直驱型风力发电系统中机侧变流器的设计与仿真研究

《装备制造技术》2019年第03期

0引言

风力发电是通过将空气中的动能转化为机械能

继而发电的可再生能源发电技术。由于风力发电效

率与来流风速的三次方成正比，加装聚风结构后风

能密度可以有效提升，可以在来流风速较低的情况

下进行风力发电[1]，因此提出了在风力机周围加装扩

散放大器结构，这种风力机称作聚风型风力机或浓

缩型风力机[2，3]，同时具有风速稳定、叶轮受冲击小、

噪音低、安全性强、使用寿命长的优点[4，5]。

叶片的外形直接影响风力机功率特性[6]，传统风

力机叶片设计方法基于叶素-动量理论，结合GLauert方法或Wilson方法，以每个叶素截面最大输

出功率为目标，对叶素弦长与扭角进行计算。

在聚风发电系统中，由于聚风风场与自然风场

有较大不同，设计风力发电机叶片时需要考虑来流

风场的风速分布，本文在Wilson叶片设计方法上进

行改进，研究了自然来流经过聚风装置在风轮安装

截面的风速分布，同时考虑到叶片尺寸相对较小，经

过聚风后的风速相对较大，叶片设计时，相比于一般

叶片，尖速比适量减少。参考田德教授设计的浓缩风

能型风力发电机风洞实验[7]，对聚风发电系统叶片设

计问题进行仿真模拟研究，将所设计的叶轮与实验

所用叶轮进行对比，分析了两种叶片在不同风速下

的输出功率。1叶片设计理论

1.1叶素与动量理论

如图1所示，将叶片沿展向划分为若干个微段，

这些微段被称为叶素，通过单独分析每个叶素的受

力，再沿叶片展向积分，即可得到叶轮整体受力及力

矩。动量理论研究了风能向叶轮机械能的转化，确定

了来流风速与风轮受力的关系。通过叶素与动量理

论结合，得出方程式a1-a=BC（Clcos准+Cdsin准）8仔rsin2准（1）

b1+b=BC（Clsin准+Cdcos准）4仔rsin2准（2）

tan准=（1-a）（1+b）·1姿（3）

其中，叶素处速度比姿越赘Vr，扭角茁越准-琢式

中，a为轴向诱导因子；b为切向诱导因子；B为叶片

数；C为叶素截面弦长；Cl为升力系数；Cd为阻力系

第 1 页 共 11 页 风电变流器 摘要：随着智能电网概念的普及，各国开始注重新能源的利用。风能，作为一种清洁的可再生能源，已开始得到大量利用。但是风能的不稳定性，非连续性也是风能利用的一大难题，风力发电要更好地将风电接网利用，必须在风机上有技术性的突破，变流器是风力发电的一大重要技术，随着风电规模的不断扩大，风电变流器也随之不断推陈出新。本文以双馈型和直驱型变流器为例浅析了风电变流器的技术问题。 关键词：智能电网 风力发电 双馈型变流器 直流型变流器 1.智能电网 随着全球资源的逐渐稀缺、环境压力的不断增大、电力市场化进程的不断深入以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升,电力行业正面临着前所未有的挑战和机遇,建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。在主张低碳经济与可再生能源的浪潮中，风能、太阳能、生物能等将是今后能源来源的重要途径，欧美许多发达国家的电网企业正积极推进技术革新和管理转变,普遍将智能电网作为未来电网的发展目标之一。美国智能电网关注网络基础架构的升级更新，同时最大限度的利用信息技术，实现机器智能对人工的替代。欧洲智能电网关注可再生能源的分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。中国智能电网关注对电力生产和管理信息的数字化获取和整合，促进系统安全可靠性、企业效益和服务水平的持续提高。值得注意的是我国电网公司在积极开展“数字化电网、信息化企业”建设的同时,也在密切关注全球电力行业发展的这一新动向。 智能电网，是以实现地球可持续发展为总目标，维护能源的优化利用和降低碳排放量，从而达到生态平衡和环境稳定。 2.风能及风力发电 在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。在自然界的能源中，风能是极其丰富的。据粗略估计，近期可以利用的风能总功率约为106～107兆瓦，这个数值比全世界可以利用的水力资源大10倍。但是，这笔巨大的自然财富还有待人类去大力开发。 风力发电可分为离网型和并网型两种。离网型风力发电规模较小,通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合(如风电-水电互补系统、风电-柴油机组联合供电系统),可以解决偏远地区的供电问题;并网型风力发电是指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场,并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑,更加充分地开发可利用的风力资源,是风力发电的主要发展方向。

・分布式电源・　低压电器（２０１２Ｎｏ．６）　

大功率直驱风力发电机组　

并网变流器的研究冰　

郭瑞，张柳，谷彩连　

（沈阳工程学院，辽宁沈阳　１００１３６）　

摘要：介绍了直驱同步风力发电机组并网变流器主电路的网侧滤波器的设计和　计算、电机侧滤波器的设计和计算、制动单元设计和预充电电路的设计。最后，基于网　侧和机侧的控制理论，利用Ｍａｔｌａｂ对控制方法进行了仿真，并通过对１．５　ＭＷ直驱风力　发电机组并网变流器样机的试验，证明了设计方法的可行性。　关键词：永磁直驱风电系统；ＬＣＬ滤波器；ｄｕ／ｄｔ滤波器；并网变流器　中图分类号：ＴＭ　４６４　．９文献标志码：Ａ文章编号：１００１－５５３１（２０１２）０６－００２３－０５　郭　瑞（１９７７一），　女，讲师，研究方向　为电力系统新能源　及分布式发电。　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ－Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　

Ｍａｇｎｅｔ　Ｄｉｒｅｃｔ－Ｄｒｉｖｅｎ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　

Ｇ　Ｄ　Ｒｕｉ．　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉｕ。　ＧＵ　Ｃａｉｌｉａｎ　

（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｇｙａｎｇ　１　１０１３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌｉｎｅ－ｓｉｄｅ　ＬＣＬ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—ｓｉｄｅ　ｄｕ／ｄｔ　ｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅ　ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｍｏｄｅ　ｖｏｌｔ—　ａｇｅ，ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｕｎｉｔ，ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅ—ｓｉｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—ｓｉｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｅｒｅ　ｂｏｔｈ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　１．５　ＭＷ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅｎ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ－ｄ￣ｖｅｎ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ＬＣＬ　ｆｉｌｔｅｒ；ｄｕ／ｄｔ　ｆｉｌｔｅｒ；ｇｒｉｄ・ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

第一章双PWM型变流电路简介

本文讨论克驱式风电系统的一种电力变换装拓扑结构，选取背靠

背双PWM型变流电路为研究对彖.

直驱式风电系统结构原理如图1-1所示。

风轮电机

图1-1永磁同步电机直驱式风力发电系统并网结构图

双脉宽调制(pulse-width modulation, PWM)变流器是由2个电 压源型变流器(voltage source converter, VSC)背靠背连接构成，2 VSC直流侧通过直流母线并联，两极直流母线Z间并联滤波电容器以 提高直流电压的电能品质。由于该电路结构是完全镜面对称的，文献 中称这种结构为背靠背连接。背靠背双PWM变流器以其控制功能灵 活、交流侧功率因数可调和直流电压可控等诸多优点，在轻型直流输 电、统潮流控制器和柔性功率调节器等柔性交流输电技术领域

中获得了广泛的应用。

该电路拓扑结构如图1-2所示，整流和逆变部分都采用PWM三 相桥实现，这种结构的优点：输入电流为正弦波，减少了发电机的铜 耗和铁耗；发电机功率因数可调节为1,且能够与大阻抗的同步发电 机相联接。

凤轮

图1-2三相电压型PWM逆变器的拓扑结构

第二章双PWM变流器动态数学模型

三相桥式拓扑结构构中交流侧采用三相对称的无中线连接方式, 图中L代表交流侧滤波电感参数，R为电感中的寄生电阻，图中直流 电压源1｝血代表并网变流器直流母线电压，同时也是与发电机转了绕 组相连的变流器直流母线电压。为建立三相电压源型并网变流器的数 学模型，根据其其拓扑结构，首先作以下假设：

1.电网电动势为平稳的纯正弦波电动势（ea,eb,ec）o

2・主电路开关元器件为理想开关，无损耗。

3・三相参数是对称的。

4・网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。

以A相为例，当VI导通V2关断时，直流电源Ude正极直接加 到节点a处，由图可知，UM1 =Udc/2；当V2导通VI关断时，直 流电源Ude负极接于节点a处，同理可知，=-Udc/2,同理易 知节点b和c也是根据上下MOS管V5、V6 ）导通情况决定其电位 的，由此可见，三相中任一相输出的相电压都有正负两个电平，因 此这种结构的逆变器称为三相两电平逆变器。