..Word文檔Word文檔.Word文檔目錄設計總說明 IIIDesignGeneralDescription V1緒論 11.1風力發電簡介 11.2風力發電的現狀 21.3風力發電系統簡介 41.3.1恒速恒頻發電系統 51.3.2變速恒頻發電系統 62雙饋式風力發電機組 92.1雙饋式風力發電機組原理 92.2雙饋式風力發電機組的特點 133雙饋變流器的設計 153.1雙饋變流器的工作原理 153.2雙饋變流器的組成 163.2.1并網開關 163.2.2雙PWM變換器 193.2.3預充電回路 293.2.4濾波電路 313.2.5低電壓穿越電路 353.3總結 384變流器功率單元驅動電路的設計 394.1驅動電路概述 394.2驅動電路的性能參數 394.2.1基本工作原理 394.2.2驅動電路的功能 414.3驅動電路的設計 424.3.1驅動芯片的選取 424.3.2外圍電路的設計 454.4總結 495實驗結果及分析 505.1概述 505.2滿功率試驗波形記錄及分析 516總結及展望 56參考文獻 57附錄A1.5MW雙饋變流器主電路 58附錄B1.5MW雙饋變流器驅動電路 59附錄C1.5MW雙饋發電機額定參數 60附錄D1.5MW雙饋變流器 61致謝 62風力發電雙饋變流器主電路及驅動電路的研究設計設計總說明：隨著工業的迅猛發展，能源消耗的日益增長，環境污染的日趨嚴重，迫使人們考慮新能源和可再生能源的開發和利用問題。目前人類開發的新能源有：核能、太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能、氫能。風能憑借其多方面的優點，在新能源的開發利用中脫穎而出。而風力發電的核心技術是并網變流器，其效率的好壞、可靠性的高低將直接影響系統的性能和投資。在風力發電的初期主要是以恒速恒頻風力發電機組為主，恒速恒頻發電系統一般來說比較簡單，其主要工作原理為：控制發電機轉速不變，從而得到頻率恒定的電能。隨著電力電子技術的不斷發展以及可再生能源的迫切需求，風力發電也越來越受到重視，因此風力發電的技術得到了迅猛發展，近幾年在風力發電領域中提出了變速恒頻發電系統。而變速恒頻發電系統主要有直驅式和雙饋式。直驅式主要由永磁同步發電機直接聯接葉片，使葉片與發電機之間取消齒輪箱，成為無齒輪箱的直接驅動型。因為使用全功率變流器，使得系統調速范圍寬，風能利用率高；同時因為是直驅系統，省去了齒輪箱，使傳動效率提高，可靠性提高，成本降低。直驅式變速恒頻風力發電系統同步發電機通過全功率變流器與電網相連，在低電壓穿越方面較雙饋式機組實現簡單，且暫態沖擊較小。然而直驅式的變速恒頻系統也有其缺點，如變流器需按100%額定功率設計，成本偏高。雙饋試發電系統采用雙饋型感應發電機，發電機定子側通過并網開關與電網相連，轉子通過交直交變流器與電網相連，由變流器向轉子提供可控的勵磁電流，實現定子側零沖擊并網及有功、無功解耦控制。雙饋發電機體積小，重量輕、所需變流器容量小、供電質量高等特點，使其依然成為大型風力發電機的主力機型。從國際風力發電技術發展的趨勢來看，風力發電機組單機容量越來越大，陸地風力發電機組主力機型單機容量在1.5MW、2MW，近海風力發電機組的主力機型單機容量多為3MW以上，雙饋型變速恒頻風力發電機組是目前國際風力發電市場的主流機型。因此提出對雙饋式變流器進行研究設計。目前國內裝機以雙饋式風電機組為主，2009年，我國新增風電機組裝機容量中，雙饋式風電機組占82%以上。而1.5MW雙饋式風電機組是市場占有量最大的變速恒頻風電產品。因此本課題以北京科諾偉業有限公司“1.5MW雙饋變流器”為背景對變流器進行研究設計。雙饋風力發電機將由葉片吸收的風能，經齒輪箱升速后轉換為電能，雙饋變流器對發電機發出的電能變頻、濾波并將其并入電網。變流器風力發電機與電網之間核心的能量轉換單元。本論文中研究設計的1.5MW雙饋變流器是將風力發電機產生的電能轉換成工頻50Hz，690V的交流電，然后經過升壓變壓器將電能輸送到電網。本論文主要圍繞雙饋風力發電系統中雙PWM變流器及其驅動控制技術進行討論和研究。本文首先介紹國內外風力發電技術的發展、研究現狀，并分析恒速恒頻發電系統、變速恒頻發電系統，接著介紹雙饋電機的運行特點。在變速恒頻的基礎上，分析交直交變流器的運行原理，通過對直驅式永磁同步電機風力發電系統和雙饋式異步電機風力發電系統基本工作原理進行分析和比較，提出研究雙饋變流器的意義，最后對雙饋變流器的主電路及驅動電路進行原理分析及設計。關鍵詞：風力發電；恒速恒頻；變速恒頻；雙饋變流器；驅動電路Thedesignofwindpowergenerationdoubly-fedconvertermaincircuitanddrivecircuitDesignGeneralDescription：Withtherapiddevelopmentofindustry,theincreasingofenergyconsumptionandthegrowingseriousenvironmentalpollution,peopleareforcedtoconsidernewandrenewableenergydevelopmentandutilization.Atpresent,thehumanityhavedevelopnewenergy:nuclearpower,solarenergy,windenergy,biomassenergy,geothermalenergy,oesandhydrogen.Windenergy,owningmanyadvantageshasstoodoutinthedevelopmentandutilizationofnewenergy.Thecoretechnologyofwindpowerisinverters,itsefficiencyandreliabilitywilldirectlyaffectthesystemperformanceandinvestment.Intheearlytimeofwindpower,constantspeedconstantfrequencywindturbine-basedisthemainlymeasure,ingeneralconstantspeedconstantfrequencygenerationsystemisrelativelysimple,themainworkingprinciple:controllingthegeneratorspeedisconstant,resultinginaconstantfrequencypower.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnologyandtheurgentneedforrenewableenergy,windpowergenerationobtainmoreandmoreattention,sowindpowertechnologyhasbeenrapiddevelopmentinrecentyearsinthefieldofwindpowerintheproposedvariablespeedconstantfrequencygeneratingsystem.Butthevariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemaredirectdrivinganddouble-fed.Directdrivingmainlybythepermanentmagnetsynchronousgeneratordirectconnectingleaves,leadingtoagearlessdirectdrivetypebetweentheabolitionoftheleafandthegeneratorgearbox.Becausetheuseoffullpowerconverter,makingthesystemawidespeedrange,highefficiencyofwindpower;Atthesametimeasitisdirectdrivingsystem,eliminatingthegearbox,sothattransmissionefficiency,increasedreliability,lowercosts.Direct-drivingvariablespeedconstantfrequencysynchronousgeneratorwindpowergenerationsystemthroughfullpowerconverterconnectedtothegrid,comparingwiththedouble-fedmachinetoachieveamoresimpleandlesstransientshocksinlowvoltageacross.However,directdrivingvariablespeedconstantfrequencysystemalsohasitsdisadvantages,suchastheconvertermustdesignedbasing100%ofratedpower,sothecostismore.Double-fedgenerationsystemusesadouble-fedinductiongenerator,thegeneratorstatorandCAPEoffthegridbyconnectingtherotorthroughtheLCIconverterconnectedtothegridbytheconvertertoprovideacontrolledrotorexcitationcurrenttoachievezeroimpactonthestatorsideofthegridandtheactiveandreactivedecouplingcontrol.Doubly-fedgeneratorpossessessmallsize,lightweight,smallcapacityrequiredconverters,powerqualityandadvancedfeatures,makeitremainsasthemainmodeloflargewindturbines.Fromthedevelopmentofinternationalwindpowertechnologytrend,windturbineunitcapacityisincreasing,landstand-alonewindturbinecapacityofthemainmodels1.5MW,2MW,offshorewindturbine'smainmodelfortheunitcapacityofmorethan3MW,double-fedVSCFwindturbineisthecurrentlymainstreamoftheinternationalwindpowermarketmodels.Thereforeproposetoresearchanddesignthedouble-fedinverter.CurrentlyinstalledinDFIGbasedonwindturbineinChina,in2009installedcapacityofnewwindturbine,DFIGwindturbinesaccountedfor82%ormore.But1.5MWDFIGwindturbineownsthelargestmarketshareofvariablespeedconstantfrequencywindpowerproducts.Therefore,theissuebasedonBeijingCoronaLimitedCorporation1.5MWdoubly-fedconverterasthebackgroundresearchontheconverterdesign.Windturbinebladeabsorbedfromthewind,thegearboxincreasesthespeedandconvertedtoelectricalenergy,double-fedinverterchangethegeneratorfrequency,filteringthem,thensendthemintothegrid.Converterbetweenthecoreandgridwindturbineenergyconversionunit.Thispaperstudiesthedesignofthe1.5MWdoubly-fedconverteristoconvertelectricalenergygeneratedbywindturbinesintopowerfrequency50Hz,690VAC,andthenthroughthestep-uptransformerwillbetransportedtothepowergrid.Doubly-fedwindpowersystemandthedrivingcontroldoublePWMconverteraremainlydiscussedandstudiedinthisthesis.Firstly,thispaperintroducesthedevelopmentofwindpowertechnologyathomeandabroad,researchingstatusandanalysisatconstantspeedconstantfrequencyelectricsystem,VSCFsystem,thenintroducesthecharacteristicsdoubly-fedmachineoperation.AnalysestheoperationprincipleofAC-DC-ACconverteronthebasisofvariablespeedconstantfrequency,throughputforwardthesignificanceofresearchingdoubly-fedconverterbyanalyzingandcomparingthebasicworkingprinciplesofdirectdrivingtypepermanentmagnetsynchronousmotorwindpowersystemsanddoubly-fedtypeasynchronousmotorwindpowersystems,finallydesignandanalysesitsmaincircuitanddrivecircuit.Keywords:windpower;Constantspeedconstantfrequency;Variablespeedconstantfrequency;Doubly-fedconverter;DrivingcircuitWord文檔Word文檔.Word文檔1緒論1.1風力發電簡介地球上可供人類使用的化石燃料是極其有限和不可再生的。據聯合國能源署報告，按可開采儲量預計，煤炭資源可供人類用200年，天然氣資源可用50年，石油資源可用30年。科學家預計，21世紀的最主要能源將是核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、氫能和可燃冰。世界風能總量為，大約是世界總能耗的3倍。如果風能的1%被利用，則可以減少世界3%的能源消耗，風能用于發電，可產生世界總電量的8%~9%。風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，分布廣泛。隨著人類對生態環境的要求和能源的需要，風能的開發日益受到重視，風力發電將成為21世紀大規模開發的一種可再生清潔能源。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為，其中可利用的風能為。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦，開發利用潛力巨大。隨著全球經濟的發展，風能市場也在迅速發展。2007年全球風能裝機總量為9萬兆瓦，2008年全球風電增長28.8%，2008年底全球累計風電裝機容量已超過了12.08萬兆瓦，相當于減排1.58億噸二氧化碳。隨著技術進步和環保事業的發展，風能發電在商業上將完全可以與燃煤發電競爭。風力發電是近年來世界各國普遍關注的可再生能源開發項目之一，發展速度非常快。1997~2004年，全球風電裝機容量年平均增長率達26.1%，目前全球風電裝機容量已經達到5000萬千瓦左右，相當于47座標準核電站。“十五”期間，中國的并網風電得到迅速發展。2006年，中國風電累計裝機容量已經達到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。2007年以來，中國風電產業規模延續暴發式增長態勢。2008年中國新增風電裝機容量達到719.02萬千瓦，新增裝機容量增長率達到108.4%，累計裝機容量躍過1300萬千瓦大關，達到1324.22萬千瓦。內蒙古、新疆、遼寧、山東、廣東等地風能資源豐富，風電產業發展較快。進入2008年下半年以來，受國際宏觀形勢影響，中國經濟發展速度趨緩。為有力拉動內需，保持經濟社會平穩較快發展，政府加大了對交通、能源領域的固定資產投資力度，支持和鼓勵可再生能源發展。作為節能環保的新能源，風電產業贏得歷史性發展機遇，在金融危機肆虐的不利環境中逆市上揚，發展勢頭迅猛。截止到2009年初，全國已有25個省份、直轄市、自治區具有風電裝機。中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。隨著中國風電裝機的國產化和發電的規模化，風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風電場建設、并網發電、風電設備制造等領域成為投資熱點，市場前景看好。1.2風力發電的現狀風力機用于發電的設想，始于1890年丹麥的一項風力發電計劃。1918年，丹麥己擁有風力發電機120臺。第一次世界大戰后，出現了現代高速風力機。1931年，蘇聯采用螺旋槳式葉片建造了一臺大型風力發電機。隨后，各國相繼建造了一大批大型風力發電機。目前，風能的利用形式主要是發電，風力發電在新能源和可再生能源行業中增長最快，年增長達到35%。圖1-1所示為1996—2008年全球風電總裝機容量。德國，丹麥及西班牙是世界上風能利用最好的三個國家，德國風電已占總發電量的3%，丹麥風電已超過總發電量的10%。圖1-11996-2008年全球風電總裝機容量到2005年底，世界累計的風力發電設備總裝機容量為6800萬千瓦，歐洲占60%。我國風能資源豐富，儲量為32億千瓦，可開發的裝機容量約2.5億千瓦，居世界首位。目前，在廣東、福建、內蒙古、新疆等地已建成26個風電場。盡管我國近幾年風力發電增長都在50%左右，但裝備制造水平與裝機總容量與發達國家相比還有較大差距。我國風力發電裝機總容量僅占全國電力裝機的0.11%，風力發電發展潛力巨大。根據WWEA統計截至到2010年6月，我國風電裝機容量僅次于美國，排名世界第二。事實上根據中國可再生能源學會風能專業委員會的最新統計，截至到2010年底，中國風電裝機容量已名列世界第一。但在技術上，我國風電多采用引進國外技術或與國外公司聯合開發的模式，自主研發的能力較落后，滿足不了我國風電的蓬勃發展的需求。在一些重要原材料及核心電控系統設計方面，與國外仍有較大差距，因此在該領域加強基礎領域的科研投資，具有重大的現實意義。從國際風力發電技術發展的趨勢來看，風力發電機組單機容量越來越大，陸地風力發電機組主力機型單機容量在1.5MW、2MW，近海風力發電機組的主力機型單機容量多為3MW以上，雙饋型變速恒頻風力發電機組是目前國際風力發電市場的主流機型。國家科技部在“十五”期間的“863攻關計劃”中支持了兆瓦級變速恒頻風力發電機組的科技攻關工作，自主研制的1MW雙饋機型變速恒頻風力發電機組樣機己投入試運行。由北京科諾偉業科技有限公司和中國科學院電工研究所共同研制的1MW雙饋變速恒頻風力發電機組控制系統和變流器樣機已經在甘肅玉門風電場成功并網運行。這些項目的成功證明我國已初步掌握了雙饋型變速恒頻風力發電機組的控制技術和控制規律。盡管目前雙饋型風力發電系統仍占風力發電市場主流，然而直驅型風力發電機組以其固有的優勢也逐漸受到關注。直驅型風力發電系統是一種新型的風力發電系統，它采用風力機直接驅動多級低速永磁同步電機發電，然后通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網，省去了傳統雙饋型風力發電系統中的我國難以自主生產且故障率較高的齒輪箱這一部件，系統效率大為提高，有效地抑制了噪聲。無齒輪箱的直驅方式能有效的減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統運行可靠性和壽命，大大減少了維護成本，得到了市場的青睞。2008年是我國風力發電事業快速發展的一年，東方汽輪機有限公司、新疆金風科技股份有限公司等迅速發展各自的風電業務，各地風電場風起云涌，機組功率等級從1MW發展到2.5MW。目前國內裝機以雙饋式風電機組為主，2009年，我國新增風電機組裝機容量中，雙饋式風電機組占82%以上。1.5MW雙饋式風電機組是市場占有量最大的變速恒頻風電產品。原定的中長期規劃：2010年全國的風電總裝機容量達到500萬千瓦，2020年達到3000萬千瓦，但就現在的發展情況，2008年底全國風電裝機總容量已突破1000萬千瓦，2020年則可達8000萬千瓦乃至1億千瓦。1.3風力發電系統簡介風力發電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程，通常由風輪、齒輪箱、發電機、電控系統組成。其中風輪完成風能向機械能的轉換，齒輪箱將發電機轉速提升到發電轉速，發電機將機械能轉換為電能，電控系統完成最大功率跟蹤。其中電控系統是整個風電機組的核心控制單元，對系統的性能、效率及電能質量有著重要影響。發電機所發出的電能有兩種處理方式：可以直接給負載供電或并入電網；也可以通過儲能設備進行蓄能，再由電能變換單元將儲能設備輸出的直流電轉換成交流電再供給負載或并網。風力發電機組主要由風輪、發電機、電能變換單元和控制系統組成，如圖1-2所示。圖1-2風力發電系統框圖風速與風向是隨機變化的，為了能最大效率的吸收風能，要求風輪的轉速能夠隨著風速的變化作出相應變化，以使風輪保持最佳的葉尖速比。根據葉輪轉速的控制方式不同，發電機組通常可分為兩種。恒速恒頻發電系統是較為簡單的一種，另一種發電系統是變速恒頻發電機系統，這是20世紀70年代中期以后逐漸發展起來的一種新型風力發電系統。變速恒頻系統中的風輪可以實現變速運行，可以在很寬的風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，因而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒轉速風力機高很多。與恒速恒頻相比，風電的轉換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴。以下分別簡要介紹恒速恒頻風力發電系統和變速恒頻風力發電系統。1.3.1恒速恒頻發電系統風力發電機與電網并聯運行時，為減少發電機發出的電能對電網的污染，要求風力發電的頻率保持恒定，為電網頻率。恒速恒頻是指在風力發電中，控制發電機轉速不變，從而得到頻率恒定的電能。恒速恒頻風力發電系統框圖如圖1-3所示。圖1-3恒速恒頻風力發電系統框圖恒速恒頻發電系統一般來說比較簡單，所采用的發電機主要有兩種:同步發電機和鼠籠型感應發電機。前者運行于由電機極對數和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步轉速的轉速運行。（1）同步發電機風力發電中所用的同步發電機絕大部分是三相同步電機，輸出連接到臨近的三相電網或輸配電線。三相電機一般比相同額定功率的單相電機體積小、效率高而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網的少數情況下，才考慮采用單相電機。（2）感應發電機感應發電機也稱為異步發電機，有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統中一般采用鼠籠型異步電機，它的定子鐵心和定子繞組的結構與同步發電機相同。轉子采用鼠籠型結構，轉子不需要外加勵磁，沒有滑環和電刷，因而結構簡單、堅固，基本上無需維護。恒速恒頻發電機組的特點是:（1）結構簡單，適合在野外缺少維護的環境下工作；（2）由于轉速不變，無法進行最大功率點的跟蹤控制，發電效率較低；（3）當風速快速躍升時，由于轉速不變，風能將通過風葉傳遞給主軸，齒輪箱和發電機等部件，產生很大的機械應力，引起這些部件的疲勞損壞，所以要求這些部件的機械強度足夠高，增加了成本；（4）這種風電機組在正常運行時無法對電壓進行控制，不能像同步發電機一樣對電壓提供支撐能力，不利于電網故障時的系統電壓恢復和系統穩定；（5）恒速恒頻風電機組發出的電能隨風速的波動而敏感的波動，若風速急劇變化，可能會引起風電機組發出電能質量問題，如電壓閃變、無功變化等，在工程中一般采用靜止無功補償器(SVC)來進行無功調節，采用軟啟動來減小發電機的啟動電流。隨著電力電子技術特別是變頻調速技術的不斷完善，更多的風力發電系統采用變速恒頻風力發電系統。1.3.2變速恒頻發電系統這是20世紀70年代中期以后逐漸發展起來的一種新型風力發電系統，受當時控制技術和電力電子器件的限制，隨著電力電子器件和控制技術的蓬勃發展，特別是在矢量控制、直接轉矩控制等高性能控制理論出現以后，變速恒頻發電技術應用成為可能。它將電力電子技術、矢量變換技術、微機技術和微機信息處理技術引入發電機控制之中，獲得了一種全新的、高質量的電能獲取方式。風力機采取變速運行，發電機的轉速隨風速變化而變化，通過其他方法來得到恒頻電能。目前看來最有前景的當屬電力電子學，這種變速發電系統主要由兩部分組成，即發電機和電力電子變換裝置。發電機可以是市場上已有的通用電機，如同步發電機、鼠籠型感應電機，繞線型感應發電機等，也可以是近年來研制的新型發電機如磁場調制發電機，無刷雙饋發電機等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。變速恒頻風力發電系統允許風力機根據風速的變化而以不同的轉速旋轉。變速恒頻風力發電系統與恒速恒頻風力發電系統相比有以下優點:（1）由于采用電力電子變頻器，變速恒頻風電機組結構相對較復雜；（2）通過對最大功率點的跟蹤，使風力發電機組在可發電風速下均可獲得最佳的功率輸出，提高了發電效率；（3）風輪機可以根據風速的變化而以不同的轉速旋轉，減少了力矩的脈沖幅度以及對風力機的機械應力，降低機械強度要求；（4）風輪機的加速減速對風能的快速變化起到了緩沖作用，使輸出功率的波動減小；（5）通過一定的控制策略(如SVPWM控制)對風電機組有功、無功輸出功率進行解耦控制，可以分別單獨控制風電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。最后兩點非常有利于電網的安全穩定運行。綜合上述特點，變速恒頻發電機組適合用于大功率，通常大于1MW的系統。目前，主流的變速恒頻風力發電機組可分為基于永磁同步發電機(PermanentMagneticSynchronousGenerator，PMSG)的直接驅動型機組和基于雙饋感應發電機(Double-fedInductionGenerator，DFIG)的齒輪驅動型機組兩類。1.永磁直驅同步發電機的變速恒頻風力發電系統直驅變速恒頻風力發電系統采用永磁直驅同步電機作為發電機，發電機直接與全功率變流器相連，經變流器輸出電能再經升壓變壓器升壓后直接并入電網。該系統的基本拓撲結構見圖1-4圖1-4直驅型永磁同步電機風力發電系統三相永磁直驅同步電機主要由轉子和定子組成，在轉子上裝有特殊材料形狀的永磁體，用以產生恒定磁場，沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組，接可控的變頻電源。在新型的變速恒頻風力發電系統里，采用永磁同步發電機直接聯接葉片，能使葉片與發電機之間取消齒輪箱，成為無齒輪箱的直接驅動型。因為使用全功率變流器，使得系統調速范圍寬，風能利用率高；同時因為是直驅系統，省去了齒輪箱，使傳動效率提高，可靠性提高，成本降低。直驅式變速恒頻風力發電系統同步發電機通過全功率變流器與電網相連，在低電壓穿越方面較雙饋式機組實現簡單，且暫態沖擊較小。采用永磁同步電機的變速恒頻系統也有缺點，如變流器需按100%額定功率設計，成本偏高；永磁同步電機價格昂貴，體積重量大，運輸、吊裝困難。2.雙饋異步發電機的變速恒頻風力發電系統目前在風力發電領域廣泛應用的是雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發電系統，該系統采用雙饋型感應發電機，發電機定子側通過并網開關與電網相連，轉子通過交直交變流器與電網相連，由變流器向轉子提供可控的勵磁電流，實現定子側零沖擊并網及有功、無功解耦控制。該系統的基本拓撲結構見下圖1-5：圖1-5雙饋異步風力發電機系統采用該系統時，由于雙饋異步感應電機的特性，其定子繞組直接接到電網上，轉子通過背靠背變流器與電網連接，能夠實現功率的雙向流動。當風速發生變化時，雙饋風力發電機轉速發生變化，通過控制轉子勵磁電流的頻率，可以使定子頻率恒定，實現變速恒頻發電。由于這種變速恒頻控制是通過對轉子繞組進行控制實現的，轉子回路流動的功率是由發電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，因而可以將發電機的同步轉速設計在整個轉速運行范圍中間。如果系統運行的轉差范圍為士0.3，則最大轉差功率僅為發電機額定功率的30%左右，因此該系統交流勵磁變流器的容量僅為發電機容量的一小部分，可以大大降低成本。雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發電系統除了可實現變速恒頻控制、減小變流器的容量外，還可實現有功、無功的解耦控制，可實現電網要求輸出相應的感性和容性無功功率，這種無功控制的靈活性對電網非常有利。但是因為輪轂和發電機之間增加了高增速比齒輪箱，效率和可靠性有一定降低，價格相對較昂貴，且需經常維護。但是由于雙饋異步風力發電機體積小，重量輕、所需變流器容量小、供電質量高等特點，使其依然成為大型風力發電機的主力機型。雙饋風力發電系統要求變流器具有雙向能量流動的特性，同時要有良好的輸入和輸出特性，以減少諧波對電網造成的污染。隨著電力電子技術和電力電子器件的發展，已經有很多類型的變流器符合這一要求，所以雙饋風力發電系統已經成為當下市場的主流。2雙饋式風力發電機組2.1雙饋式風力發電機組原理（1）雙饋式風力發電機基本原理同步發電機在穩態運行時，其輸出端電壓的頻率與發電機的極對數及發電機轉子的轉速有著嚴格固定的關系，即:式中：f——發電機輸出電壓頻率，Hz；P——發電機的極對數；n——發電機的旋轉速度，r/min。在發電機轉子變速運行時，同步發電機不可能發出恒頻電能，由電機的結構可以知道，繞線轉子異步電機的轉子嵌有三相對稱繞組，根據電機原理可知，在三相對稱繞組中通入對稱三相交流電，則將在電機氣隙內產生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電的頻率及電機的極對數有關，即：（2-1-1）式中——n2為繞線轉子異步電機轉子的三相對稱繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后所產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度（r/min）；——p為電機的極對數；——f2為繞線電機轉子三相繞組通入的三相對稱交流點頻率（Hz）。由式（2-1-1）可知，改變頻率f2即可改變n2，而且若改變通入轉子三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的轉向。因此，若設n1為對應于電網頻率為50Hz（f1=50Hz）的雙饋發電機的同步轉速，而n為異步電機轉子本身的旋轉速度，則只要維持常數，則雙饋電機定子繞組的感應電勢，如同在同步發電機時一樣，其頻率將始終維持f1不變。雙饋電機的滑差率，則電機轉子三相繞組內通入的電流頻率應為：（2-1-2）上式表明，在雙饋電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入滑差率（即f1s）的電流，則在異步電機的定子繞組中就能產生50Hz的恒頻電勢。（2）雙饋風力發電系統工作原理在雙饋型風力發電機的風力發電系統中，雙饋發電機定子側通過并網開關與電網相連，轉子通過雙向變流器與電網相連，這種風力發電系統較突出的優點是變流器容量較小(通常為25%~40%)，還能滿足風力機的調速范圍的要求，在采用適當的控制策略后也可滿足電網對風力發電機的要求。雙饋風力發電系統框圖如下圖2-1所示。圖2-1風力發電系統框圖圖2-1為風力發電變流器的系統簡圖，其工作原理為：系統正常運行時，斷路器Q1閉合，電網電壓通過預充電電阻R1給雙PWM變換器直流母線充電，當直流母線的電壓達到設定值后，主接觸器Q3閉合，預充電電阻從電路中切出，變流器開始并網發電，直流母線電壓此時為1100V。當發電機從定子側輸出電能，檢測電路檢測并網接觸器Q2兩端的電壓、頻率、相位相等時，并網接觸器閉合，將定子電能輸送到電網。空氣斷路器Q1做為整個系統的保護器件，實時檢測電網的故障信息，當電網出線過壓、過流、短路時，斷路器能夠及時切斷發電機與電網的連接，從而有效的保護了雙饋電機不受損壞。（3）雙饋式風電機組的運行工況雙饋風力發電機由外部風輪機拖動旋轉，通過轉軸吸收從風中捕獲的風能，根據不同的轉速區域和轉子側滑差功率(簡稱“轉差功率”)的傳遞方向，常規雙饋異步電機可工作在四種狀態下，即次同步電動、次同步發電、超同步電動、超同步發電，在每種運行狀態下雙饋電機定子側的功率P1，轉差功率P2以及轉軸上的機械功率Pmec的正負都不一致，下面對各種運行工況下電機能量的傳遞方向進行分析：對于定子側的功率P1，向電網輸出電能時為正，從電網吸收電能時為負；對于轉差功率P2，向電網饋送電能時為正，從電網吸收電能時為負；對于機械功率Pmec，電機吸收機械功率時為正，輸出機械功率時為負。①次同步電動圖2-2次同步電動工況下能量流動圖此時，電機轉速小于同步轉速，轉差率s>0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向一致，起驅動作用，所以當雙饋電機工作在次同步電動的工況時，定子側通過電網吸收功率P1，轉子側通過變流器向電網輸出轉差功率P2，電機向外輸出機械功率Pmec。②次同步發電圖2-3次同步發電工況下能量流動圖此時，電機轉速小于同步轉速，轉差率s>0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向相反，起制動作用，所以當雙饋電機工作在次同步發電的工況時，定子側向電網輸出功率P1，轉子側通過變流器從電網吸收功率P2，電機通過轉軸吸收機械功率Pmec。③超同步電動圖2-4超同步電動工況下能量流動圖此時，電機轉速大于同步轉速，轉差率s<0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向一致，起驅動作用，所以當雙饋電機工作在超同步電動的工況時，定子側通過電網吸收功率P1，轉子通過電網吸收轉差功率P2，電機向外輸出機械功率Pmec。④超同步發電圖2-5超同步發電工況下能量流動圖此時，電機轉速大于同步轉速，轉差率s<0，并且電磁轉矩的方向與轉速方向相反，起制動作用，所以當雙饋電機工作在超同步發電的工況時，定子側向電網輸出功率P1，轉子向電網饋送轉差功率P2，電機通過轉軸吸收機械功率Pmec。上面共討論了雙饋異步電機在四種情況下的運行特性，但是由于在雙饋風力發電系統中，雙饋異步電機運行于發電狀態，因此我們需要考慮的僅僅是②，④兩種發電運行情況，即次同步發電和超同步發電狀態。2.2雙饋式風力發電機組的特點（l）柔性連接當遭遇陣風時，風電機組轉速增加，將陣風的能量轉換為系統的動能，增加的動能通過控制系統的控制回饋電網，從而實現了傳動系統的柔性連接，減少了陣風對系統軸上的機械應力。（2）變流器成本低雙饋電機系統所使用的轉子側變頻電源只調節轉差能量，在調速范圍比較小的情況下，轉差能量相對于整個電機的容量是比較小的，和定子側直接變頻系統相比，所需變頻器容量大大減小，降低了系統的造價。（3）機組功率因數可調雙饋電機調速系統通過調節轉子電流幅值和相位來補償定子側無功功率，實現定子側功率因數等于1，甚至可以得到超前的功率因數。（4）電網友好型通過系統控制，風電機組可以動態調整無功功率，補償電網波動。當發生電網跌落時，可實現低電壓穿越功能，并在跌落期間為系統提供動態無功補償。在電網發生擾動時，雙饋電機系統可以通過改變轉子側頻率的方法來迅速改變轉速，充分利用轉子動能，以達到釋放或吸收能量，補償電網擾動的目的。總之，雙饋電機調速系統具有功率因數可調、效率高、變頻裝置容量小、投資省等優點，有廣闊的市場與發展前景。由于風能是一種劇烈變化的隨機性很強的可再生能源，所以在變速恒頻雙饋風力發電系統中，轉差功率處于不斷變化的狀態，對于網側變換器來說，實際上就是其負載的變化非常劇烈，這就要求網側變換器要在劇烈的負載變化過程中保持直流側電壓穩定。直流側電壓的靜態穩定性和動態調節速度對風電系統的運行特性至關重要。隨著雙饋電機應用的發展，為了適應各種不同應用場合的需要，尤其是雙饋型風力發電中應用的需要出現了多種不同的雙饋電機控制拓撲結構。對雙饋型風力發電機而言，由于其轉子能量的雙向流動性，需要轉子變流器為雙向變流器。目前可用于雙饋電機的變流器拓撲結構主要可分為循環變流器、交直交變流器和矩陣變換器三種類型。為解決上述常規風力發電系統中存在的問題，一種由交直交變流器流勵磁的雙饋發電機構成的變速恒頻風力發電系統被提出。系統控制方案的實施是在發電機轉子回路實現的，流過轉子回路的功率是雙饋發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，而且可以雙向流動，因此可以大大降低變流器的體積和重量，并提高了系統效率。采用雙饋發電方式，突破了機電系統必須嚴格同步運行的傳統觀念，使原動機轉速不受發電機輸出頻率限制，而發電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉子速度和瞬時位置的影響，原動機與發電機電系統之間的剛性連接為柔性連接，從而一舉解決了常規風力發電系統中存在的諸多問題。基于上述優點，由雙饋發電機構成的變速恒頻風力發電系統已經成為目前國際上風力發電方面的研究熱點和必然的發展趨勢。本文以雙饋發電機為研究基礎，對其構成的交直交變流器系統進行研究設計。3雙饋變流器的設計3.1雙饋變流器的工作原理用于變速恒頻雙饋發電機的變流器應具有以下性能：1.為了實現最大風能捕獲并盡可能的減少勵磁變頻器容量，需要發電機在選定的同步轉速上下運行，發電機的勵磁繞組的能量將雙向流動，所以要求用于雙饋發電機的變換器應該具備功率雙向流動的能力。2.為確保發電機輸出電能質量符合電網要求，要求勵磁電流要諧波小且諧波頻率高，即所選用的勵磁用變頻器要有優良的輸出特性。因此變換器輸出勵磁電壓應具有SPWM(正弦脈寬調制)波形。3.為了防止作為非線性負載的變頻器對電網的諧波電流污染，要求變頻器有良好的輸入特性，即輸入正弦電流，接近單位功率因數。目前，符合上述條件可用于雙饋發電機交流勵磁的裝置有交交循環變換器、矩陣變換器、交直交雙變換器，通過對比各個變換器的特點性能，選用了交直交雙PWM變換器作為雙饋發電機的交流勵磁裝置。在雙饋風力發電系統中，電壓源型交直交變流器是應用較為廣泛的一種拓撲結構，同時電流源型變流器在電力拖動領域應用也比較廣泛，尤其在一些大功率變流場合，電流型變流器因其通常采用晶閘管器件，具有較大的電流密度，因此在大功率傳動場合也得到了較為廣泛的應用。但電流源型交直交變流器也存在著其明顯的不足之處，當采用方波調制時變流器的輸出含有較豐富的低次諧波，并且由于雙饋電機轉子漏感的作用能夠產生威脅到電機絕緣安全的尖峰電壓，為此在大多數此類變換器中在其輸出端裝有并聯電容器，用于吸收尖峰電壓，當采用PWM調制時也需要在其輸出端并聯電容器用于吸收紋波電流，但這容易造成濾波電容和電機漏感之間諧振，控制較為復雜。相對于電流源型背靠背變流器而言，電壓源型背靠背變流器控制較為簡單。雙饋變流器的核心部分是雙PWM交直交變換器，如圖3-1所示，它是由兩個完全相同的電壓型三相PWM變換器通過直流母線連接而成，在雙饋風力發電的系統運行過程中，這兩個PWM變換器的工作狀態是經常變換的，通常不以他們工作于整流或逆變的狀態來區分它們，而是按照他們的位置分別稱為電網側PWM變換器和電機側PWM變換器，即電網側變換器和電機側變換器。交直交變換器能夠滿足系統能量雙向流動的要求，當電機處于次同步工況時，電機轉子從電網吸收能量；當電機處于超同步工況時，電機轉子向電網饋送能量。圖3-1交直交變換器在具體的運行控制中，這兩個PWM變換器各司其職。其中，電網側變換器的任務主要有兩個，一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數符合要求，理論上電網側PWM變換器可獲得任意可調的功率因數，這就為整個系統的功率因數的控制提供了一個途徑；二是保證直流母線電壓的穩定，直流母線電壓的穩定是兩個PWM變換器正常工作的前提，是通過對輸入電流的有效控制實現的。機側變流器的作用主要是給電機的轉子提供勵磁分量的電流，從而調節電機定子側所發出的有功功率，使電機運行在風力機的最佳功率曲線上，實現最大風能追蹤運行。在這種交直交的結構中，兩部分變換器之間的直流母線電容使兩部分變流器實現了解藕，這使得兩部分變換器可以獨立地分開控制而不會相互干擾。這種結構使得這種變換器自身具有對電網故障較強的適應能力。3.2雙饋變流器的組成雙饋變流器整個系統結構比較復雜，其主回路系統包含如下幾個基本單元：并網開關、雙PWM變換器、濾波電路、低電壓穿越電路。3.2.1并網開關1.空氣斷路器空氣斷路器是風力發電系統中雙饋電機與電網線路連接的核心保護器件，對整個系統起到保護的作用。在空氣斷路器的選擇時應注意以下幾個方面：①額定電流大小；②分斷能力；③過電流脫扣器帶或不帶接地故障保護；④過流脫扣器；⑤3極和4極之分；⑥固定式和抽屜式，固定式主回路母排連接方式，抽屜式否是帶導向框架；⑦操作機構及其電壓等級；⑧第一級輔助脫扣器電壓等級；⑨第二級輔助脫扣器電壓等級；⑩輔助端子個數。（1）斷路器的結構風力發電中連接電機與電網的斷路器是整個風力發電并網系統中的核心器件，因此其結構性能也比普通的斷路器要復雜，額定工作電流最大可達6300A。空氣斷路器主要由鋼板制成，可分為抽出式和固定式兩種結構。固定式的斷路器尺寸比抽出式精巧，一般應用在故障或日常維護時允許停電的場合；抽出式一般應用于故障或日常維護時僅允許短暫停電的場合，以及作為備用電源的雙回路，但僅采用一個斷路器。本系統中，空氣斷路器選擇的是固定式。固定式斷路器及抽出式斷路器結構如下圖3-2所示：a.固定式b.抽出式圖3-2斷路器結構（2）空氣斷路器的作用①控制作用。根據電力系統運行的需要，將部分或全部電氣設備，以及部分或全部線路投人或退出運行。②保護作用。當電力系統某一部分發生故障時，它和保護裝置、自動裝置相配合，將該故障部分從系統中迅速切除，減少停電范圍，防止事故擴大，保護系統中各類電氣設備不受損壞，保證系統無故障部分安全運行。空氣斷路器主要有過載、過壓、欠壓保護功能。（3）空氣斷路器總的并網電流空氣斷路器前端接入電網，后端分別接電機定子和轉子側變流器，當系統工作在1.5MW滿功率發電工況時，取電網電壓為690V，則此時空氣斷路器總并網電流為:（3-2-1）若按照機組功率因數為0.9，并當電網電壓跌落10%時，空氣斷路器總并網電流有效值為：（3-2-2）所以可選取額定電流為1600A的空氣斷路器，能滿足系統最大工況時額定電流的大小。2.并網接觸器（1）并網接觸器的工作原理接觸器是一種自動化的控制電器。接觸器主要用于頻繁接通或分斷交、直流電路，具有控制容量大，可遠距離操作，配合繼電器可以實現定時操作，聯鎖控制，各種定量控制和失壓及欠壓保護，廣泛應用于自動控制電路。在風力發電系統中，并網接觸器主要功能是決定風力發電機是否并網運行。當定子端輸出的電壓、頻率、相位與電網的電壓、頻率、相位相等時，并網接觸器才被允許閉合，實現電能的并網發電。在電路設計中，往往在接觸器的兩端設置有電壓檢測電路，用于檢測接觸器兩端的電壓、頻率以及相位是否匹配。（2）并網接觸器電流等級的選取由雙饋電機的參數可知，其同步轉速為1500r/min，當雙饋發電機1.5MW滿功率發電時，此時的轉速為1800r/min，所以轉差率為：（3-2-3）此時定子側輸出的有功功率為：（3-2-4）令發電機組的并網發電功率因數為0.9時，并認為變流器并網功率因數為1，則由發電機側提供的無功功率為：（3-2-5）再考慮到電網電壓跌落10%，則發電機定子側線路上最大的電流有效值為：（3-2-6）據此，并網接觸器額定電流應大于1312A，并留有一定余量。3.網側變換器主接觸器考慮已知1.5MW雙饋風力發電機的極限轉速為2000r/min，此時轉差率為：（3-2-7）可以得轉子側輸出有功功率為：（3-2-8）由于電網側變流器并網功率因數恒為1，所以發電機轉子側有功功率與電網側變流器的有功功率相等。考慮到電網電壓跌落10%時，變流器電網側輸出交流線路上的最大電流有效值為：（3-2-9）據此，應該選取額定電流大于349A的主接觸器(電網側接觸器)并留有一定余量。3.2.2雙PWM變換器電壓源型的雙PWM變換器基本結構框圖如下圖3-3所示，主要包括IGBT組成的三相逆變橋（包括機側和網側）、直流支撐電容、放電電阻、吸收電容。以下針對各器件的性能及參數進行分析。圖3-3雙PWM變換器框圖（1）IGBT的性能參數表3-1交流（AC）電壓直流（DC）母線電壓選擇器件耐壓單相交流≦230VAC350VDC600V三相交流380V-460VAC600VDC(最大可達900VDC)1200V三相交流575V-690VAC750VDC(最大可達1100VDC)1700V1300VDC(最大可達1800VDC)2500V1500VDC(最大可達2100VDC)3300V2500VDC(最大可達3000VDC)4500V三相2.3kVAC3300VDC(最大可達4500VDC)6500V三相4.16kVAC5900VDC6.5kV串或三電平三相6.6kVAC9.4kVDC多電平①耐壓的選取因為大多數IGBT模塊工作在交流電網通過單相或三相整流后的直流母線電壓下，所以通常IGBT模塊的工作電壓（600V、1200V、1700V）均對應于常用電網的電壓等級。考慮到過載，電網波動，開關的過程引起的電壓尖峰等因素，通常電力電子設備選擇IBGT器件耐壓都是直流母線電壓的一倍。如果結構、布線、吸收等設計較好，就可以使用較低耐壓的IGBT模塊承受較高的直流母線電壓。表3-1根據交流電網或直流母線電壓列出了選擇IGBT耐壓的參考值。根據表3-1的參數，1.5MW雙饋變流器直流母線電壓為1100V，所以應選取1700V的IGBT。②電流的選擇半導體器件具有溫度敏感性，因此IGBT模塊標稱電流與溫度的關系比較大。隨著殼溫的上升，IGBT可利用的電流就會下降，一般的IGBT模塊是按殼溫℃來標稱其最大允許通過的集電極電流（）。對于所有的IGBT芯片來說，當℃時，這個電流值通常是一個恒定值，但隨著的增加，這個可利用的電流值下降較快。需要指出的是：IGBT參數表中標出的是集電極最大直流電流，但這個直流電流是有條件的，首先最大結溫不能超過150℃，其次還受安全工作區（SOA）的限制，不同的工作電壓、脈沖寬度，允許通過的最大電流不同。同時，一般的廠商也給出了2倍與額定值的脈沖電流，這個脈沖電流通常是指脈沖寬度為1ms的單脈沖能通過的最大通態電流值，即使可重復也需足夠長的時間。在電力電子設備中，選擇IGBT模塊時，通常是先計算通過IGBT模塊的電流值，然后根據電力電子設備的特點，考慮到過載、電網波動、開關尖峰等因素考慮一倍或者多倍的安全余量來選擇相應的IGBT模塊。但嚴格的選擇，應根據不同的應用情況，計算耗散功率，通過熱阻核算其最高結溫不超過規定值來選擇器件。③根據開關頻率選擇不同的IGBTIGBT的損耗主要由通態損耗和開關損耗組成，不同的開關頻率，開通損耗和通態損耗所占的比例不同。而決定IGBT通態損耗的飽和壓降和決定IGBT開關損耗的開關時間（，）又是一對矛盾，因此應根據不同的開關頻率來選擇不同特征的IGBT。在低頻如時，通態損耗是主要的，這就需要選擇低飽和壓降型IGBT系列。若開關頻率時，開關損耗是主要的，通態損耗占的比例要小。IGBT在高頻下工作時，其總損耗與開關頻率的關系比較大，因此若希望IGBT工作在更高的頻率，可選取更大電流的IGBT模塊；另一方面，軟開關主要是降低了開關損耗，可使IGBT工作頻率大大提高。隨著IGBT模塊耐壓的提高，IGBT的開關頻率相應下降。目前IGBT的制造廠商很多，如英飛凌、賽米控等。比對英飛凌及賽米控的IGBT,賽米控的IGBT主要是集成型的，即IGBT，驅動電路，散熱器，傳感器，過壓、過流保護電路等集成的模塊，考慮成本和日后維護的問題，在此選擇英飛凌的IGBT。英飛凌模塊命名系統如下：圖3-4IGBT模塊命名系統（2）機側變換器機側變換器的主要功能是在轉子側實現矢量變換控制，確保輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個變換器通過相對獨立的控制系統完成各自的功能。機側變換器由六個IGBT組成三相逆變橋，如圖3-5所示。圖3-5機側變換器當發電機工作在極限轉速2000r/min時，由式（3-2-7）可得轉差率為s=-0.333，由此可得轉子最大頻率為：（3-2-10）當發電機滿功率發電時，即轉速為1800r/min，從而得到電機的轉差率為：（3-2-11）轉子側輸出功率為（3-2-12）因為轉子側輸出電壓范圍是0~690V，而實際電壓基本在400V左右，所以轉子側輸出最大電流有效值為：（3-2-13）再考慮3倍以上的余量，機側的IGBT的額定電流值應大于1080A，考慮到溫升對IGBT載流的影響，可以選取1600A的IGBT。因為機側直流母線端的電壓為1050V，由之前的IGBT電壓等級表可得出，所選IGBT的電壓等級應為1700V。通過以上的參數計算可得機側變換器應選擇1700V，1600A,開關頻率低的IGBT。參照英飛凌提供的器件參數，可選取FZ1600R17KE3的IGBT。該款IGBT屬于單管，電流大，開關頻率低。利用英飛凌提供的仿真軟件可得出FZ1600R17KE3的仿真參數如下：單塊IGBT的功耗仿真效果如下：圖3-6FZ1600R17KE3功率仿真溫度分布范圍如下：圖3-7FZ1600R17KE3結溫分布仿真由以上仿真可看到IGBT的導通損耗和開關損耗為：431W，二極管的導通損耗和開關損耗為：262W,由IGBT的溫度參數應滿足：℃℃℃根據仿真結果,所選IGBT符合以上參數要求.（3）網側變換器網側變換器的主要功能是實現交流側輸入單位功率因數控制和在不同狀態下保持直流環節電壓的穩定，確保機側變換器乃至整個勵磁系統可靠工作。網側變換器也是由六個IGBT組成的三相逆變器，原理結構圖如圖3-8所示。圖3-8網側變換器網側變換器連接的是電網側，所以交流額定電壓為690V。由此可得網側電流有效值為：（3-2-14）式中：——網側IGBT電流額定值；——轉子側輸出功率；再考慮3倍以上的余量，網側IGBT的電流額定值應大于627A，考慮溫升的影響和保守選取，可選取1200A的單管FZ1200R17KE3。利用英飛凌的仿真軟件可得參數如下：功耗仿真如下：圖3-9FZ1200R17KE3功耗仿真溫度分布仿真如下：圖3-10FZ1200R17KE3結溫分布仿真由以上參數可知，選取FZ1200R17KE3的IGBT可以滿足網側電路的要求。（4）直流支撐電容該雙PWM變流器由兩個三相電壓源型逆變器采用直流連接，中間的濾波電容C用來穩定直流母線電壓，轉子側變流器向雙饋感應發電機的轉子繞組饋入所需的勵磁電流，完成其矢量控制任務，實現最大風能捕獲和定子無功功率的調節。直流側電容的選取需要結合實際實驗情況綜合考慮:一方面，電容值越大，濾波效果越好；另一方面，從體積、重量、價格和動態性能來看，電容值又不宜太大。隨著膜電容技術的不斷發展，電解電容被膜電容所取代已成為不爭的事實，膜電容主要有以下優勢：——承受高有效值電流的能力，可達1Arms/uF——能承受兩倍于額定電壓的過壓——能承受反向電壓——承受高峰值電流的能力——沒有酸污染——長壽命——可長時間存儲所以本次設計的變流器也采用膜電容作為直流母線的支撐電容，下面對電容的參數選取做計算：①電壓要求：直流電壓1050V，故選擇1100V的膜電容，膜電容可以承受瞬間過電壓，最大電壓為1650V。②紋波電流要求：根據經驗公式，其中為紋波電流，為逆變器側交流側輸出的相電流。考慮輸出相電流的1.1倍過載，取,則③容值的計算如下：紋波電壓的要求：根據直流電壓動態響應性能的要求，在額定運行的情況下，考慮極端的情況網側變流器不工作機側變流器的所有能量都加到直流電容上時，網側采用PI調節，在開關頻率為2kHz時，一個采樣周期為500us，在500us的時間間隔內，直流電壓最大波動應小于5%，所以計算的直流電容值如下：（3-2-15）即：（3-2-16）得出：直流側過電壓的要求：在2ms的時間間隔內，直流側的最大電壓不超過1260V，所需要的電容容量計算如下：（3-2-17）得出：所以得出直流支撐電容應大于。根據電路設計的需求，考慮采用420uF/1100V的膜電容，一共六個功率單元，每個單元采用六個膜電容，由此可得容值為：，符合理論計算要求。（5）放電電阻因為選用的膜電容是單個并聯，無需考慮電容均壓。只考慮放電電阻的選取。1.5MW共6個功率單元，每個功率單元上加1個放電電阻板。設放電時間為600s，由此可得出總的電阻為：（3-2-18）（3-2-19）從而可得每塊功率單元的電阻為：（3-2-20）因此可選取5K/1W的電阻，每塊電阻板由48個電阻串聯而成。對功率的驗證（3-2-21）而電阻的總功率為：（3-2-22）滿足功率的要求。（6）吸收電容為了抑制IGBT在快速開關過程中在母線分布電感上引起的過電壓，需要在IGBT兩端安裝吸收電容。考慮中間直流電壓最高1300V，IGBT最高耐壓為170OV，則關斷過壓需小于500V并應留有余量。關斷過壓與IGBT關斷速度、關斷電流、直流母線及濾波電容的雜散電感有關。設每個吸收電容為0.22uF，每個功率單元安裝3個并聯成0.66uF；當母線電壓為12O0V時，將最大關斷電壓控制在1300V以內，認為IGBT如理想開關一樣瞬時關斷，則要求直流母線和濾波電容的總雜散電感為:（3-2-23）查閱電容資料可知，非低感設計的標準電解電容等效串聯電感(ESL)為20nH，故要求線路雜散電感小于710nH即可，作為結構設計的參考值。由于0.22uF電容己有類似工況成功的應用，本設計吸收電容的容值選取為0.22uF。3.2.3預充電回路為了防止主接觸器閉合后直流母線的支撐電容瞬間短路，特設置預充電電阻，如圖2-1所示，預充電支路并聯于主接觸器兩端，空氣斷路器閉合后，變流器開始工作，電網通過預充電電阻給直流母線預充電，當直流母線的電壓達到設定值后，主接觸器閉合，預充電支路從電路中切出，變流器開始并網發電，直流母線電壓此時為1100V。電容充電放電時間計算公式。設為電容上的初始電壓值；為電容最終可充到或放到的電壓值；為t時刻電容上的電壓值。則有（3-2-24）設A.直流電容充電到800認為充電完成；B.充電時間不超過4s（根據并網時間是6-10s來確定）；C.充電時直流電流不超過電容紋波電流值。三相正弦電源經二極管整流后認為是直流電源（忽略脈動），電容從零電壓開始充電，到800V結束，充電時間為t，則有：（3-2-25）t=1.97RC（這里C取36個420uf膜電容，C=15120uF），保證t≦4s，則有：（3-2-26）可選取100Ω/400W的電阻。（3）建模仿真建立預充電模型，如下：直流電容為15120uF，電源線電壓有效值為690V。3-11仿真模型預充電電阻為100Ω時，仿真波形如下：ab圖3-12仿真波形從仿真結果看，到800V左右時用時3s，啟動電流峰值為12A。3.2.4濾波電路由圖3-3雙PWM變換器框圖可以看到，變流器的濾波電路主要有：網側電感濾波、機側du/dt電感濾波，以下對各部分的濾波回路進行分析。1.網側濾波電路網側三相電壓型PWM變流器因其能夠同時控制直流電壓和網側功率因數而被廣泛應用于電機驅動、蓄電池充放電控制和并網發電等場合。變流器傳統的網側濾波器為電感L濾波器，由電感L將高頻電流諧波限制在一定范圍之內，減小對電網的諧波污染。但隨著功率等級的提高，特別是在中高功率的應用場合，開關頻率相對較低，要使網側電流滿足相應的諧波標準所需的電感值太大。這不僅使網側電流變化率下降，系統動態響應性能降低，還會帶來體積過大成本過高等一系列問題。同時，為使PWM變流器矢量三角形成立，在同等功率等級下，電感值越大則需要中間直流電壓越高，導致開關管耐壓水平也會相應提高，會導致成本的進一步增加。高功率設備通常在幾百千瓦以上，大感值的電抗器造價相當昂貴，而且系統的動態性能變差。但是LCL型濾波器在濾除高次諧波方面效果就很好，并且濾波器的總電感值也比較小，這在高功率設備上應用是一個重要的優點。雙饋風力發電變流器電網側PWM變換器輸出交流側采用LC濾波，網側電感在變流器的設計中具有非常重要的位置，這是因為網側電感的取值不僅影響到電流環的動、靜態效應，而且還制約著變流器輸出功率、功率因數及其直流電壓，它的作用主要有:(l)隔離電網電動勢與變流器交流側電壓；(2)濾除變流器交流側PWM諧波電流，從而實現變流器交流側的正弦波電流控制；(3)使變流器獲得良好電流波形，實現單位功率因數控制，網側純電阻運行特性。本文中所設計的1.5MW雙饋風力發電變流器的網側濾波器如下圖3-13所示圖3-13網側濾波電路①首先設計雙饋變流器網側電感：假設電網電壓諧波成分為零，變流器交流側輸出電壓各階諧波幅值為u(h)，變流器交流側輸出電流各階諧波幅值為i(h)，h為諧波次數，則電感的計算公式可由下式給出:（3-2-27）其中:1)h為諧波次數，在頻率很高時，諧波含量可以忽略不計，所以計算中取；2）為變流器諧波電流，，式中，N為變流器側電流和網側電流之比，本系統中約為1，a為比例系數，取為0.05。根據IEEE——519協議可得:時，為0.006倍的額定并網電流值；時，為0.003倍的額定并網電流值。為基波角頻率，為基波頻率(5OHz)。根據MATLAB——VSR模型對交流輸出PWM脈沖進行Fourier分析可得，如圖3-14所示:圖3-14電壓諧波仿真其中，基波電壓幅值，篩選出諧波次數內幅值較大的有:，，，，所以得出（3-2-28）實際中可選取為0.5mH，此時THD=4.8%＜5%，符合設計標準。②網側濾波器中的電容設計:一般濾波電容吸收的基波無功功率不能大于系統有功功率的50%。在基波頻率下，對單相濾波器的電路可以進行等效簡化，可認為電感串聯后與電容并聯。則可得出電容吸收的無功功率應滿足:（3-2-29）式中為濾波電容吸收的基波無功功率；P為變流器額定有功功率；為電網相電壓有效值；為相對于P的大小，取為0.5。從而可得電容取值范圍為：（3-2-30）由以上參數可以選取