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全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略CATALOGUE 目录•全功率变流器风电机组概述•全功率变流器风电机组的工作原理•全功率变流器风电机组的控制策略•全功率变流器风电机组的性能评估与优化•全功率变流器风电机组的发展趋势与挑战CHAPTER全功率变流器风电机组概述风能发电简介风能是一种清洁、可再生的能源，具有广泛的应用前景。
风力发电技术经过多年的发展，已经逐渐成熟并被广泛应用于电力领域。
风能发电的基本原理是利用风能驱动风力发电机转动，进而驱动发电机产生电能。
全功率变流器是风电机组中重要的组成部分，主要作用是将风力发电机产生的电能进行变换和调节，以满足电网的需求。
全功率变流器具有高效率、高可靠性、高灵活性等特点，能够有效提升风电机组的整体性能。
全功率变流器的作用风电机组与电网的交互风电机组需要与电网进行良好的配合，以保证电能的质量和稳定性。
风电机组需要适应电网的运行要求，如电压、频率、相位等参数，以保证风电场的稳定运行。
风电机组与电网的交互是实现风能发电的重要环节之一。
CHAPTER全功率变流器风电机组的工作原理风轮齿轮箱将风轮的转速提升，并将其传递给发电机。
齿轮箱通常位于风轮和发电机之间。
齿轮箱发电机01020303开关全功率变流器的电力电子器件01整流器02逆变器最大风能追踪电力控制全功率变流器的控制原理CHAPTER全功率变流器风电机组的控制策略最大风能追踪控制变速恒频控制1直交轴电流控制23直交轴电流控制是一种用于抑制风电机组运行过程中产生的谐波电流的控制策略。
该控制策略通过实时监测发电机电流，将其中谐波电流分量消除或减弱，以减小谐波对电网的污染。
直交轴电流控制通常采用PWM整流器来实现，通过控制PWM的占空比和相位，实现谐波电流的抑制和功率因数的优化。
矢量控制策略CHAPTER全功率变流器风电机组的性能评估与优化性能评估方法发电效率评估01电网稳定性评估02抗干扰能力评估03控制策略优化最大风能追踪控制滑模变结构控制电力电子器件的优化与保护电力电子器件的选型与配置全功率变流器风电机组需要选择适当的电力电子器件，如IGBT、IGCT等，并配置相应的保护电路，以确保其在高电压、大电流等极端环境下能够安全、可靠地运行。
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 =±2160f n n f r p ±=1211r 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，ss 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。
全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略全功率变流器是一种将风力发电机产生的交流电能转换为电网所需的直流电能的电子装置。
它的主要功能是实现风电机组的功率调节、保护以及与电网的连接。
全功率变流器由三个主要的模块组成：整流器、逆变器和控制单元。
整流器模块将风电机组产生的交流电能转换为直流电能，通过控制交流电能的整流部件（如晶闸管或IGBT）的导通角度，可以实现对输出直流电压的控制。
整流器的输出直流电压通过一个滤波电容进行平滑，以减小输出的脉动。
逆变器模块将整流器输出的直流电能转换回交流电能，通过控制逆变部件（如IGBT）的开关状态和频率，可以实现对输出交流电压和频率的控制。
逆变器的输出交流电能经过一个输出滤波器进行滤波，以去除输出的高次谐波。
控制单元对整个全功率变流器进行监测和控制。
它通过读取风电机组和电网的各种参数，如转速、电压、电流等，来实现对整流器和逆变器的控制。
控制单元采用先进的控制算法，如PID控制算法，来实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
调频控制方式是通过控制风电机组的转速来实现对输出功率的控制。
该控制方式根据电网的需要，调节风电机组的转速，以使输出功率与电网的需求匹配。
调频控制可以使风电机组在不同的风速下运行在最佳转速范围内，提高风电机组的发电效率。
功率控制方式是通过控制全功率变流器的输出功率来实现对风电机组的控制。
该控制方式通过调节变流器的导通角度或输出电压，以控制风电机组的输出功率。
功率控制可以使风电机组根据电网的需求进行平稳的功率输出，提高电网的稳定性。
此外，全功率变流器还具有多种保护功能，如过电流保护、过电压保护、过温保护等，以确保风电机组和电网的安全运行。
控制单元还可以实现对功率输出的统计和调度，以优化风电机组的运行效果。
总之，全功率变流器通过整流器和逆变器的转换作用，将风力发电机产生的交流电能转换为电网需要的直流电能，并通过控制单元的监测和控制实现对全功率变流器的稳定运行和动态响应。
风电体系变流调控策略1引言由于直驱永磁同步风力发电机组与电网之间通过背靠背（双PWM）全功率变流器实现了隔离，在发生电网电压跌落时，如果采取相应的措施，可使风力机与发电机的运行基本不受电网故障的影响，从而使系统在故障消除后能迅速恢复正常工作，因此直驱永磁风电机组在低电压运行能力上相对于双馈风力发电机组具有一定的优越性[1-6]，因而获得了海上风场的青睐。
在直驱风电系统中，传统的控制策略是，机侧变流器实现对永磁同步发电机的无功、有功功率的解耦控制[1-5]，网侧变流器实现输出并网和直流侧电压控制。
当风电机组在额定运行情况下发生电网电压跌落时，变流器的电流将会增加，考虑到变流器热容量有限，必须对变流器的电流进行限制；这样一来就会使得直流母线环输入功率大于输出功率，直流侧电压将会升高。
当电压跌落幅度较大时，如果直流侧不采取措施，就会损坏变流器和直流环电容[5-7]。
目前有许多文献对直驱风电机组在电网故障下的保护策略进行了研究，比较适用的方法是在直流母线上接耗能电阻[2-4]。
有时也通过在机侧变流器和网侧变流器之间设计一个交叉耦合控制器[8]，当出现电网故障时，将故障信号传递到机侧变流器，机侧变流器开始对发电机功率进行控制以避免直流电容器内部的功率剩余。
另外，由于驱动链的扭矩特性，当系统受到激励，如风速变化或端电压变化时，变速风轮的发电机速度容易出现振荡[9,10]。
由于直驱永磁同步发电机的结构特点，不能像传统的方法那样在同步发电机中安装阻尼绕组去抑制速度振荡，因此必须从功率变流器控制方面采取措施。
目前国内直驱风机的控制策略中还未考虑这个问题。
本文提出了一种新的控制策略，即机侧变流器控制直流母线电压Udc和发电机定子电压Us，而用网侧变流器控制流向电网的有功和无功功率[11]，并对电网故障时功率变流器的控制和保护策略进行研究；最后用仿真和实验方法对该控制策略的可行性进行了验证。
2新型直驱风电系统控制策略采用新型控制策略的直驱永磁同步风电系统（DDPMSG）控制框图如图1所示，控制包括两个大部分：桨距角控制系统和功率变换器控制系统。
风力发电机变流器工作原理
风力发电机变流器的工作原理基于电力电子技术，其核心部件是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
风力发电机产生的电能是交流电，其频率和电压都不稳定，无法直接输送到电网中。
因此，需要将其转换为直流电，再通过逆变器将其转换为稳定的交流电，才能输送到电网中。
这就是风电变流器的主要工作原理。
风电变流器的工作流程如下：首先，风力发电机产生的交流电经过变压器降压，然后通过整流桥将其转换为直流电。
接着，直流电经过滤波电容器进行滤波，去除掉直流电中的脉动成分，使其变得更加稳定。
然后，直流电经过逆变器，通过PWM（脉宽调制）技术将其转换为稳定的交流电，并将其输送到电网中。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关书籍或咨询专业人士。
0引言当前，不仅我国尤为重视风力发电，其他国家也对其密切关注，将其确定为一种必须加大发展力度的新能源技术。
风力发电技术与功率控制策略文/李 宁漠、荒岛及沿海的浅海中建造，占用耕地规模大大减少。
运用风力发电，不会产生废物或废气，不会对环境和人类造成影响。
例如，年发电量为 207 871.9毫瓦小时的风电场，与燃煤电厂相比，按照火电煤耗312 克每千瓦·时计算，每年可节约标煤66 700吨，每年可减少CO2排放量约170 800吨、SO2排放量约81.1吨、烟尘约6.6吨、氮氧化合物排放量约72.8吨。
2风力发电技术的基本发电原理风力发电主要是把风能变成机械能，然后将其转变成电力能源。
风力发电机组是风力发电中运用的一种设备装置，其主要可以分为3个部分，即塔架、风机主机、叶轮。
叶轮装置将风能转变成机械能，其主要包括：三片螺旋桨形状的桨叶、轮毂。
在风的作用下，桨叶上形成的气动力带动了叶轮的转动。
风力发电机的塔架，即一套为整个叶轮、风机主机提供支撑的构架。
在对塔架的高度进行设置时，需要全面考虑当地风速、实际环境地面障碍物以及叶轮直径大小对风速造成影响，确保设置塔架的高度符合风力发电机组实际工作的要求。
通常风机主机的组成部分包括：发电机、增速机、转体和尾翼，这些部分均发挥了重要作用。
实际工作中，在风力的作用下，风机叶轮开始旋转，借助增速机使旋转速度加快，向发电机传递机械能。
一般发电机转子均是使用励磁体或永磁体，利用定子绕阻切割磁力线促使电能产生，最后由发电机把机械能转化为电能。
为了保证叶轮在工作中一直对准风向，实现功率最大化，在实际使用时需要把尾翼安装在叶轮后，风力发电机的转体和尾翼可以保证叶轮一直和风向保持一致，以获得最大的风力作用力。
3风力发电技术的发展趋势3.1风力发电从陆地风电朝着海上风电发展现阶段，陆地上的风力发电应用范围越来越广，但陆地上风能充足，具有电力消纳能力且符合开发条件地方并不多，所以风力发电风能逐渐从陆地风能转移到海上风能。
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 (15)5.2 全功率变流器风电机组变流器 (16)5.2.1 电机侧变流器控制策略 (17)5.2.1 电网侧变流器控制策略 (19)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。
凸极转子结构和加工比较简单，制造成本低。
中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。
同步发电机转子结构示意图当转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。
原动机拖动转子旋转时，主磁场同转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场。
该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出三相对称的交流电势。
由于定子三相对称绕组在空间上相差120°，因此三相电势也在时间上相差120°电角度。
这个交流电势的频率取决于电机的极对数p 和转子转速n ，即160np f = 由于我国电网电源频率为50Hz ，发电机的转速必须保持恒定。
根据电机理论，图给出隐极同步发电机的等效电路。
图中，0E 为发电机空载时定子绕组一相感应的电动势，I 为负载电流，U 为一相端电压，R 为定子绕组一相的电阻，c X 为同步电机的同步电抗。
通常定子绕组的电阻比同步电抗小很多，因此可以忽略。
图为忽略电阻后隐极同步发电机简化的相量图。
U 和I 之间的夹角ϕ叫做功率因数角。
0E 和U 之间的夹角θ叫做功率角。
0E RI U C ϕθU I0E C jIX隐极同步发电机的等效电路与简化的向量图攻角特性：在忽略电枢电阻的情况下，根据电机学理论，同步发电机输出的电磁功率等于输出的有功功率cos M P mUI ϕ=其中，m 为发电机的相数。
经推导，有功功率表达式为0cos sin M cUE P UI X ϕθ== 对于并联于无限大电网上的同步发电机，发电机的端电压U 即为电网电压，保持不变，在恒定励磁电流条件下，根据上式可知，隐极式同步发电机输出的电磁功率与攻角θ的正弦成正比。
这可以通过下图所示的攻角特性曲线描述。
当0E U 和不变时，由M P ()f θ=画出的曲线称为攻角特性曲线。
当90θ=°时，隐极发电机输出的电功率最大。
图 攻角特性 有功功率的调节 由式0cos sin M cUE P UI X ϕθ==可知，对于一台并联到无限大电网上的同步发电机，如果想增加发电机的输出有功功率，当励磁不作调节时，就必须增大功率角θ。
功率角的物理意义可以从时间和空间两个角度来进行理解。
对于发电机而言，θ是励磁电动势0E 超前于端电压U 的时间角；从空间上，θ可看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角。
因此，增大功率角意味着必须增加来自原动机的输入功率，使转子加速，从而使功率角增大，从而增大发电机的有功功率。
但需注意，90θ<°区域是发电机稳定工作范围，因此功率角的增加不能超过稳定极限90°，如果再增加来自原动机的输入功率，则无法建立新的平衡，电机转速将继续上升而失速。
无功功率的调节接到电网上的负载，除了阻性负载外，还有感性负载和容性负载，所以一个电力系统除了要能提供负载有功功率外，还要有提供和调节无功功率的能力。
通过改变同步发电机的励磁电流，可调节同步发动机输出的无功功率。
当cos ϕ=1时，定子的电流I 最小，这种情况称为负载时的正常励磁。
在正常励磁基础上增加励磁电流，称为过励。
在正常励磁基础上较少励磁电流，称为欠励。
无论增大和减小励磁电流，都将使定子电流增大。
发电机输出的无功功率可通过sin Q mUI ϕ=描述。
在正常励磁时，发电机只输出有功功率。
过励时，电枢反应为去磁作用，定子电流I 落后于端电压U ，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出感性无功功率。
欠励时，电枢反应为增磁作用，定子电流I 超前于端电压U ，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出容性无功功率。
5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点（1）直驱式外转子永磁风力发电机结构外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动，转子在外围旋转。
在下图中展示了内定子的构造，内定子由硅钢片叠成，与常见的外定子相反，其线圈槽是开在铁芯圆周的外侧。
内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底座上，在底座上有转子轴承孔用来安装外转子的转轴。
在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是按三相规律分布，与外定子绕组类似。
外转子如同一个桶套在定子外侧，由导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定有永久磁铁做成的磁极，这种结构的优点是磁极固定较容易，不会因为离心力而脱落。
按多极发电机的原理，磁极的布置如下图把外转子转轴安装在定子机座的轴承上在实际风力机制造中往往把外转子磁軛直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成一体，使结构更紧凑。
（2）直驱永磁中间定子盘式风力发电机结构直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间定子盘式发电机。
下图是一个盘式定子。
由于盘式发电机通过定子绕组的的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在两侧有绕组的嵌线槽。
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接。
定子铁芯固定在机座的支架上盘式转子由磁軛与永久磁铁组成，下图为左面转子图下图为磁极的分布图右面转子结构与左面转子结构相同，只是反个面而已。
下图为左右转子间的磁力线走向图。
为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧面的磁力线走向图。
把转子与定子摆在一起安装上左右端盖，下图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。
下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。
下图为侧视的剖面图，为看清内部结构隐藏了右转子。
（3）直驱永磁中间转子盘式风力发电机结构盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间转子盘式发电机。
下图是一个盘式定子，由于盘式发电机的通过定子绕组的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在一侧有绕组的嵌线槽。
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个绕组呈扇形状。
定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。
转子由永久磁铁组成，磁铁固定在非导磁材料制成的转子支架上，下图是转子的结构图。
每块磁铁的磁极在转子的两面，下图表示了磁力线在转子与定子间的走向，下图是转子与定子的布置图先把左定子固定在左端盖中，再装上转子，把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定，发电机就组装好了，下图为发电机外观图。
下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图下图为侧视的剖面图。
5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点电励磁同步发电机(Electrically Excited Synchronous Generator ，EESG)，通常在转子侧进行直流励磁。
使用EESG 相比使用PMSG 的优势在于，转子励磁电流可控，可以控制磁链在不同功率段获得 最小损耗；而且不需要使用成本较高的永磁材料，也避免了永磁体失磁的风险，Enercon 公司主要经营这类产品。
但是EESG 需要为励磁绕组提供空间，会使电机尺寸更大，转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。
永磁同步电机的数学模型定子电压方程为sd sd s sd d q sq sq sq s sq q d sd di u R i L L i dt di u R i L L i dt ωωωψ⎧=+-⎪⎪⎨⎪=+++⎪⎩其中，sd u 、sq u 分别为定子d 、q 轴电压分量；sd i 、sq i 分别为定子d 、q 轴电路分量；s R 为定子电阻；d L 、q L 分别为定子d 、q 轴自感；ω为转子角速度；ψ为转子永磁体的磁链最大值。
电磁转矩方程为()()e sq d q sd sq T p i L L i i ψ=+-其中，p 为电机的极对数。
忽略附加损耗后的功率平衡方程为 1e Fe m se cus P P p p P P p =--⎧⎨=-⎩ 其中，e P 、1P 、s P 分别为电机的电磁功率、输入功率和输入功率；Fe p 、m p 、cus p 分别为电机的铁耗、机械损耗和定子铜耗。
电磁功率与电磁转矩的关系为e e P T ω=5.2 全功率变流器风电机组变流器电力电子变流器作为风力发电与电网的接口，作用非常重要，既要对风力发电机进行控制，又要向电网输送优质电能，还要实现低电压穿越等功能；随着风力发电的快 速发展和风电机组单机容量的不断增大，变流器的容量也要随之增大，因此大容量多电平变流器也开始得到应用，以下将对一些典型变流器拓扑结构进行讨论。
