1 引言

　　隨著地球常規(guī)能源的日益枯竭，發(fā)展可再生能源已經(jīng)是大勢(shì)所趨。主要發(fā)達(dá)國家、發(fā)展中國家，都已經(jīng)將發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源作為應(yīng)對(duì)新世紀(jì)能源和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，風(fēng)能無疑是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器憑借其體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)被大多數(shù)風(fēng)電廠采用，雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器也逐漸成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。

　　2 雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)基本工作原理

　　2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)介紹

　　雙饋風(fēng)電變流器系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示，采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步感應(yīng)電機(jī)類似。定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的電源供給三相低頻勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速。從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓。

　　由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣使變頻器的成本、體積大大降低。

　　這種控制方案通過控制轉(zhuǎn)子電流幅值和相位還可以改變發(fā)電機(jī)的功率角。因此通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁可以實(shí)現(xiàn)有功無功的獨(dú)立控制，達(dá)到功率因數(shù)靈活調(diào)節(jié)。對(duì)電網(wǎng)而言，輸出無功功率可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?吸收無功功率起到抑制過電壓的作用，從而對(duì)于穩(wěn)定電網(wǎng)做出貢獻(xiàn)。

　　這種方案的缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷;交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、能量關(guān)系復(fù)雜，控制策略也就相對(duì)比較復(fù)雜。

　　2.22.0MW雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)主回路說明

　　如2-1圖所示，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由KM2控制的預(yù)充電支路，當(dāng)KM2閉合后，通過限流電阻緩慢對(duì)直流母線上電容充電，當(dāng)母線電壓達(dá)到一定值時(shí)方閉合KM1，并切除預(yù)充電支路，這樣防止直接閉合網(wǎng)側(cè)KM1時(shí)對(duì)變流器母線電容的沖擊。

　　網(wǎng)側(cè)LC型濾波單元(U5)，可以對(duì)變換器輸出電壓里富含的開關(guān)諧波起到濾波作用。

　　在電網(wǎng)發(fā)生瞬間跌落故障時(shí)，制動(dòng)單元(U3)與Crowbar單元(U6)配合動(dòng)作，來保持變流器并網(wǎng)運(yùn)行不脫網(wǎng)。

　　轉(zhuǎn)子側(cè)LC濾波單元(U4)，抑制機(jī)側(cè)輸出中的電壓開關(guān)諧波，將dv/dt控制在一定范圍內(nèi)。

　　網(wǎng)側(cè)變流器單元(U2)是一個(gè)三相PWM整流器，為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器單元(U1)提供穩(wěn)定的直流電壓;而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實(shí)際上是一個(gè)逆變器，為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁。網(wǎng)側(cè)變流器單元與機(jī)側(cè)變流器都有各自的DSP負(fù)責(zé)對(duì)其的實(shí)時(shí)控制。

　　當(dāng)變流器控制系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)組滿足并網(wǎng)條件時(shí)，控制并網(wǎng)開關(guān)(QF2)閉合，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

　　3 2.0MW雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器主要器件參數(shù)計(jì)算

　　3.1電網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)

　　3.1.1電網(wǎng)側(cè)濾波器電感設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)側(cè)PWM整流器交流側(cè)進(jìn)線電感的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該滿足整流器輸出有功(無功)功率的要求，同時(shí)也要滿足抑制電流諧波及快速電流跟蹤的要求。下面給出了PWM整流器工作在單位功率因數(shù)時(shí)對(duì)電感的約束條件

在本2.0MW雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)中，三相PWM整流器總功率為720kW，交流進(jìn)線電壓690，直流母線電壓為1100V，開關(guān)頻率為2.5kHz，網(wǎng)側(cè)額定電流值為600A?？傠姼羞x擇時(shí)，諧波電流脈動(dòng)最大允許值可以放大到額定電流的10%～20%，本系統(tǒng)中取電流諧波脈動(dòng)最大允許值

　　3.1.2電網(wǎng)側(cè)濾波器電容設(shè)計(jì)

　　設(shè)三相PWM整流器的總功率為，則電容上消耗的無功：

　　直流母線電壓最小1073V。選取直流母線電壓為1100V。

　　考慮到以上因素，及市面上IGBT的供貨情況，留有一定裕量，我們選擇1700V，1000A的IGBT并聯(lián)，網(wǎng)側(cè)每相單元采用兩支并聯(lián)，機(jī)側(cè)每相單元采用三支并聯(lián)，來滿足本系統(tǒng)要求。

　　3.3 直流母線濾波電容計(jì)算

　　直流母線濾波電容C的容量選擇主要考慮以下三方面因素：

　　(1)電容值能滿足期望的紋波電壓

　　(2)電容的額定電壓

　　(3)電容的額定紋波電流

　　基于對(duì)紋波電流與電解電容發(fā)熱量和壽命關(guān)系的分析，紋波電流對(duì)于電力電子裝置濾波電容容量的選取起到關(guān)鍵的約束作用。因此，可根據(jù)紋波電流最大允許值來計(jì)算濾波電容容量。濾波電容的計(jì)算依據(jù)是在直流電流脈動(dòng)最嚴(yán)重的情況下，保持電壓脈動(dòng)在容許范圍內(nèi)。

　　假設(shè)負(fù)載電流為正弦電流，則直流回路的脈動(dòng)直流電流也是有規(guī)律的，

　　4.軟件總體框架

　　由于2.0MW風(fēng)電變流器主拓?fù)洳捎媒?直-交結(jié)構(gòu)，硬件采用機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)獨(dú)立控制，因此其軟件主要分為：網(wǎng)側(cè)控制軟件、機(jī)側(cè)控制軟件兩部分。

　　軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)程序的功能將其分為個(gè)功能模塊，機(jī)側(cè)/網(wǎng)側(cè)程序主要包括：系統(tǒng)初始化模塊，AD采樣濾波轉(zhuǎn)換模塊，CAN通信模塊，波形顯示模塊、軟啟動(dòng)模塊，電壓故障采集模塊，低電壓穿越處理模塊，機(jī)側(cè)/網(wǎng)側(cè)控制算法模塊，SVPWM生成模塊，程序采用定時(shí)中斷方式進(jìn)行AD采集及相應(yīng)的閉環(huán)控制，程序在AD中斷及主定時(shí)中斷中輪巡執(zhí)行。程序中的算法主要是網(wǎng)側(cè)的電壓外環(huán)及雙電流閉環(huán)控制、電機(jī)側(cè)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制。

　　4.1網(wǎng)側(cè)控制策略

　　電網(wǎng)電壓定向矢量控制采用雙閉環(huán)級(jí)聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓;電流環(huán)根據(jù)電壓環(huán)給出的電流指令對(duì)交流側(cè)輸入電流進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。如下圖所示。

　　為了檢測(cè)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落、系統(tǒng)采集負(fù)序電壓、電流并通過雙電流閉環(huán)進(jìn)行獨(dú)立控制。電網(wǎng)電壓的低落則通過采集坐標(biāo)變換在同步坐標(biāo)下的d-q分量經(jīng)濾波后，送給電流計(jì)算環(huán)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功支撐。

　　4.2機(jī)側(cè)控制策略

　　交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)與電網(wǎng)之間采用柔性連接，通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制，就可在變速運(yùn)行中的任何轉(zhuǎn)速下滿足并網(wǎng)條件，實(shí)現(xiàn)成功并網(wǎng)，雙饋電機(jī)并網(wǎng)條件是定子電壓和電網(wǎng)電壓在幅值、頻率及相位相同，因而并網(wǎng)之前應(yīng)對(duì)定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。成功并網(wǎng)之后，風(fēng)電機(jī)組根據(jù)實(shí)際風(fēng)速、風(fēng)向及電網(wǎng)調(diào)度需要對(duì)機(jī)組的有功功率，無功功率實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因而并網(wǎng)之后應(yīng)對(duì)雙饋電機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　機(jī)側(cè)分段并網(wǎng)控制策略，依次為轉(zhuǎn)子位置初始誤差的補(bǔ)償階段、定子電壓的建立階段、雙饋電機(jī)的并網(wǎng)階段。并網(wǎng)期間實(shí)時(shí)提取電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子電壓電流的d-q分量并進(jìn)行濾波、當(dāng)母線電壓過壓、轉(zhuǎn)子過流或過壓時(shí)封鎖機(jī)側(cè)PWM信號(hào)，投入Crowbar電路保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子，待電流穩(wěn)定后恢復(fù)機(jī)側(cè)變流器，采取無功支撐算法，當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)機(jī)側(cè)變流器繼續(xù)進(jìn)行功率控制。

　　5.結(jié)束語

　　本文以2.0MW雙饋風(fēng)電變流器為例，介紹了系統(tǒng)主回路中網(wǎng)側(cè)濾波器、母線電容、IGBT等器件參數(shù)的計(jì)算以及選型，其次對(duì)系統(tǒng)的軟件總體框架、網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)控制策略加以說明。