1、第五章 全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理及控制策略 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc291525202 5.1 全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理 PAGEREF _Toc291525202 h 2 HYPERLINK l _Toc291525203 5.1.11全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組傳動(dòng)動(dòng)鏈形式式 PAGEREF _Toc291525203 h 2 HYPERLINK l _Toc291525204 5.1.22同步發(fā)發(fā)電機(jī) PAGEREF _Toc291525204 h 2 HYPERLINK l _Toc291525205 5.1.33永磁同同步風(fēng)力力發(fā)電機(jī)

2、機(jī)結(jié)構(gòu)及及特點(diǎn) PAGEREF _Toc291525205 h 5 HYPERLINK l _Toc291525206 5.1.44電勵(lì)磁磁同步風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)及特點(diǎn)點(diǎn) PAGEREF _Toc291525206 h 15 HYPERLINK l _Toc291525207 5.2 全全功率變變流器風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組變流器器 PAGEREF _Toc291525207 h 16 HYPERLINK l _Toc291525208 5.2.11 電機(jī)機(jī)側(cè)變流流器控制制策略 PAGEREF _Toc291525208 h 18 HYPERLINK l _Toc291525209 5.2.11 電網(wǎng)網(wǎng)

3、側(cè)變流流器控制制策略 PAGEREF _Toc291525209 h 195.1 全全功率變變流器風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組的工作作原理5.1.11全功率率變流器器風(fēng)電機(jī)機(jī)組傳動(dòng)動(dòng)鏈形式式隨著現(xiàn)代風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組的額定定功率呈呈現(xiàn)上升升趨勢(shì)，風(fēng)風(fēng)輪槳葉葉長(zhǎng)度逐逐漸增加加而轉(zhuǎn)速速降低。例例如：額額定功率率為5MMW的風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組槳葉長(zhǎng)長(zhǎng)度超過(guò)過(guò)60米米，轉(zhuǎn)子子額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為110rppm左右右。當(dāng)發(fā)發(fā)電機(jī)為為兩對(duì)極極時(shí)，為為了使55MW風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)通過(guò)過(guò)交流方方式直接接與額定定頻率為為50HHz的電電網(wǎng)相連連，機(jī)械械齒輪箱箱變速比比應(yīng)為1150。齒齒輪箱變變速比的的增加，給給兆瓦級(jí)級(jí)風(fēng)電機(jī)機(jī)組變速速箱的設(shè)設(shè)計(jì)和制

4、制造提出出了挑戰(zhàn)戰(zhàn)。風(fēng)電電機(jī)組功功率及變變速箱變變速比增增大時(shí)，其其尺寸、重重量及摩摩擦磨損損也在增增加。作作為另外外一種選選擇，風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)可以以采用全全功率變變流器以以AC/DC/AC的方方式與電電網(wǎng)相連連。全功率變流流器是一一種由直直流環(huán)節(jié)節(jié)連接兩兩組電力力電子變變換器組組成的背背靠背變變頻系統(tǒng)統(tǒng)。這兩兩個(gè)變頻頻器分別別為電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變換換器和發(fā)發(fā)電機(jī)側(cè)側(cè)變換器器。發(fā)電電機(jī)側(cè)變變換器接接受感應(yīng)應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)產(chǎn)生的的有功功功率，并并將功率率通過(guò)直直流環(huán)節(jié)節(jié)送往電電網(wǎng)側(cè)變變換器。發(fā)發(fā)電機(jī)側(cè)側(cè)變換器器也用來(lái)來(lái)通過(guò)感感應(yīng)發(fā)電電機(jī)的定定子端對(duì)對(duì)感應(yīng)發(fā)發(fā)電機(jī)勵(lì)勵(lì)磁。電電網(wǎng)側(cè)變變換器接接受通過(guò)過(guò)直流環(huán)環(huán)節(jié)輸

5、送送來(lái)的有有功功率率，并將將其送到到電網(wǎng)，即即它平衡衡了直流流環(huán)節(jié)兩兩側(cè)的電電壓。根根據(jù)所選選的控制制策略，電電網(wǎng)側(cè)變變換器也也用來(lái)控控制功率率因數(shù)或或支持電電網(wǎng)電壓壓。5.1.22同步發(fā)發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)使使用的同同步發(fā)電電機(jī)絕大大部分是是三相同同步發(fā)電電機(jī)。同同步發(fā)電電機(jī)主要要包括定定子和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子兩部部分。定定子是同同步發(fā)電電機(jī)產(chǎn)生生感應(yīng)電電動(dòng)勢(shì)的的部件，由由定子鐵鐵芯、三三相電樞樞繞組和和起支撐撐及固定定作用的的機(jī)座組組成。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的作作用是產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)，并且且可以由由勵(lì)磁繞繞組進(jìn)行行調(diào)節(jié)，主主要包括括轉(zhuǎn)子鐵鐵心、勵(lì)勵(lì)磁繞組組、滑環(huán)環(huán)等。同同步發(fā)電電機(jī)的勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)統(tǒng)一般分分為兩類類，一類

6、類是用直直流發(fā)電電機(jī)作為為勵(lì)磁電電源的直直流勵(lì)磁磁系統(tǒng)，另另一類是是用整流流裝置將將交流變變成直流流后供給給勵(lì)磁的的整流勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)統(tǒng)。發(fā)電電機(jī)容量量大時(shí)，一一般采用用整流勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)統(tǒng)。同步步發(fā)電機(jī)機(jī)是一種種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電電樞電動(dòng)動(dòng)勢(shì)頻率率之間保保持嚴(yán)格格不變關(guān)關(guān)系的交交流電機(jī)機(jī)。同步發(fā)電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)子子基木上上是一個(gè)個(gè)大的電電磁鐵。磁磁極有凸凸極和隱隱極兩種種結(jié)構(gòu)。凸凸極轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)和和加工比比較簡(jiǎn)單單，制造造成本低。中中小容量量電機(jī)一一般采用用凸極以以降低成成本；對(duì)大大容量、高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速原動(dòng)動(dòng)機(jī)，高高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的發(fā)電電機(jī)轉(zhuǎn)子子將承受受很大的的離心力力，采用用隱極可可以更好好地固定定勵(lì)磁繞繞組。同步發(fā)電機(jī)

7、機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)結(jié)構(gòu)示意意圖當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁繞組中中流過(guò)直直流電流流時(shí)，產(chǎn)產(chǎn)生磁極極磁場(chǎng)或或稱為勵(lì)勵(lì)磁磁場(chǎng)場(chǎng)。原動(dòng)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋旋轉(zhuǎn)時(shí)，主主磁場(chǎng)同同轉(zhuǎn)子一一起旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，就得得到一個(gè)個(gè)機(jī)械旋旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)場(chǎng)。該磁磁場(chǎng)對(duì)定定子發(fā)生生相對(duì)運(yùn)運(yùn)動(dòng)，在在定子繞繞組中感感應(yīng)出三三相對(duì)稱稱的交流流電勢(shì)。由由于定子子三相對(duì)對(duì)稱繞組組在空間間上相差差1200，因此此三相電電勢(shì)也在在時(shí)間上上相差1120電角度度。這個(gè)個(gè)交流電電勢(shì)的頻頻率取決決于電機(jī)機(jī)的極對(duì)對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速速，即由于我國(guó)電電網(wǎng)電源源頻率為為50HHz，發(fā)發(fā)電機(jī)的的轉(zhuǎn)速必必須保持持恒定。根據(jù)電機(jī)理理論，圖圖給出隱隱極同步步發(fā)電機(jī)機(jī)的等效效電路。圖圖中，為為發(fā)電機(jī)機(jī)空載

8、時(shí)時(shí)定子繞繞組一相相感應(yīng)的的電動(dòng)勢(shì)勢(shì)，為負(fù)負(fù)載電流流，為一一相端電電壓，為為定子繞繞組一相相的電阻阻，為同同步電機(jī)機(jī)的同步步電抗。通通常定子子繞組的的電阻比比同步電電抗小很很多，因因此可以以忽略。圖圖為忽略略電阻后后隱極同同步發(fā)電電機(jī)簡(jiǎn)化化的相量量圖。和和之間的的夾角叫叫做功率率因數(shù)角角。和之間的的夾角叫叫做功率率角。隱極同步發(fā)發(fā)電機(jī)的的等效電電路與簡(jiǎn)簡(jiǎn)化的向向量圖攻角特性：在忽略電樞樞電阻的的情況下下，根據(jù)據(jù)電機(jī)學(xué)學(xué)理論，同同步發(fā)電電機(jī)輸出出的電磁磁功率等等于輸出出的有功功功率其中，為發(fā)發(fā)電機(jī)的的相數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)，有有功功率率表達(dá)式式為對(duì)于并聯(lián)于于無(wú)限大大電網(wǎng)上上的同步步發(fā)電機(jī)機(jī)，發(fā)電電機(jī)的端端

9、電壓UU即為電電網(wǎng)電壓壓，保持持不變，在在恒定勵(lì)勵(lì)磁電流流條件下下，根據(jù)據(jù)上式可可知，隱隱極式同同步發(fā)電電機(jī)輸出出的電磁磁功率與與攻角的的正弦成成正比。這可以通過(guò)過(guò)下圖所所示的攻攻角特性性曲線描描述。當(dāng)當(dāng)不變時(shí)時(shí)，由畫(huà)畫(huà)出的曲曲線稱為為攻角特特性曲線線。當(dāng)時(shí)，隱隱極發(fā)電電機(jī)輸出出的電功功率最大大。圖 攻角特特性有功功率的的調(diào)節(jié)由式可知，對(duì)對(duì)于一臺(tái)臺(tái)并聯(lián)到到無(wú)限大大電網(wǎng)上上的同步步發(fā)電機(jī)機(jī)，如果果想增加加發(fā)電機(jī)機(jī)的輸出出有功功功率，當(dāng)當(dāng)勵(lì)磁不不作調(diào)節(jié)節(jié)時(shí)，就就必須增增大功率率角。功功率角的的物理意意義可以以從時(shí)間間和空間間兩個(gè)角角度來(lái)進(jìn)進(jìn)行理解解。對(duì)于于發(fā)電機(jī)機(jī)而言，是勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)超前于端電壓的時(shí)

10、間角；從空間上，可看作轉(zhuǎn)子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線之間的空間角。因此，增大功率角意味著必須增加來(lái)自原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使轉(zhuǎn)子加速，從而使功率角增大，從而增大發(fā)電機(jī)的有功功率。但需注意，區(qū)域是發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作范圍，因此功率角的增加不能超過(guò)穩(wěn)定極限90，如果再增加來(lái)自原動(dòng)機(jī)的輸入功率，則無(wú)法建立新的平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升而失速。無(wú)功功率的的調(diào)節(jié)接到電網(wǎng)上上的負(fù)載載，除了了阻性負(fù)負(fù)載外，還還有感性性負(fù)載和和容性負(fù)負(fù)載，所所以一個(gè)個(gè)電力系系統(tǒng)除了了要能提提供負(fù)載載有功功功率外，還還要有提提供和調(diào)調(diào)節(jié)無(wú)功功功率的的能力。通通過(guò)改變變同步發(fā)發(fā)電機(jī)的的勵(lì)磁電電流，可可調(diào)節(jié)同同步發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)輸出出的無(wú)功功功率

11、。當(dāng)=1時(shí)，定定子的電電流最小小，這種種情況稱稱為負(fù)載載時(shí)的正正常勵(lì)磁磁。在正正常勵(lì)磁磁基礎(chǔ)上上增加勵(lì)勵(lì)磁電流流，稱為為過(guò)勵(lì)。在在正常勵(lì)勵(lì)磁基礎(chǔ)礎(chǔ)上較少少勵(lì)磁電電流，稱稱為欠勵(lì)勵(lì)。無(wú)論論增大和和減小勵(lì)勵(lì)磁電流流，都將將使定子子電流增增大。發(fā)發(fā)電機(jī)輸輸出的無(wú)無(wú)功功率率可通過(guò)過(guò)描述。在在正常勵(lì)勵(lì)磁時(shí)，發(fā)發(fā)電機(jī)只只輸出有有功功率率。過(guò)勵(lì)勵(lì)時(shí)，電電樞反應(yīng)應(yīng)為去磁磁作用，定定子電流流落后于于端電壓壓，發(fā)電電機(jī)除了了向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出有有功功率率外，還還向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出感感性無(wú)功功功率。欠欠勵(lì)時(shí)，電電樞反應(yīng)應(yīng)為增磁磁作用，定定子電流流超前于于端電壓壓，發(fā)電電機(jī)除了了向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出有有功功率率外，還還向電網(wǎng)網(wǎng)發(fā)出容容性

12、無(wú)功功功率。5.1.33永磁同同步風(fēng)力力發(fā)電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)及及特點(diǎn)（1）直驅(qū)驅(qū)式外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子永磁磁風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu) 外轉(zhuǎn)子電電機(jī)的特特點(diǎn)是定定子在靠靠軸中間間不動(dòng)，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在外外圍旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。在下下圖中展展示了內(nèi)內(nèi)定子的的構(gòu)造，內(nèi)內(nèi)定子由由硅鋼片片疊成，與與常見(jiàn)的的外定子子相反，其其線圈槽槽是開(kāi)在在鐵芯圓圓周的外外側(cè)。內(nèi)定子鐵芯芯通過(guò)定定子的支支撐體固固定在底底座上，在在底座上上有轉(zhuǎn)子子軸承孔孔用來(lái)安安裝外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸。 在定子鐵芯芯的槽內(nèi)內(nèi)嵌放著著定子繞繞組，繞繞組是按按三相規(guī)規(guī)律分布布，與外外定子繞繞組類似似。 外轉(zhuǎn)子如同同一個(gè)桶桶套在定定子外側(cè)側(cè)，由導(dǎo)導(dǎo)磁良好好的鐵質(zhì)質(zhì)材料制制成，在在“桶”的內(nèi)側(cè)側(cè)

13、固定有有永久磁磁鐵做成成的磁極極，這種種結(jié)構(gòu)的的優(yōu)點(diǎn)是是磁極固固定較容容易，不不會(huì)因?yàn)闉殡x心力力而脫落落。 按多極發(fā)電電機(jī)的原原理，磁磁極的布布置如下下圖 把外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸安裝裝在定子子機(jī)座的的軸承上上 在實(shí)際風(fēng)力力機(jī)制造造中往往往把外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁軛軛直接與與風(fēng)輪輪輪轂（包包括輪轂轂外罩）制制成一體體，使結(jié)結(jié)構(gòu)更緊緊湊。（2）直驅(qū)驅(qū)永磁中中間定子子盤(pán)式風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)直驅(qū)永磁盤(pán)盤(pán)式風(fēng)力力發(fā)電機(jī)機(jī)的定子子與轉(zhuǎn)子子都呈平平面圓盤(pán)盤(pán)結(jié)構(gòu)，定定子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸向向交替排排列，這這里介紹紹中間定定子盤(pán)式式發(fā)電機(jī)機(jī)。下圖圖是一個(gè)個(gè)盤(pán)式定定子。由由于盤(pán)式式發(fā)電機(jī)機(jī)通過(guò)定定子繞組組的的磁磁力線是是軸向走走向，在在電

14、機(jī)旋旋轉(zhuǎn)時(shí)是是繞軸運(yùn)運(yùn)行的，所所以定子子的硅鋼鋼片是繞繞制的，在在兩側(cè)有有繞組的的嵌線槽槽。 在定子線槽槽內(nèi)分布布著定子子繞組，按按三相布布置連接接。 定子鐵芯固固定在機(jī)機(jī)座的支支架上 盤(pán)式轉(zhuǎn)子由由磁軛與與永久磁磁鐵組成成，下圖圖為左面面轉(zhuǎn)子圖圖下圖為磁極極的分布布圖 右面轉(zhuǎn)子結(jié)結(jié)構(gòu)與左左面轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)相相同，只只是反個(gè)個(gè)面而已已。下圖圖為左右右轉(zhuǎn)子間間的磁力力線走向向圖。 為更清楚的的看清磁磁力線走走向，下下圖為稍稍側(cè)面的的磁力線線走向圖圖。 把轉(zhuǎn)子與定定子擺在在一起 安裝上左右右端蓋，下下圖為組組裝好的的永磁中中間定子子盤(pán)式發(fā)發(fā)電機(jī)。 下圖為永磁磁中間定定子盤(pán)式式發(fā)電機(jī)機(jī)的剖面面圖。 下圖為

15、側(cè)視視的剖面面圖，為為看清內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)隱藏了了右轉(zhuǎn)子子。 （3）直驅(qū)驅(qū)永磁中中間轉(zhuǎn)子子盤(pán)式風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)盤(pán)式永磁直直驅(qū)式風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)的定定子與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子都呈呈平面圓圓盤(pán)結(jié)構(gòu)構(gòu)，定子子與轉(zhuǎn)子子軸向交交替排列列，這里里介紹中中間轉(zhuǎn)子子盤(pán)式發(fā)發(fā)電機(jī)。下下圖是一一個(gè)盤(pán)式式定子，由由于盤(pán)式式發(fā)電機(jī)機(jī)的通過(guò)過(guò)定子繞繞組的磁磁力線是是軸向走走向，在在電機(jī)旋旋轉(zhuǎn)時(shí)是是繞軸運(yùn)運(yùn)行的，所所以定子子的硅鋼鋼片是繞繞制的，在在一側(cè)有有繞組的的嵌線槽槽。在定子線槽槽內(nèi)分布布著定子子繞組，按按三相布布置，單單個(gè)繞組組呈扇形形狀。 定子有兩個(gè)個(gè)，右定定子與左左定子結(jié)結(jié)構(gòu)一樣樣，只是是反個(gè)面面而已。 轉(zhuǎn)子由永久久磁鐵組組

16、成，磁磁鐵固定定在非導(dǎo)導(dǎo)磁材料料制成的的轉(zhuǎn)子支支架上，下下圖是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的結(jié)結(jié)構(gòu)圖。 每塊磁鐵的的磁極在在轉(zhuǎn)子的的兩面， 下圖表示了了磁力線線在轉(zhuǎn)子子與定子子間的走走向， 下圖是轉(zhuǎn)子子與定子子的布置置圖 先把左定子子固定在在左端蓋蓋中，再再裝上轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子， 把右定子固固定在右右端蓋中中，左右右端蓋扣扣緊固定定，發(fā)電電機(jī)就組組裝好了了，下圖圖為發(fā)電電機(jī)外觀觀圖。 下圖為中間間轉(zhuǎn)子盤(pán)盤(pán)式永磁磁發(fā)電機(jī)機(jī)的剖面面圖 下圖為側(cè)視視的剖面面圖。 5.1.44電勵(lì)磁磁同步風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)及特點(diǎn)點(diǎn)電勵(lì)磁同步步發(fā)電機(jī)機(jī)(Ellecttriccallly EExciitedd Syynchhronnouss Geen

17、erratoor，EESSG)，通通常在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)進(jìn)行直流流勵(lì)磁。使使用EEESG相比使使用PMMSG的的優(yōu)勢(shì)在在于，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁電流可可控，可可以控制制磁鏈在在不同功功率段獲獲得 最最小損耗耗；而且且不需要要使用成成本較高高的永磁磁材料，也也避免了了永磁體體失磁的的風(fēng)險(xiǎn)，EEnerrconn公司主主要經(jīng)營(yíng)營(yíng)這類產(chǎn)產(chǎn)品。但但是EEESG需要為為勵(lì)磁繞繞組提供供空間，會(huì)會(huì)使電機(jī)機(jī)尺寸更更大，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞組組直流勵(lì)勵(lì)磁需要要滑環(huán)和和電刷。永磁同步電電機(jī)的數(shù)數(shù)學(xué)模型型定子電壓方方程為其中，、分分別為定定子d、qq軸電壓壓分量；、分別為為定子dd、q軸軸電路分分量；為為定子電電阻；、分別為為定子dd、q軸

18、軸自感；為轉(zhuǎn)子子角速度度；為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子永磁磁體的磁磁鏈最大大值。電磁轉(zhuǎn)矩方方程為其中，p為為電機(jī)的的極對(duì)數(shù)數(shù)。忽略附加損損耗后的的功率平平衡方程程為其中，、分別為為電機(jī)的的電磁功功率、輸輸入功率率和輸入入功率；、分別為為電機(jī)的的鐵耗、機(jī)機(jī)械損耗耗和定子子銅耗。電磁功率與與電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系為5.2 全全功率變變流器風(fēng)風(fēng)電機(jī)組組變流器器電力電子變變流器作作為風(fēng)力力發(fā)電與與電網(wǎng)的的接口，作作用非常常重要，既既要對(duì)風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)進(jìn)行行控制，又又要向電電網(wǎng)輸送送優(yōu)質(zhì)電電能，還還要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)低電壓壓穿越等等功能；隨著風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電的快 速發(fā)展展和風(fēng)電電機(jī)組單單機(jī)容量量的不斷斷增大，變變流器的的容量也也要隨之之增大

19、，因因此大容容量多電電平變流流器也開(kāi)開(kāi)始得到到應(yīng)用，以以下將對(duì)對(duì)一些典典型變流流器拓?fù)鋼浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行討論論。從 圖1中中可以看看到，典典型的永永磁直驅(qū)驅(qū)變速恒恒頻風(fēng)電電系統(tǒng)中中，采用用背靠背背雙PWWM變流流器，包包括電機(jī)機(jī)側(cè)變流流器與電電網(wǎng)側(cè)變變流器，能能量可以以雙向流流動(dòng)。對(duì)對(duì)PMSSG直驅(qū)驅(qū)系統(tǒng)，電電機(jī)側(cè)PPWM變變流器通通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)定子側(cè)側(cè)的dqq軸電流流，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)及電電機(jī)勵(lì)磁磁與轉(zhuǎn)矩矩的解耦耦控制，使使發(fā)電機(jī)機(jī)運(yùn)行在在變速恒恒頻狀態(tài)態(tài)，額定定風(fēng)速以以下具有有最大風(fēng)風(fēng)能捕獲獲功能。電電網(wǎng)側(cè)PPWM變變流器通通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)網(wǎng)側(cè)的的dq軸軸電流，保保持直流流側(cè)電壓壓穩(wěn)定，實(shí)實(shí)現(xiàn)有功功和無(wú)功

20、功的解耦耦控制，控控制流向向電網(wǎng)的的無(wú)功功功率，通通常運(yùn)行行在單位位功率因因數(shù)狀態(tài)態(tài)，還要要提高注注入電網(wǎng)網(wǎng)的電能能質(zhì)量。背背靠背雙雙PWMM變流器器是目前前風(fēng)電系系統(tǒng)中常常見(jiàn)的一一種拓?fù)鋼?，?guó)內(nèi)內(nèi)外對(duì)其其研究較較多，主主要集中中在變流流器建模模、控制制算法以以及如何何 提高高其故障障穿越能能力等方方面。國(guó)國(guó)外公司司如ABBB、AAlsttom，國(guó)國(guó)內(nèi)公司司如合肥肥陽(yáng)光電電源等，均均有這類類變流器器產(chǎn)品。對(duì)直驅(qū)型風(fēng)風(fēng)電系統(tǒng)統(tǒng)，變流流器拓?fù)鋼涞倪x擇擇較多。圖圖2是不不控整流流+booostt變換器器+逆變變拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)，通通過(guò)booostt變換器器實(shí)現(xiàn)輸輸入側(cè)功功率因數(shù)數(shù)校正(Powwer Fac

21、ctorr Coorreectiion, PFFC)，提提高發(fā)電電機(jī)的運(yùn)運(yùn)行效率率，保持持直流側(cè)側(cè)電壓的的穩(wěn)定，對(duì)對(duì)PMSSG的電電磁轉(zhuǎn)矩矩和轉(zhuǎn)速速進(jìn)行控控制，實(shí)實(shí)現(xiàn)變速速恒頻運(yùn)運(yùn)行，在在額定風(fēng)風(fēng)速以下下具有最最大風(fēng)能能捕獲功功能。國(guó)國(guó)外Ennerccon公公司的直直驅(qū)風(fēng)電電系統(tǒng)ee82(2mww)、國(guó)國(guó)內(nèi)合肥肥陽(yáng)光電電源的小小型并網(wǎng)網(wǎng)風(fēng)力機(jī)機(jī)變流器器使用這這種拓?fù)鋼?。圖2 不控控整流+DC/DC變變換+逆逆變拓?fù)鋼潆S著風(fēng)電機(jī)機(jī)組單機(jī)機(jī)容量的的不斷增增大，風(fēng)風(fēng)電變流流器的電電壓與電電流等級(jí)級(jí)也在不不斷提高高，因此此多電平平變流器器拓?fù)涞玫玫搅藦V廣泛關(guān)注注。變流流器采用用多電平平方式后后，可以以

22、在常規(guī)規(guī)功率器器件耐壓壓基礎(chǔ)上上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高電壓壓等級(jí)，獲獲得更多多級(jí)（臺(tái)臺(tái)階）的的輸出電電壓，使使波形更更接近正正弦，諧諧波含量量少，電電壓變化化率小，并并獲得更更大的輸輸出容量量。圖33是直驅(qū)驅(qū)風(fēng)電系系統(tǒng)中三三電平背背靠背雙雙PWMM變流器器拓?fù)洌c與兩電平平雙PWWM變流流器相比比，功率率器件和和電容增增加了一一倍，并并額外增增加了箝箝位二極極管；直直流側(cè)電電容由兩兩個(gè)完全全一樣的的電容串串聯(lián)組成成，電容容的中點(diǎn)點(diǎn)作為變變換器的的箝位點(diǎn)點(diǎn)， 由由網(wǎng)側(cè)變變換器保保持直流流側(cè)兩個(gè)個(gè)電容的的電壓均均衡。這這種結(jié)構(gòu)構(gòu)在風(fēng)電電中的應(yīng)應(yīng)用目前前已經(jīng)比比較成熟熟，對(duì)其其的研究究很多，主主要集中中在控制制

23、策略的的優(yōu)化上上。 目目前，世世界范圍圍內(nèi)從事事大功率率風(fēng)力發(fā)發(fā)電用變變流器和和高壓變變頻器研研制的一一些公司司，都有有多電平平的產(chǎn)品品方案；ABBB用于風(fēng)風(fēng)力發(fā)電電的變流流器如aacs110000，整流流器采 用122脈沖二二極管整整流，逆逆變器采采用三電電平NPPC結(jié)構(gòu)構(gòu)，器件件采用IIGCTT；SIEEMENNS也有有相似的的應(yīng)用，功功率器件件采用高高壓IGGBT；法國(guó)AALSTTOM公公司 采采用飛跨跨電容型型四電平平拓?fù)洌β势骷捎肐IGBTT，另外外還基于于IGCCT開(kāi)發(fā)發(fā)出了飛飛跨電容容型五電電平變頻頻器。圖3 三電電平背靠靠背雙PPWM變變流器結(jié)結(jié)構(gòu)5.2.11 電機(jī)側(cè)側(cè)

24、變流器器控制策策略令，則定子子方程變變?yōu)楦鶕?jù)上式可可以構(gòu)成成電機(jī)側(cè)側(cè)變流器器的電流流環(huán)控制制圖，如如下圖所所示。由由于定子子直軸電電流、交交軸電流流不但受受到各自自控制電電壓和的影響響，還要要分別受受到交叉叉耦合電電壓、的影響響。因此此，在電電機(jī)的電電流環(huán)控控制中，除除了要對(duì)對(duì)直軸電電流和交交軸電流流分別進(jìn)進(jìn)行閉合合積分控控制，從從而得到到相應(yīng)的的控制電電壓分量量和以外，還還要分別別加上交交叉耦合合電壓的的補(bǔ)償項(xiàng)項(xiàng)、，最終終分別得得到直軸軸控制電電壓和交交軸控制制電壓和和。為了更好地地控制轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(或或有功功功率)，還還應(yīng)在電電流環(huán)之之外加上上轉(zhuǎn)矩環(huán)環(huán)(或功功率環(huán))。由于于，而且且采用=0的控控

25、制方式式，所以以電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩表達(dá)達(dá)式變?yōu)闉楫?dāng)保持電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速不不變時(shí)，可可以通過(guò)過(guò)控制定定子交軸軸電流分分量來(lái)控控制電磁磁轉(zhuǎn)矩，從從而進(jìn)一一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)電機(jī)機(jī)輸出有有功功率率的控制制。帶有有功功功率控制制外環(huán)的的電機(jī)側(cè)側(cè)變流器器的控制制框圖如如圖所示示。由于于在后面面對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器進(jìn)行行控制時(shí)時(shí)，要求求它保持持直流側(cè)側(cè)電壓穩(wěn)穩(wěn)定，因因此直流流側(cè)電容容器的充充放電對(duì)對(duì)有功功功率的影影響很小小。如果果再進(jìn)一一步忽略略變流器器本身的的功率損損耗，就就可認(rèn)為為發(fā)電機(jī)機(jī)發(fā)出的的有功功功率經(jīng)過(guò)過(guò)電機(jī)側(cè)側(cè)和電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器后會(huì)會(huì)被全部部送入電電網(wǎng)。因因此，在在圖3.2中，發(fā)發(fā)電機(jī)輸輸出的功功率是通通過(guò)間接接檢

26、測(cè)電電網(wǎng)側(cè)變變流器輸輸入到電電網(wǎng)的功功率來(lái)近近似獲取取的。5.2.11 電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器控制策策略（1）電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器的基基本工作作原理電網(wǎng)側(cè)變流流器的主主電路為為三相橋橋式結(jié)構(gòu)構(gòu)，采用用脈寬調(diào)調(diào)制方式式控制各各開(kāi)關(guān)元元件工作作，其交交流側(cè)電電壓除了了正弦基基波外，也也存在一一些高次次諧波。但但由于有有電感的的濾波作作用，使使得高次次諧波電電壓所產(chǎn)產(chǎn)生的諧諧波電流流很小，所所以電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器的交交流側(cè)電電流波形形比較接接近正弦弦。在以以下的分分析中，將將不考慮慮交流側(cè)側(cè)電壓和和電流諧諧波在電網(wǎng)看來(lái)來(lái)，電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器相當(dāng)當(dāng)于是一一個(gè)可控控的三相相交流電電壓源，圖圖3.66為其基基波等效效電

27、路。圖圖中，、分別為為電網(wǎng)的的三相電電壓，“+、”代表規(guī)規(guī)定的正正方向（下下同）；、分別為為變流器器交流側(cè)側(cè)的電阻阻和電感感；、分別為為交流側(cè)側(cè)三相電流流，其正正方向規(guī)規(guī)定如箭箭頭所示示(下同同)；、分別為為交流側(cè)側(cè)三相電壓壓。變流流器的工工作狀態(tài)態(tài)將由它它們共同同決定。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)變變流器穩(wěn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行行時(shí)，由由圖3.6可知知任意一一相的電電壓平衡衡方程式式為 式(3.77)對(duì)應(yīng)應(yīng)的相量量圖如圖圖3.77所示。其其中，圖圖3.77(a)表示電電網(wǎng)側(cè)變變流器工工作于逆逆變狀態(tài)態(tài)，有功功功率從從變頻器器輸入電電網(wǎng)；圖3.7(bb)表示示電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器工作十十整流狀狀態(tài)，有有功功率率從電網(wǎng)網(wǎng)輸入變變頻器

28、。從圖3.77也可看看出，通通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器的交流流側(cè)電壓壓的幅值值和相位位，就可可以控制制電流的的大小及及其與電電網(wǎng)電壓壓之間的的相位角角，從而而讓變流流器工作作在不同同的運(yùn)行行狀態(tài)：(1)單位位功率因因數(shù)逆變變運(yùn)行。交交流側(cè)電電流與電電網(wǎng)電壓壓之間的的相位角角為1880，變流流器與電電網(wǎng)之間間沒(méi)有無(wú)無(wú)功功率率的傳遞遞，有功功功率從從變流器器輸入電電網(wǎng)。（2）單位位功率因因數(shù)整流流運(yùn)行。交交流側(cè)電電流與電電網(wǎng)電壓壓同相，變變流器與與電網(wǎng)之之間沒(méi)有有無(wú)功功功率的傳傳遞，有有功功率率從電網(wǎng)網(wǎng)輸入變變流器。（3）靜止止無(wú)功發(fā)發(fā)生器運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)態(tài)。當(dāng)=90時(shí)，變變流器與與電網(wǎng)之之間僅有有無(wú)功

29、傳傳遞，相相當(dāng)于一一臺(tái)靜止止的無(wú)功功發(fā)生器器。（4）其他他運(yùn)行狀狀態(tài)。當(dāng)當(dāng)=(090)時(shí)，變變流器從從電網(wǎng)吸吸收有功功功率和和滯后的的無(wú)功功功率；當(dāng)=(-9900)時(shí)，變變流器從從電網(wǎng)吸吸收有功功功率和和超前的的無(wú)功功功率；當(dāng)=(9901880)時(shí)，變變流器向向電網(wǎng)輸輸出有功功功率和和超前的的無(wú)功功功率；當(dāng)=(-1180-900)時(shí)，變變流器向向電網(wǎng)輸輸出有功功功率和和滯后的的無(wú)功功功率?？梢?jiàn)，電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器能夠夠靈活控控制輸入入到電網(wǎng)網(wǎng)的無(wú)功功功率。一一方面，當(dāng)當(dāng)電網(wǎng)需需要無(wú)功功補(bǔ)償時(shí)時(shí)，它可可以方便便地提供供相應(yīng)的的無(wú)功功功率；另一方方面，如如果電網(wǎng)網(wǎng)對(duì)無(wú)功功功率沒(méi)有要要求，可可按功率率

30、因數(shù)為為1進(jìn)行行控制，從從而降低變變流器的的容量要要求和投投資。這這也是雙雙PWMM變流器器與其它它變流器器相比所所具有的的優(yōu)點(diǎn)之之一。（2）電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器的數(shù)數(shù)學(xué)模型型為了對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器進(jìn)行行有效的的控制，首首先必須須建立其其數(shù)學(xué)模模型。如如果用開(kāi)開(kāi)關(guān)來(lái)表表示變流流器的各各個(gè)電力力電子器器件，則則電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器的主電電路可用用圖3.8所示示的簡(jiǎn)化化模型來(lái)來(lái)表達(dá)。為了推導(dǎo)方方便，引引入開(kāi)關(guān)關(guān)函數(shù)來(lái)來(lái)表達(dá)各各相電力力電子器器件的導(dǎo)導(dǎo)通狀態(tài)態(tài)。第相相（）的的開(kāi)關(guān)函函數(shù)表達(dá)達(dá)式為 （33.8）由圖3.88，根據(jù)據(jù)基爾霍霍夫電壓壓和電流流定律，可可以寫(xiě)出出以下方方程（3.9）式中，C為為直流測(cè)

31、測(cè)電容，為負(fù)載電流。圖 3.88 電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器主電電路的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化模型型用表示直流流側(cè)負(fù)極極性端nn與電網(wǎng)網(wǎng)中性點(diǎn)點(diǎn)之間的的電壓；、分別表表示變流流器交流流側(cè)各相相對(duì)n端端的電壓壓。則變變流器交交流側(cè)各各相對(duì)電電網(wǎng)中性性點(diǎn)的電電壓分別別為 （33.100）根據(jù)平均狀狀態(tài)空間間法，可可知在一一個(gè)調(diào)制制周期內(nèi)內(nèi)應(yīng)有 （3.11）式中，為變變流器直直流側(cè)電電壓。假設(shè)電網(wǎng)的的三相電電壓是對(duì)對(duì)稱的，應(yīng)應(yīng)有（3.122）將式（3.11）、（33.122）代入入到式（33.100）中可可得（3.133）再將式（33.100）、（33.111）、（33.133）代入入到式（33.9）中中可得（3.144）式中

32、（3.14）就就是電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流流器在AABC坐坐標(biāo)系下下的高頻頻數(shù)學(xué)模模型。將將其寫(xiě)為為矩陣形形式可得得 （33.155）設(shè)電網(wǎng)三相相電壓對(duì)對(duì)稱，可可以表達(dá)達(dá)為（3.166）式中，為電電網(wǎng)相電電壓的幅幅值；為為電網(wǎng)的的電角頻頻率；為為電網(wǎng)AA相電壓壓的初始始相位角角。由電網(wǎng)電壓壓的瞬時(shí)時(shí)值可以以得到電電網(wǎng)電壓壓的空間間矢量為為（3.177）如果把d-q坐標(biāo)標(biāo)系的dd軸方向向選為電電網(wǎng)電壓壓的空間間矢量方方向，qq軸方向向超前dd軸900，則有有（3.188）如果d-qq坐標(biāo)系系的d相相電壓初初相角與與A相的的相等，則則由ABBC三相相靜止坐坐標(biāo)系到到d-qq同步旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系的變變換矩陣陣為（

33、3.199）式中，為dd-q同同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系的角頻頻率。于是有（3.200）（3.211）將式中（33.199）、（33.200）、（33.211）代入入到式（33.155）中，可可得d-q同步步旋轉(zhuǎn)坐坐標(biāo)系下下電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器的數(shù)學(xué)學(xué)模型為為（3.222）而d-q同同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系下變流流器的交交流側(cè)電電壓為（3.233）把式（3.23）代代入到式式（3.22）中中，并且且只取前前兩個(gè)方方程式，可可得（3.244）而在d-qq同步旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系下，由由電網(wǎng)側(cè)側(cè)變流器器輸入到到電網(wǎng)的的有功功功率和無(wú)無(wú)功功率率分別為為（3.255）很顯然，小小于0表表明變流流器工作作在整流流狀態(tài)，有有功功率率由電網(wǎng)網(wǎng)流向變變流器；而大于于0則表表明變流流