风力发电并网控制的变流器研究设计.docx

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风力发电并网控制的变流器研究设计

摘要I

AbstractII

1引言1

1.1课题背景及意义1

1.2风力发电并网技术2

1.2.1交流异步发电机形式2

1.2.2交流同步发电机形式3

1.2.3交流双馈发电机形式4

2风电并网时对电网运行所产生的影响4

2.1对电力电量平衡的影响5

2.2对电网潮流的影响5

2.3对电能质量的影响6

2.4对电压及功率的影响6

3风力发电变流器的发展概述7

3.1变流器控制技术发展7

3.2变流器散热技术发展7

3.3风力发电变流器发展趋势7

4风电变流器的基本原理和数学模型8

4.1直驱式风电并网变流器拓扑结构分类8

4.2直驱式风电并网变流器系统特点8

4.3双馈式风力发电机基本原理8

4.4双馈变流器的工作原理9

5直驱式风电并网控制的变流器设计10

5.1风电变流器系统的要求10

5.2风电变流系统相关参数设计10

5.2.1主电路的设计10

5.2.2直流母线电压的选取11

5.2.3机侧整流器电感的选取11

5.2.4机侧整流器二极管的选取12

5.2.5直流母线侧滤波电容的选取12

5.2.6机侧整流器和网侧逆变器IGBT的选取13

5.2.7输出滤波器的设计13

6直驱式风电系统变流器仿真实验15

6.1风电并网变流器系统的仿真实验15

6.2仿真实验结果分析18

参考文献19

致谢20

Contents

AbstractII

1Introduction1

1.1Subjectbackgroundandsignificance1

1.2Windpowergridconnectedtechnology2

1.2.1ACasynchronousgeneratorform2

1.2.2ACsynchronousgeneratorform3

1.2.3ACdoublyfedgeneratorform4

2Theinfluenceofthewindpowergridoperationontheoperationofthepowernetwork4

2.1Theimpactofpowerbalanceofpower5

2.2Impactonpowerflowofpowernetwork5

2.3Theinfluenceofpowerquality6

2.4Theinfluenceofvoltageandpower6

3Developmentofwindpowerconverter7

3.1Developmentofconvertercontroltechnology7

3.2Developmentofconvertercoolingtechnology7

3.3Developmenttrendofwindpowerconverter7

4Basicprincipleandmathematicalmodelofwindpowerconverter8

4.1Topologicalstructureclassificationofdirectdrivewindpowergridconnectedconverter8

4.2Thecharacteristicsofdirectdrivewindpowergridconnectedconvertersystem8

4.3Basicprincipleofdoublyfedinductiongenerator8

4.4Workingprincipleofdoublyfedconverter9

5Converterdesignofdirectdrivewindpowergridconnectedcontrol10

5.1Requirementsforwindpowerconvertersystems10

5.2Designofcorrelationparametersforwindpowerconvertersystem10

5.2.1Designofmaincircuit10

5.2.2SelectionofDCbusvoltage11

5.2.3Selectionofinductanceofmachinesiderectifier11

5.2.4Selectionofdiodesiderectifierdiode12

5.2.5SelectionofcapacitorofDCbussidefilter12

5.2.6SelectionofIGBTformachinesiderectifierandnetsideinverter13

5.2.7Designofoutputfilter13

6Simulationexperimentoftheconverterofdirectdrivewindpowersystem15

6.1Simulationexperimentofwindpowergridconvertersystem15

6.2Simulationresultsanalysis18

References19

Acknowledgement20

风力发电并网控制的变流器研究设计

摘要：

随着当今社会经济的发展，对电能的需求量日益增加，可再生新能源也越来越成为人们的“新宠儿”。

风能作为一种可再生重要的清洁新能源也渐渐引起人们的青睐和重视，已逐渐成为可再生能源的开发利用、国家面对能源危机的共同选择，经过近些年的飞速发展，已逐渐成为我国三大能源之一，风力发电技术也随之获得迅猛发展，并日臻成熟。

在风力发电技术领域，尤其是并网控制方面，变流器是系统并网最重要的部件之一，因此对它的研究显得更加重要。

本篇论文先简要介绍了可再生能源中风力发电的发展现状以及发展趋势，风力发电技术在发电过程中的分类构造类型，比较其优缺点。

紧接着，主要从电力电量、电网潮流、电能质量、电压及功率等四个方面说明在风电并网中，对系统大、小电网所形成的冲击影响[1]，介绍在风力发电中变流器的类型和部分发展趋势的探求。

本文主要介绍了直驱式风电变流器的基本原理和数学模型和双馈式风电变流器的基本原理和数学模型，并且更加侧重于直驱式风力发电在并网控制过程中的变流器设计。

为了获得并网系统的运行安全稳定性，在MATLAB仿真平台中搭建发电机侧整流器的风力发电并网变流器系统的仿真模型进行仿真实验。

仿真结果表明,本文设计的风电并网变流器以及控制策略具有科学性和合理性。

关键词：

风力发电变流器并网控制直驱式风机

Researchanddesignofconverterforgridconnectedcontrolofwindpower

Abstract：

Withtoday'ssocialandeconomicdevelopment,theincreasingdemandforelectricalenergy,renewableenergy,alsohasbecomemoreandmorepeople,"thenewdarling."Windenergyasarenewableimportantnewcleanenergyhasgraduallyattractedpeople'sfavorandattention,hasgraduallybecomethedevelopmentandutilizationofrenewableenergy,thecountryisfacedwiththecommonchoiceoftheenergycrisis,aftertherapiddevelopmentinrecentyears,hasgraduallybecomeoneofChina'sthreemajorenergy,windpowergenerationtechnologyalsofollowedtherapiddevelopment,andmaturity.

Inthefieldofwindpowergenerationtechnology,especiallyingridcontrol,theconverteristhemostimportantpartofthegridconnectedsystem,soitismoreimportanttostudyit..Thispaperbrieflyintroducesthedevelopmentofrenewableenergysourcesofwindpowerandthedevelopmenttrendofwindpowergenerationtechnologyintheclassificationoftheconstructionprocessofthetype,comparingtheiradvantagesanddisadvantages.Immediatelyafterthat,mainlyfrompower,powerflow,powercanfouraspectsofquality,voltageandpowerofdescriptioningridconnectedwindpower,largeandsmallsystemgridformedbytheimpactof[1],thesearchinwindpowerconvertertypeandpartofthedevelopmenttrend.

Areintroducedinthispaperthebasicprincipleandmathematicalmodelofthebasicprincipleandmathematicalmodelofwindpowerconverteranddoublyfedwindpowerconverterdirectdrive,andmorefocusedonthedirectdrivewindpowergenerationinthegridcontrolintheprocessofthedesignoftheconverter.

Inordertoobtainthesecurityandstabilityofthegridconnectedsystem,thesimulationmodelofthewindpowergridconnectedconvertersystemofgeneratorsiderectifierisbuiltintheMATLABsimulationplatform..Thesimulationresultsshowthatthewindpowergridconverterandthecontrolstrategyarescientificandreasonable..

Keywords:

Windpowerconverterandgridconnectedcontrolofdirectdrivewindturbine

1引言

1.1课题背景及意义

在当今世界中，环境的恶化、能源的枯竭已经成为制约人类社会发展的重大问题。

在能源燃料中，比如煤炭、石油等一次化石能源在人类大量的长期的开发利用下日渐枯竭。

目前在世界生态环境不断恶化和化石能源大量开采的情况下，世界各国正在不断地加大投入新能源的研发以及利用力度，以此来缓解能源危机所带来的一系列问题[2]。

可再生能源是指在自然界中能够不断利用，并且循环再生的清洁一次能源。

通常我们所说的可再生能源主要有太阳能、地热能、水能、风能、生物能和潮汐能。

从能源技术和资源蕴藏量进行分析，适用于大规模发电的可再生清洁能源主要有太阳能、风能、水能、生物能、海洋能等。

这些能源的资源潜力非常大并且可以得到永续利用，因此基本不存在面临资源枯竭的问题，同时这些清洁能源循环再用,环境污染比较低。

因此，考虑到这些可再生能源的可持续利用性和清洁性,人们把更多的注意力放在这方面，并且在技术方面也得到了飞跃式发展。

另外，核能、清洁煤等可再生能源均属于可持续能源，为响应国家科学发展观规划，实现可持续发展能源战略，显著提高能源的利用率也是一个非常重要的方面[3]。

在众多新兴的新能源发电技术中，风力发电明显是技术最成熟，而且最具备大规模开发利用，十分具备发展前景的一种发电方式。

另外，风力发电在改善自然生态环境，优化地区性能源结构，促进区域性经济可持续跨越发展等方面具有非常显著的优势，世界各国都加大风力发电的资金和技术投入。

世界上的风能资源储备含量极其丰富，根据科学家预测，预计到2020年，世界总的电力需求总量约为26万亿千瓦时，而在那个时候只要可以成功利用30%左右的风力资源，就可以满足世界一定范围内的基本电力需要[1]。

随着风力发电中并网技术的快速不断发展，风力发电成本正在迅速减少。

按照美国可再生能源实验室的调查研讨数据统计，在1980-2005年的期间内，风力发电以90%左右的成本呈现快速下降的趋势，其下降速度远超于其他同类别的可在生能源。

到2008年底，世界总的风力发电装机发电量平均每年能够达到260TWh，约占全球总的发电量比例的1.5％；仅在2009年一年的时间里，全球新增的风电装机容量就达到了37500MW，而全球总的装机容量仅为157900MW，增速达到30%多。

另据专业人士预测，到2020年的时候，全球总的装机容量将有可能达到1500GW，风力发电装机容量有望在现有装机容量的基础上扩大到至少10倍以上，将至少为全世界提供12％左右的电力[4]。

在2005年的时候，中国政府出台了《可再生能源法》，大力支持可再生能源的使用与发展，并且我国在新能源领域积累了比较长足的发展。

我国风力发电装机总容量连续4年得到了成倍增长，已位居世界第三位。

在2010年底，风力发电装机总容量达到了4000万千瓦，位居世界第二位。

除此之外，太阳能光伏发电产业也得到了快速发展，全球市场占有率在短时间里达到了40%[2]。

在中国的“十二五”规划中，新能源的发展目标已被初步确定为，太阳能发电装机总容量为500万千瓦，而风力发电的装机总容量为9000万千瓦。

而在电力行业“十二五”的规划与统计中，在2015年一年时间里，风力发电装机总容量达到1亿千瓦，太阳能发电装机总容量达到200万千瓦，而且到2020年风电装机总容量将达到1.8亿千瓦，太阳能总的发电容量达到2000万千瓦[5]。

据官方数据统计，截至2011年12月，中国风力发电累计装机总容量约占全球装机总量的26.3%，位列世界第一。

中国已经渐渐有了在将来成为世界“风能强国”，并且引领世界风能快速发展的良好基础。

就现在而言，我们的风电领域创新主要集中在技术引进、消化吸收后的再创新，集成创新弱，原始创新更少，这样将会严重阻碍我国风电领域的快速发展，甚至影响社会整体进步，因此要求得跨越发展，就必须发展自主创新[3]。

要做到真正的原始创新就必须严抓、狠抓基础方面的研究工作。

这是一项极其艰苦的工作，要经过很长期的艰苦奋斗才能做出一个比较有价值的、并且有很大实用性的研究成果。

由此可见，在发展低碳经济背景下，可再生新能源产业迎来了发展的机遇黄金期。

风力发电作为一项重要的可大规模推广的清洁可再生能源,必将在中国的新能源市场中占据非常重要的一席之地。

因此，风力发电技术的相关方面的研究在推进风电产业的快速健康发展中起着至关重要的作用[6]。

1.2风力发电并网技术

一般在风力发电中，可以利用的风速通常为3-20m/s，依据与风轮机相串接的发电机转速是否不变，风力发电可分为变速运行和恒转速运行两种方式；而依据发电机内部结构的不同，又可大抵划分为交流异步发电机、交流同步发电机和交流双馈发电机等几种方式的风力发电并网系统[7]。

1.2.1交流异步发电机形式

图1-1交流异步发电机的风力并网发电系统

交流异步发电机结构相对比较简单，所发出的交流工频电可以直接使用或经过变压器送入电网。

在大多数的情况下，异步交流风力发电机是以恒定转速的形式运行的。

绕线式异步电机主要是通过接入转子的可变电阻来实现低频励磁的调节，从而使转矩的大小发生变化，进而可以在变速状态下运行。

因为交流异步发电机获取励磁电流的主要途径是从电网中吸收能量，所以在一般情况下，异步风力电机发电系统是不能脱离电网而单独运行的。

交流异步发电机在系统并网过程中，接入电网一般需要通过晶闸管的控制来实现整个过程，在同步转速附近合闸并网的情况下，往往会产生比较大的冲击电流[8]。

除此之外，有时候增加一个电容无功补偿装置来作为整个系统的补充。

1.2.2交流同步发电机形式

图1-2交流同步发电机的风力并网发电系统

在早期的同步风力发电系统中，不论发电机转矩如何变化，但必须要求发电机转速是保持不变的，否则的话，发电机有可能会与电网发生列解，因此常常需要一个调频调速装置。

由于同步发电机的在并网的过程中，需要串接一个调速机构，进而增加了整个系统的复杂性。

当风能发生较大幅度的上下波动时，这个时候作用在转子上的转矩在一般情况下将会变得极其不稳定，此时，调速性能也很难达到同步发电机所要求的基本调速精度。

随着现代电力电子技术的发展与进步，先进的同步风力发电系统通常采用交一直一交的接入电网方式，同步发电机输出的是交流电，先把交流电变为直流电，然后经过逆变，在变为工频交流电，最终送入配电网或用户。

1.2.3交流双馈发电机形式

图1-3交流双馈发电机的风力并网发电系统

双馈发电机与绕线式异步发电机的内部构造大致是相同的，唯一不同的就是，在其转子上有3个或4个滑环，它的馈电方式与馈电机或异步电动机超同步串级调速系统又是大致相同的，即定子绕组接电网，转子绕组则由交一交或交一直一交的变流器装置来提供频率、相位、幅值都可以进行调节的电源，从而达到恒频输出的目的。

为了得到频率不变的稳定输出电流，一般先由变流器提供低频励磁电流，然后在转子中逐渐会形成一个旋转的磁场，这个磁场的旋转速度大致等于转子的机械转速与定子磁场的同步转速之差，这样工频电压便会在定子绕组中逐渐感应出来，当发电机转子的转速变化受到风速变化等外界影响时，如果要使定子绕组旋转磁场的转速保持不变，那么就需要同时改变转子绕组中的励磁电流的频率和旋转磁场的转速，这样就可以实现恒频发电，得到并网所需的最理想电压[9]。

2风电并网时对电网运行所产生的影响

在我国存在严重的风电站规模大，而电网容量小、电网建设水平相对较弱的问题，而风能资源相对较为丰富的地区又往往是电网比薄弱的地区，随着我国风电装机容量的不断增加，电网稳定运行的巨大压力也都随着风力发电的不稳定性而产生，不仅提高了电网的运行综合成本，也对电网稳定运行形成了巨大的挑战，同时也对电力供应的经济性产生不良的影响[10]。

图2-1风力发电并网系统流程图

2.1对电力电量平衡的影响

因为风力发电的不可控制性和不确定性，导致在并网的过程中，风电机组的电力供电有时候基本无法满足稳定性、连续性和可调性等要求，不断随外界环境变化的输出功率将会在很大程度上冲击稳定的系统电网。

同时，又因为环境的不断变化或不可预知性，调度工作人员有时候甚至无法对风力发电的实际情况做出相对比较有效的发电计划，在这种情况下，比较容易造成不可预知的严重后果，对电力电量的平衡性造成严重影响[11]。

2.2对电网潮流的影响

风力发电并网将对电网的潮流分布和事故后的潮流转移带来严重的影响。

同时，它对会影响电力系统的暂态稳定性、电压稳定性，也会对频率稳定性和动态稳定性产生不好的后果。

风电厂的有功输出主要取决于风的功率大小，但是风的大小是没有规律性可查的，因而电网对于风电功率的预测暂时还没有找到比较有效的解决办法，或者没有找到相关的预防控制措施。

导致风机大量脱网的外界因素可能会有很多种，从而使电网潮流出现较大的波动和转移。

其中，在诸多的因素中，影响风机稳定运行的最重要因素就是风速的大小，当风速小于3m/s时，风机是参与并网的，当风速大于25m/s时，并网的风机将会发生自动脱网。

最严重的情况就是，因为受到地区恶劣突发自然气象条件的影响，导致较多风机发生集体脱离系统电网的严重后果。

另外，对于不具备低电压穿越能力的风机，一旦电压偏差超过1%时，也会产生自动脱网的现象，这就说明当远方故障点发生电压波动时，而且是较短时间的，也有可能产生风机脱网的现象，如果脱网的风机数量相对较多，那么电网潮流也将会发生大规模转移情况。

以吉林白城地区电网事故为例，2008年4月9日，吉林白城地区电网白城至开发变电站66kV线路发生两相短路故障，最终电压超越安全界限数分钟，导致风机脱网。

从而造成事故扩大，最终影响到省间联络线潮流[12]。

2.3对电能质量的影响

因为风速、风量等不可控因素所产生的影响，导致其电力的质量相对较低。

在这种情况下，直接并入配电网的风机也占有不小的比重，因此所带来电网的供电质量问题在实际的运行中必须是重中之重，而且一定要考虑在内。

一方面，风电并网可能会带来电压波动和闪变等情况。

风力发电机组大多采用软并网方式并入电网，但是在启动过程中，依然会产生比较大的冲击电流。

当出风速小于风速时，风机将自动退出额定的功率运行状态。

如果在整个风电场中，所有风机同时启动，那么这种冲击将会更加显著地影响配电网的运行情况。

不仅如此，风机输出的波动也会随着风速的变化和风机的塔影效应而变化，而其也正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内进行波动（低于25Hz）。

因此，在正常运行的情况下，风机也会给电网带来比较严重的闪变问题，继而进一步影响电能的质量。

另外，风电并网还可能带来谐波的污染问题。

风电主要有两种途径产生谐波的污染问题：

一种是风力发电机本身带有的电力电子装置；另一种是风力发电机的并联补偿电容器有可能和线路的电抗发生谐振[13]。

2.4对电压及功率的影响

由于风电机组类型不同，因此无功功率特性的差别也较大。

固定转速风电机组—异步发电机一般是在早期的风电场中使用，它主要用来吸收系统的无功功率，不可控性比较强，需要配备相应的补偿装置，并通过一定的方式进行改造，以此来进行无功的控制。

因为风机的无功功率不可控性，必然会导致电压的高低情况不一，频繁投切无功补偿装置。

在系统电压较高的时候对风机才是最有力的，但风机本身就是一个无功电源。

目前普遍采用的是风机功率因数接近于1.0的变速风电机组—双馈