0 引言
風(fēng)力發(fā)電是目前最具有形成規(guī)?;妥罹邆渖虡I(yè)化的可再生能源技術(shù)。而實際上風(fēng)力發(fā)電在很大程度上取決于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展,變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為MW級以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流技術(shù)。所謂變速恒頻,就是通過調(diào)速控制,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能夠跟隨風(fēng)速的變化,最大限度地提高風(fēng)能的利用效率,有效降低載荷,同時風(fēng)輪及其所驅(qū)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時,保證輸出的電能頻率始終與電網(wǎng)頻率一致。
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋式和直驅(qū)式兩種類型。雙饋式由于其變流器串聯(lián)在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中,其容量只有系統(tǒng)總功率的1/4~1/3,有效地降低了系統(tǒng)成本;與雙饋式相比,直驅(qū)式采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),無齒輪箱(或半直驅(qū)式,采用一級齒輪箱),也無滑輪,機(jī)械故障少,損耗小,運(yùn)行效率高,維護(hù)成本低,但是,由于直驅(qū)式采用系統(tǒng)全功率傳輸,初始成本相對較高。
目前國內(nèi)許多高校、研究所和企業(yè)主要研究、跟蹤,消化吸收雙饋式并網(wǎng)變流器,而我們公司近年來利用多年研究開發(fā)大功率變頻器主電路拓?fù)浜突仞伈⒕W(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)勢,專注直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的開發(fā),成功研制出該產(chǎn)品,并已安裝調(diào)試于內(nèi)蒙古包頭市,現(xiàn)已成功運(yùn)行數(shù)月,且無故障記錄。
1 控制原理
MW級大功率直驅(qū)式并網(wǎng)變流器采用多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu),單個單元的主電路拓?fù)洳捎媒?直-交電壓型結(jié)構(gòu),如圖1或圖2 所示,圖1采用二極管不控整流和Boost升壓穩(wěn)壓電路,圖2采用PWM全控整流電路。
采用圖1主電路拓?fù)?,通過Boost 升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將很好地控制后端逆變器的輸入直流電壓,即不論二極管不控整流的輸出直流電壓變化多大,通過Boost 升壓穩(wěn)壓電路后,其直流電壓基本穩(wěn)定,使后端逆變器調(diào)制度范圍好,提高運(yùn)行效率,減小損耗,同時,Boost 電路還可以對永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。
采用圖2 主電路拓?fù)?,通過PWM 可控整流技術(shù),可以很好地處理發(fā)電機(jī)端的交流電壓不穩(wěn)、諧波較大和直流側(cè)電壓變化大的問題,是最具發(fā)展前途的主電路結(jié)構(gòu)方式。兩種主電路各有各的優(yōu)缺點(diǎn)??刂粕喜捎秒娏鲀?nèi)環(huán),電壓外環(huán)雙閉環(huán)矢量控制技術(shù)。
各個單元采用載波移相多重化技術(shù),無須額外增加濾波器,便能使網(wǎng)側(cè)電流諧波失真系數(shù)THD<國標(biāo)5%的要求。
2 技術(shù)特點(diǎn)
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司利用多年研制低壓大功率變頻器的主電路拓?fù)浜湍芰炕仞伈⒕W(wǎng)技術(shù),成功研制并已成功用于風(fēng)力發(fā)電項目中的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器,其技術(shù)特點(diǎn)有:
1)控制上采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制,呈現(xiàn)電流源特性,電流環(huán)是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制的核心;
2)變流器對電網(wǎng)呈現(xiàn)電流源特性,容易做多單元并聯(lián),易于大功率化組裝,各個單元之間采用多重化載波移相,極大地減小了網(wǎng)側(cè)電流總諧波;
3)網(wǎng)側(cè)逆變器采用三電平電路拓?fù)?,適應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣,同時也有益于減小網(wǎng)側(cè)諧波電流;
4)MW 級變流器需多個單元并聯(lián)組合,系統(tǒng)控制會自動分組工作,很容易線性化并網(wǎng)回饋功率,易于整個風(fēng)電項目的系統(tǒng)控制,同時有益于減小電流總諧波;
5)并網(wǎng)變流器采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù),可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率,減小開關(guān)損耗,提高效率,自動使并網(wǎng)功率最大化;
6)動態(tài)響應(yīng)快,根據(jù)風(fēng)電整體控制,可以瞬時滿足大范圍功率變化要求,適應(yīng)性強(qiáng);
7)具有過熱、過流、短路、旁路、網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護(hù)功能,具有多種模擬量和數(shù)字量接口,具有CAN總線或RS485串行總線等接口,與風(fēng)電項目中的其它部分連接方便,控制靈活。
3 實驗波形分析
圖3 是并網(wǎng)電流為60 A 時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖,圖4是并網(wǎng)電流為100 A時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖。從兩圖可以看出,網(wǎng)側(cè)電流正弦化,且與電網(wǎng)電壓反相,呈現(xiàn)負(fù)的單位功率因數(shù),同時也能觀察到隨著電流的增大,網(wǎng)側(cè)電流的諧波失真系數(shù)(THD)越來越小,即整體效率越來越高。
4 結(jié)語
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器采用交-直- 交三電平電壓型主電路拓?fù)?,呈控制電流源特性,容易并?lián),易于大功率化組裝,網(wǎng)側(cè)電流正弦化,可以軟并網(wǎng),對電網(wǎng)無沖擊,無污染,可以廣泛用于風(fēng)力發(fā)電等可再生能源項目中。
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