多电平变流器在直驱型风电系统应用研究

《多电平变流器在直驱型风电系统应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第30卷第1期东北电力大学学报Vo1．30，No．12010年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2010文章编号：1005—2992(2010)01—0027—04多电平变流器在直驱型风电系统的应用研究黄瑛，孙宝龙2，李先允’(1．南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167；2．北京国华三河发电有限责任公司，北京065201)摘要：为满足直驱型风力发电系统对变流器的要求，采用了级联型多电平逆变器替代传统的两电平逆变器。通过仿真分析表明，以变化的风速为输入，采用最大风能捕获时，逆变器输出电压可追踪电网电压频率和相位，实现单位功率因数输出。

2、采用载波相移的SPWM调制方法，输出电压波形好，产生的高频谐波方便滤除。级联型多电平逆变器作为全功率变流器适合于直驱型风力发电系统。关键词：直驱风电系统；级联型多电平变流器；载波相移中图分类号：TM614文献标识码：A风能作为一种洁净的可再生能源，发展前景非常广阔。近几年来，随着单机容量的不断增大，直接驱动型变速恒频技术在风电领域得到了重视。直驱型风力发电系统中永磁同步发电机与风机直接耦合，无需升速齿轮箱，提高了系统运行的可靠性和效率，降低了系统的运行维护成本和噪音。直驱型风力发电系统由于发电机与电网之间采用全功率变流器馈电，要求变流器功率大，输出电压高，注入电网的谐波含量低，能够实现单

3、位功率因数变流等。随着风电机组容量的进一步增大，原有的两电平变流器由于容量和输出电平数的限制，已不能满足风力发电系统的变流要求，大功率多电平变流器拓扑受到广泛关注⋯。变流器采用多电平方式后，可在常规功率器件耐压基础上获得更多级的输出电压，使波形更加接近正弦，并减轻开关器件的电压应力，减小开关损耗，获得更大的输出容量。级联型多电平变流器所用器件少，易于进行模块化设计和封装，输出电压波形好，可降低滤波器成本J。本文将级联型多电平逆变器应用于直驱风电系统，替代传统的两电平逆变器。采用载波相移SPWM调制方法，采用有功、无功解耦的双闭环控制策略。根据最大风能捕获原理，以变化的风速为输入，在mat

4、lab环境下仿真逆变器的输出特性，分析级联型多电平逆变器在直驱风电系统的应用。1系统结构直驱型风力发电系统中，发电机、变流器与电网之间可以有多种不同的拓扑结构，如图1所示为大功率变流系统中常用的一种拓扑。变桨距风轮机直接耦合永磁同步发电机的转子，发电机输出经不可控整流后，经Boost电路升压，由逆变器将电能馈送电网。直驱型发电系统为全功率系统，并网电能的电压、电流、功率和频率都由逆变器控制，图1直驱永磁玩风力发电系统示意图上述结构中逆变器是整个直驱系统的核心，因此逆变器类收稿日期：2009—08—20作者简介：黄瑛(1969一)，女，无锡市人，讲师，主要从事变速恒频风力发电研究东北电力大

5、学学报第30卷型的选择直接影响系统的稳定运行和运行效率。2系统模型2．1最大风能捕获原理采用最大风能捕获时，风力机机械功率为：Pm=Cp式中：p为空气密度，为风能利用系数，R为风轮半径，为风速。c是桨距角卢和叶尖速比A的函数，其近似表达式为：Cp：o．22(一0．一5)e-125，(2)其中：A=1／(一o．035)，叶尖速比A=∞R／。+1叶片吸收风能后产生转矩：Tm=cR．(3)风力机的风能利用系数C与叶尖速比A、浆距角的关系如图2所示。当实际风速低于额定风速时，机组运行在最大风能捕获状态，对于变化的，需要有变化的电机转速09才能保证得到最佳叶尖速比A。，使得风能利用系数为最大c。一

6、，风机获得最大机械能；当风速高于额定风速时，通过增大卢，降低c，使功率保持在额定功率。2．2永磁发电机模型00永磁发电机在d—g同步旋转坐标轴下的磁链方程和电压方程为：图2风机的与A的关系曲线+。，(4)L：L，_f__JIll—r广—JJf【⋯+(5)__j212_ll+-j-z__j_式中Ⅱ“、、、为定子d轴和g轴的电压、电——Ll一流和磁链；r为定子电阻；L、L为定子d轴和g轴的-_』2--jj一电感；∞，为发电机电角频率；。为永磁转子在定子l每相感应的磁通幅值。图3级联型多电平逆变器拓扑结构电磁转矩为：=[+(一Lq)i]，(6)式中：p为电机磁极对数。电机的转矩平衡关系为：第1

7、期黄瑛等：多电平变流器在直驱型风电系统的应用研究29=+D，+．，dt，(7)式中：Tm为输人的机械转矩；J为转动惯量；D为阻尼系数。2．3级联型多电平逆变器及其载波相移调制法图3所示为级联型五电平逆变器单相拓扑结构，、E逆变器每相由两个三电平单元级联构成。逆变器采用载波相移的SPWM调制方法。》99c、载波相移SPWM控制方法是两电平载波SPWM技术在多电平中的推广应用。其基本思想是J：／7,个变)09c流器单元均采用低开关频率的