的辅助变流器用变压器模态分析 鲁文波1，王永胜2 （1.上海海基盛元信息科技有限公司，上海200235；2.株洲中车时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001） 摘要：变压器模态参数的准确计算是研究变压器振动噪声问题的前提，以往对变压器器身进行实体建模，并将绕组与铁心材料按各向同性处理的常规模态分析方法存在计算精度上的缺陷，影响振动分析结果。为了准确模拟变压器等效结构，从而准确计算变压器模态参数，本文计算分析了变压器铁心结构各向异性、绕组结构各向异性、撑条结构各向异性等对变压器固有频率计算结果的影响，通过合理设置零部件等效材料属性与接触关系，较准确地计算了变压器的主要阶次固有频率。与实测相比，主要模态频率计算平均误差在5％以内，验证了方法的合理性。 关键词：振动与波；变压器；各向异性；模态分析；固有频率中图分类号：TH113.1；TB532 文献标志码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.081 Modal Analysis with Anisotropy for Auxiliary Transformer LU Wenbo 1,WANG Yongsheng 2 （1.Shanghai Hikey-Sheenray Information Technology Co.Ltd.,Shanghai 200235,China;2.Technology Center,Zhuzhou CRRC Electric Times Co.Ltd.,Zhuzhou 412001,Hunan China ） Abstract :The accurate calculation of transformer modal is a prerequisite for the research on vibration and noise of transformer.The conventional modal analysis method including entity modeling and isotropic treatment for winding and core material has shortcomings of computational accuracy,which affect the vibration analysis results.In order to accurately simulate the transformer equivalent model and calculate the transformer modes,the anisotropy influence of the core,winding,and bar structure on the transformer natural frequency were analyzed.The accurate calculation results of the principal natural frequency of the transformer were obtained by reasonably setting equivalent material properties and https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,paring with the experimental results,the mean error of the frequency of the principal modes is less than 5％,which validates the accuracy of the proposed method. Keywords :vibration and wave;transformer;anisotropy;modal analysis;natural frequency 辅助变流器用变压器是电力机车用辅助变流器的重要组成部分，其振动噪声特性直接影响整柜噪声水平，造成噪声污染，研究并降低辅助变流器用变压器的振动噪声很有必要。当激振力频率与变压器某阶数固有频率接近时，结构会发生较大振动，成为振动噪声的主要原因[1]。目前变压器噪声分析多以试验分析[2]与工程治理[3–4]为主，准确计算变压器模态与振动对解决其振动噪声问题具有重要意义。 收稿日期：2018-03-15 作者简介：鲁文波（1982-），男，湖北省天门市人，博士，主要研 究方向为声源诊断与识别、振动噪声控制。E-mail:wenbo326@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html, 为了研究变压器的振动噪声问题，需准确计算模态参数，并得到合理简化的变压器结构模型，为振动噪声计算分析提供前提。文献[1]采用有限元计算方法计算了带油箱的变压器模态，分别在器身按等效质量块考虑及按质量点考虑下计算分析了模态参数，未考虑复杂变压器器身结构及器身材料对变压器模态的影响；文献[5]计算变压器模态时考虑了实际变压器结构特性，但研究内容主要在变压器结构的实体建模和各向同性材料处理的基础上进行；文献[6]采用有限元方法计算了变压器模态，分别分析了绕组预紧力及铁心压紧力对变压器绕组及铁心模态的影响，未分析接触关系及结构各向异性及接触关系对变压器模态参数的影响；文献[7–8]采用 万方数据
1、双馈型风力发电系统的运行原理 双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。 双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用， 因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。 图1、双馈风力发电系统结构图 双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式： 12 r n n n =±2160 f n n f r p ±=
12 11 r n n n s n n ?==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，s s n n n s ?=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。 双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。 2.变速恒频双馈风力发电机运行工况 2.1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程 从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。 1）双馈电机运行于超同步发电机情况下： 整个风机的机械效率 同步转速
风电变流器简介 风能作为一种清洁得可再生能源,越来越受到世界各国得重视,我国风能资源丰富,近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来,不断寻求技术革新严把质量关,目前已实现规模化得生产。 本文将针对市场上主流得双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机得转子进行励磁,使得双馈发电机得定子侧输出电压得幅值、频率与相位与电网相同,并且可根据需要进行有功与无功得独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网,减小并网冲击电流对电机与电网造成得不利影响。 变流器提供多种通信接口,如Profibus, CANopen等(可根据用户要求扩展),用户可通过这些接口方便得实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统得集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能,用户可以实时监控风机变流器运行状态。变流器可根据海拔进行特殊设计,可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术,核心控制采用具有快速浮点运算能力得“双DSP得全数字化控制器”;在发电机得转子侧
变流器实现定子磁场定向矢量控制策略,电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略;系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网与最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率得IGBT功率器件,保证良好得输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点,可以明显地改善双馈异步发电机得运行状态与输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器得双馈异步发电机励磁控制系统,实现了基于风机最大功率点跟踪得发电机有功与无功得解耦控制,就是目前双馈异步风力发电机组得一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示: QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成
第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 (2) 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 (2) 5.1.2同步发电机 (2) 5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 (5) 5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 (18) 5.2 全功率变流器风电机组变流器 (19) 5.2.1 电机侧变流器控制策略 (20) 5.2.1 电网侧变流器控制策略 (21)
5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。例如：额定功率为5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连，机械齿轮箱变速比应为150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。作为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。 全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。这两个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。发电机侧变换器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制功率因数或支持电网电压。 5.1.2同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。同步发电机主要包括定子和转子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。磁极有凸极和隐极两种结构。凸极转子结
储能逆变器的控制策略研究 发表时间：2018-05-30T10:13:41.427Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：杜学平 [导读] 摘要：目前我国经济发展十分快速，电力行业越来越普遍，随着分布式电源不断接入电网和微电网系统的发展，微电网对系统的运行稳定性及供电可靠性都提出了一定的要求。 （青岛科技大学自动化与电子工程学院山东青岛 266199） 摘要：目前我国经济发展十分快速，电力行业越来越普遍，随着分布式电源不断接入电网和微电网系统的发展，微电网对系统的运行稳定性及供电可靠性都提出了一定的要求。储能系统应运而生，储能系统可以存储过剩的电能，在发电能力较弱时再放出电能给负载供电，实现削峰填谷，完美解决新能源间歇性发电的问题。储能系统在微电网中发挥着非常重要的作用，而储能逆变器又是储能系统中的核心部分，因此储能逆变器的控制策略研究是非常有实用价值的。 关键词：储能；逆变器；控制策略；研究 1系统结构和基本原理 图1 系统结构简图 以电池为介质的储能系统主要由电池及其管理系统（风能、太阳能的储能系统）和能量转换系统（ＰＣＳ）两个部分组成（如图1所示）。电池通过ＰＣＳ与电网交换能量（或离网负载），根据实际需要储存或释放能量。作为电池与大电网之间接口的ＰＣＳ，实际上是大功率的电力电子变流器，此处ＰＣＳ特指储能逆变器（储能变流器）。 常见的储能逆变器分为单级型和多级型两种主要形式。单级型储能变流器的拓扑仅由一个ＡＣ／ＤＣ环节构成，其优点是结构简单、控制方法简便，逆变器损耗低，能量转换效率高。但是存在以下缺点：1）一个AC-DC不可以充分多路输出；2）电池电压的工作范围不能灵活控制；3）电池电压固定不能灵活分配。由于以上确定我们选择两多级型，我们选择两级，增加一级隔离DC-DC的控制，该级控制可以根据功率灵活的扩展DC-DC通道的数量和输出电压的大小（如图2所示）。 1.1 AC-DC部分介绍： AC-DC部分拓扑采用三电平，其中开关频率为20K，功率器件为：初步选定英飞凌的DF100R07W1H5FP_B3的IGBT模组。此部分效率可达到98%。在大功率PWM变流装置中，常采用三点式电路，这种电路也称为中点钳位型（Neutral Point Clamped）电路（如图3所示）。与两点式PWM相比，三点式PWM调制主要有以下优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率可以低得多，从而能够大幅度减少开关损耗；二是主功率器件断开时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路应用在高电压大容量的产品上特别合适。在控制策略方面，在传统的PWM整流器双闭环控制的基础上，采用内模控制代替电流内环PI调节器，以提高系统的鲁棒性能、跟踪性能和动态响应能力。 图2 两级PCS框图图3 AC-DC主原理图 1.2 DC-DC部分介绍： DCDC部分拓扑采用CLLC准谐振开关技术，开关频率100K或者是更高频率，功率器件采用单管MOS并联组成（并联数量根据功率确定，具体原理框图见图4）。功率器件为：初步选定英飞凌的IRFP4668P6F。此部分效率可达到90%以上。隔离DC/DC部分采用CLLC谐振软开关技术，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按照正弦或标准正弦规律变化。当电流通过零点时，使器件关断（或电压为零时，器件打开），从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题并且还能解决二极管反向恢复问题，对于由于硬开关引起的EMI 等问题也有很好的改善。这种拓扑结构，电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很宽的情况下依旧具有良好的电压调节特性，不仅可以在原边实现开关管 ZVS，还可以使副边整流管实ZCS，且原副边管子的电压应力较低。 图4 DC-DC 原理框图 2、几种必要的控制模式 2.1并网模式到孤岛模式： 储能逆变器并网模式到离网模式的切换分为两种主动切换和被动切换。主动切换指人为的把储能逆变器离网；被动切换指因电网故障或者电压过低等原因，储能逆变器受到不良影响，把储能逆变器切离电网ＰＷ。主动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标正常，此时模式切换策略较为简单，只需要提供一个与电网电压相同的量作为离网模式下储能逆变器控制策略的参考值，在断开开关的同时控制方式切换为ＶＦ，电压外环给定值为电网电压幅值和频率。被动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标可能不正常，此时的控制策略需参考
风电变流器原理和功能 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。 风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。 变流器提供多种通信接口，如Profibus（现场总线）, CANopen（硬件协议）等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。 变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。 风电变流器基本原理 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如所示： 风电变流器系统构成
2018年储能双向变流器及储能系统集成产业化项目可行性研究报告 2018年12月
目录 一、项目概况 (3) 二、项目建设背景 (3) 1、储能商业化应用提速发展 (3) 2、国内储能扶持政策逐步加力 (4) 三、项目建设必要性 (6) 1、迅速占领市场，赢得市场先机 (6) 2、优化产品结构，形成新的利润增长点 (6) 3、发挥与光伏逆变器业务的协同优势 (6) 四、项目产品和技术方案 (7) 7 1、集中式交流储能变流器 .................................................................................... 7 2、分布式直流储能变流器 .................................................................................... 五、项目建设方案 (8) 1、主要原材料和辅料供应情况 (8) 8 2、项目建设方案 .................................................................................................... （1）工程费用 (8) （2）设备费用 (8) 六、项目经济效益分析 (10)
一、项目概况 项目建设期为18个月，在项目期内将完成厂房建设、储能双向变流器生产线建设、办公及配套设施建设、人员配置等。 项目总投资11,477万元，具体概算如下： 二、项目建设背景 1、储能商业化应用提速发展 当前全球能源转型迫在眉睫，伴随新能源产业的迅速发展，全球的储能行业革命正在进一步的深化过程中。储能技术应用广泛，市场需求潜力较大，是能源互联网中的关键环节，主要体现在以下几个方面： 第一，光伏与风电等间歇性电源输出不稳定，光伏发电集中在白天阳光充足的时间，风力发电受风量风速等直接影响，当其发电量提升时，其不稳定电量会对电网造成一定的冲击，这就需要配套一定比
风电变流器简介 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来，不断寻求技术革新严把质量关，目前已实现规模化的生产。 本文将针对市场上主流的双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。 变流器提供多种通信接口，如Profibus, CANopen等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。 变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮
点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示： QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成 变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整
版本号 V1.0 PSCONVERTER-I10/3 三相储能变流器 用户使用手册 天津天海源电气技术有限责任公司 Tianjin THY -Electric Power Technology Co., Ltd
目录 一关于本手册的说明 (1) 1.1 前言 (2) 1.2 内容介绍 (2) 1.3 面向读者 (3) 1.4 手册使用 (3) 二安全须知 (4) 2.1 用户须知 (5) 2.2 安全标志约定 (5) 2.3 安全注意事项 (5) 三PSCONVERTER-I10/3三相储能变流器简介 (7) 3.1 简介 (8) 3.2 产品性能特点 (8) 3.3 产品原理图 (10) 四操作指导 (12) 4.1 上电前检查 (13) 4.2 上电操作 (14) 4.3 断电操作 (15) 4.4 变流器工作状态 (16) 五触摸屏监视终端和上位机监控软件操作说明 (17) 5.1 触摸屏监视终端 (18) 5.1.1 触摸屏监视终端简介 (18) 5.1.2 触摸屏监视终端操作步骤 (20) 5.2 上位机监控软件 (20) 5.2.2 上位机监控软件功能简介 (21) 5.2.2 上位机监控软件功能操作步骤 (23) 六故障诊断及排除 (24) 6.1 故障和告警类型 (25) 6.2 上位机监控软件故障 (26) 6.3 其他故障 (26) 七例行维护 (27) 7.1 维护周期 (28) 7.2 可视化检查系统状态 (28) 7.2.1 变流器箱体 (28) 7.2.2 变流器周围的环境 (29) 7.3 接线端子紧固性检查 (29) 7.3.1 内部器件检查 (29) 7.3.2 插头的安装检查 (30) 7.4断路器的检查与维护 (30) 八典型应用 (31)
Design and Control for LCL-Based Inverters with Both Grid-Tie and Standalone Parallel Operations Chien-Liang Chen, Jih-Sheng Lai, Yu-Bin Wang, Sung-Yeul Park, and Hide Miwa Virginia Polytechnic Institute and State University Future Energy Electronics Center 415 Whittemore Hall, Blacksburg, VA 24061-0111, USA jlchen99@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,, laijs@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,, ybwang@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,, supark@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,, and hmiwa1@https://www.doczj.com/doc/a617190587.html, Abstract—The inductor-capacitor-inductor (LCL) filter allows higher noise attenuation and universal output in which a power conditioning system or an inverter can operate in both grid-tie and standalone modes. In this paper, the LCL filter design considerations including sensor position selection and component selections are discussed for single-phase paralleled inverters operating in both grid-tie and standalone modes. For grid-tie mode operation, each inverter is operating under a single current loop with proportional-resonant controller and admittance path compensation to reduce the steady-state error by providing a high gain at the fundamental frequency. For standalone mode operation, one of the inverters is implemented with a dual-loop controller to regulate the output voltage while the rest inverters operate in single current-loop controller with communication channels in between to ensure the uniformity of current sharing. Both the simulation and experimental results verify that the designed controllers are capable of paralleling inverter operation in grid-tie and standalone modes by adapting to different controller settings while keeping the same hardware setup. Keywords-LCL filter, grid-tie inverter, dual-loop control, PR controller, parallel inverter, admittance compensation. I.I NTRODUCTION The parallel inverter systems have demonstrated many advantages compared to a single high-power inverter [1-8]. For example, an inverter can be designed in modular manner which allows the system capacity to be multiplied and the reliability can be greatly improved with redundancy. Parallel inverter operation has been a major topic in uninterruptible power system (UPS) applications where the design is focused on the standalone operation, and the output stage is typically an inductor-capacitor (LC) filter. When connecting the paralleled inverters to utility grids, the capacitor becomes redundant, and thus either a pure inductor (L) or an LCL filter can be used as the inverter output stage. Compared with the L filter, the LCL filter is more attractive [9] because it can not only provide higher high-frequency harmonics attenuation with the same inductance value, but also allow the inverter to operate in both standalone and grid-tie modes, which makes it a universal inverter for distributed generation applications such as fuel cell and photovoltaic power conditioning system (PCS). Major factors that were used in LCL design considerations include inductor current ripple magnitude and reactive power consumption in capacitor [10], the range of LCL resonant frequency, and the total inductance value of LCL filter [11]. In this paper, the sensor position selection and the universal application in both grid-tie and standalone modes are added as the LCL design factors. The compliance of interconnect standards IEEE 1547 and 1547.1 [12,13] and their current harmonic limits can also be used in the LCL design criteria. However, the cause of inverter harmonic distortions were mainly found in nonlinear effects such as nonlinear device voltage drop, dead time, limited PWM resolution and lack of stiffness in dc link [14]. The controller with high gain at the harmonic frequencies such as proportional-resonant (PR) controller [15] and direct-quadrant (DQ) frame current controller [16,17] can be potential candidates to alleviate such harmonic distortions. In addition to harmonic concerns, the controller design for parallel inverter systems must consider stability and steady-state error issues. In general, parallel inverters are designed in standalone mode for UPS and distributed generation (DG) systems that supply regulated output voltages when grid is not available. Most reported standalone inverter systems use a LC filter and proportional-integral (PI) controller in their control loops [18-20]. In [18,19], multiple feedback loops were proposed to improve the output voltage performance and to damp the poles of LC filter. In [20], feedback, feed-forward, and nonlinear controls were considered for the entire UPS control system. These parallel inverter systems, however, are usually designed with LC filter [1-8] which will have difficulties in grid-tie operations due to the undetermined resonant frequency caused by the change of grid-side source impedance [21]. The design of parallel inverters also needs to consider the current sharing capability [5-6] and the communication [7-8] among paralleled inverters. In [5], some current-sharing schemes for parallel inverter systems including master-salve control, current-limit control, and circular-chain control are examined and compared. In [6], a current-weight-distribution control was proposed to allow inverters in parallel with different output current capability. In [7], the controller area network (CAN) communication interface is utilized in a parallel inverter system to obtain a higher reliability. In [8], a new voltage and frequency droop control for parallel inverter systems is proposed to allow a robust current sharing without communication between inverters. In this paper, the paralleled inverters adopt the LCL filter as the output stage to allow the inverter to operate in both grid-tie
储能系统可以说是调节微电源性能、保证负荷供电质量、维持电网稳定地重要环节，因此研究储能系统设计、开发储能在微网技术中地应用具有十分重要地意义. 、微网地储能技术种类及其特性 伴随着科技地发展，已发明地储能技术形式多种多样.根据微网地特点，适用于微网地储能技术可以分为物理储能、电化学储能和电磁储能，电化学储能可以分为铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等.物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能，电磁储能包括超级电容储能和超导磁储能等.文档来自于网络搜索 ．蓄电池储能系统构成 蓄电池储能系统主要由电池组、电池管理系统( )、()、隔离变压器、双向变流器、变流器监控装置及辅助设备.系统可以满足频繁充放电及微网孤岛运行功能地需求.系统可根据上级调度指令完成各种充电、放电等高级控制策略，在微电网中应用最为广泛且最具有发展前途.文档来自于网络搜索 能量控制装置控制器通过通信信道接收后台控制指令，根据功率指令地符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率地调节. 控制器通过接口与电池管理系统通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池地保护性充放电，确保电池运行安全.文档来自于网络搜索 ．铅酸电池 铅酸电池主要由铅及其氧化物构成，电解液是硫酸溶液.荷电状态下，主要成分为二氧化铅，主要成分为铅；放电状态下，正负极地主要成分均为硫酸铅，以密度为．～．／ (浓度为％～％)地硫酸溶液作为电解液，统称为铅酸蓄电池(亦称“铅蓄电池”).目前铅酸蓄电池在电力系统应用领域地研究重点是电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量.阀控铅酸电池地电化学反应式如下：文档来自于网络搜索 充电： (电解池)阳极：，一一阴极：当溶液地密度升到．时，应停止充电：放电： (电解池)负极：一一正极：一文档来自于网络搜索 ．锂离子电池 目前锂离子电池地负极一般采用石墨或其嵌锂化合物，正极为氧化钴锂：、：及等过渡金属氧化物，电解液采用锂盐液态非水电解液.锂离子电池地性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为新兴地正极材料，其安全性能与循环寿命较其它正极材料具有明显优势.锂电池具有以下几个特点：能量密度高，其理论比容量为／，产品实际比容量可超过 (．，℃)；储能密度高；工作电压适中(单体工作电压为．或． )；寿命长；正常使用条件下，次循环后电池放电容量不低于初始容量地％；无害，不含任何对人体有害地重金属元素；充放电转化率高(％以上).但是，锂离子电池性能易受工艺和环境温度等因素地影响.文档来自于网络搜索 ．超级电容器 超级电容器是一种新型储能装置，通过极化电解质来储能.由于随着超级电容器放电，正、负极板上地电荷被泄放，电解液地界面上地电荷响应减少.由此可以看出：超级电容器地充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定地，与利用化学反应地蓄电池是不同地.超级电容器具有比功率大、充电速度快地优点，适合大电流和短时间充放电地场合，且使用寿命长，不易老化，是一种绿色能源，缺点是能量存储率有限，价格较为昂贵，还不能完全取代蓄电池提供能源，在电力系统中多用于短时间、大功率功率输出地场合.文档来自于网络搜索 ．飞轮储能技术 飞轮储能以动能地形式存储能量，经过功率变换器，完成机械能一电能相互转换.飞轮储能比功率一般大于／，比能量超过／，循环使用寿命长，工作温区较宽，无噪声，无污染，
第27卷第2期郑州铁路职业技术学院学报 Vol．27No．2 2015年6月Journal of Zhengzhou Ｒailway Vocational ＆Technical College Jun．2015 收稿日期：2015－03－23 作者简介：张中央（1966－），男，河南孟津人， 郑州铁路职业技术学院机车车辆学院教授，研究方向为铁道机车牵引与制动、传动控制系统。 辅助变流器在我国铁路机车的应用及常见故障分析 张中央，吉鹏霄 （郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052） 摘 要：辅助变流器是近年来广泛应用于我国新型交直传动和交流传动机车辅助系统的新型电力电子装 置。介绍辅助变流器在我国铁路机车上的应用情况及其优越性，针对其运用中发生的辅助回路接地、主电路故障不能彻底切除、同步触发信号问题等故障情况进行分析，提出了指导性的解决方法和改进建议。 关键词：铁路电力机车；辅助变流器；IGBT ；故障分析中图分类号：U264．6 文献标识码：A Application and the Common Faults Analysis of the Auxiliary Converter on Ｒailway Locomotive in China ZHANG Zhong －yang ，JI Peng －xiao （Zhengzhou Ｒailway Vocational and Technical College ，Zhengzhou 450052，China ） Abstract ：The auxiliary converter is a new type of power electronic devices in recent years widely applies in the new type of China's DC drive and AC drive locomotive auxiliary system．The application of railway locomotive auxil-iary converter in our country and its superiority is introduced．At the same time analyzed aiming at its auxiliary cir-cuit grounding ，the main circuit fault can not be completely resected ，the synchronous trigger signal problems such as fault conditions．The guiding solutions and suggestions is improvemented． Key Words ：railway electric locomotive ；auxiliary converter ；IGBT ；Fault analysis 0 辅助变流器应用背景 从电力机车诞生一直到20世纪80年代初期，国内外干线电力机车辅助电路的三相交流电源一直采用旋转式劈相机把接触网的单相交流电变为三相交流电。由于劈相机的噪音大、输出三相380V 交流电压大小受接触网电压波动的影响大、工作不稳定且三相电压对称性不好，造成辅助电动机电磁噪音 和损耗增加，影响电力机车辅机的正常工作。 鉴于以上原因，国内外电力机车制造厂商都在研发旋转劈相机的替代产品，这就是辅助变流器（简称“辅逆变”），也叫静止劈相机，电力电子技术中称之为单—三相静止变流器。20世纪80年代中期，我国从法国进口的8K 型电力机车的辅助系统就是采用了这种静止劈相机，在当时属于先进技术，而与其 5 DOI:10.13920/https://www.doczj.com/doc/a617190587.html,ki.zztlzyjsxyxb.2015.02.001