基于一種半直驅式風力發(fā)電裝置的整流器研究.pdf

1、風能是新興的綠色能源。為了降低每千瓦時的發(fā)電成本,風力發(fā)電機組正朝著大功率方向發(fā)展,單機功率等級不斷提高。快速提高的功率容量帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。本文對風力發(fā)電系統(tǒng),主要側重于機側整流器部分,做了以下幾個方面的研究和嘗試。
　　 多個發(fā)電機與單級增速箱相結合的半直驅式替代永磁直驅裝置,實現(xiàn)了發(fā)電機功率密度的提高和增速裝置機械強度要求的降低。根據(jù)該裝置特點,提出了新型整流器輸出端串并聯(lián)組合的多脈整流裝置。由于機組多個發(fā)電機之間轉速

2、相同、輸出端之間電氣隔離,利用發(fā)電機輸出交流電壓的電角度不同和發(fā)電機之間電氣角度的錯位安裝,整流器的輸出電壓串聯(lián)疊加后,電壓峰值脈波數(shù)增加,幅值變小,從而獲得平穩(wěn)的直流功率輸出,降低濾波電容容量。多組整流模塊并聯(lián)擴容,并可以根據(jù)風速范圍切入切出,提高變流器效率。
　　 為了克服現(xiàn)階段IGB7器件對發(fā)電機輸出端口電壓和變流裝置容量進一步發(fā)展的限制,在變拓撲柔性變流器理論的基礎上,提出了具有寬電壓輸入范圍的變拓撲晶閘管整流器。該整流

3、器由兩個晶閘管整流橋和包括二極管與開關的輔助電路組成。通過改變輔助電路中開關的狀態(tài),實現(xiàn)了兩個晶閘管整流橋在串聯(lián)和并聯(lián)模式之間的動態(tài)切換:當風機轉速比較低時,開關閉合,兩個整流橋串聯(lián)在一起,提高輸入電壓；當風機接近額定轉速時,開關斷開,兩個整流橋并聯(lián)在一起擴大功率容量。變拓撲整流器替代常用的三相六管PWM整流器或者不控整流加boost升壓的二級串聯(lián)整流器,整流側完全采用晶閘管器件,使得電力電子器件不再是限制發(fā)電機輸出電壓等級和功率容量提

4、升的瓶頸。
　　 工作過程中的動態(tài)結構切換是變拓撲變流器控制的核心問題,也是困擾變拓撲柔性變流器的難題。采用傳統(tǒng)的PI控制時,雖然控制方法成熟,但是動態(tài)效果不理想,無法補償變拓撲過程存在的電流過沖。新型電流峰值預測控制替代了傳統(tǒng)方法用來消除拓撲切換過程的電流過沖,不但獲得了切換過程中平滑的功率輸出,而且取得快速的電流動態(tài)響應,提高了整流器抗諧波干擾能力。
　　 新的電流峰值預測控制方法基于交流電壓伏秒積分的周期性變化。利

5、用交流電壓伏秒積分變化的周期性,晶閘管觸發(fā)后,電感電流在本周期內將要到達的最大峰值可以根據(jù)上個周期的電壓伏秒變化趨勢做出預先判斷。因此,預測模型只涉及直流側電感上的電壓伏秒積分與電流之間的關系,與負載無關,大大簡化了控制計算,避免了以往預測控制中超越函數(shù)的求解。而且晶閘管的觸發(fā)不再依賴電壓相位信息,提高了抗諧波干擾能力。仿真和實驗結果表明并行計算的兩個電流峰值預測控制器成功實現(xiàn)了拓撲結構動態(tài)切換的平滑過渡,消除了電流過沖。說明變拓撲的變

6、流器裝置采用合理的控制策略,完全能夠克服動態(tài)拓撲變化帶來的不利影響,在拓撲切換的過程中仍保持平滑的功率輸出。
　　 新型變拓撲結構的晶閘管整流器不能實現(xiàn)發(fā)電機的單位功率因數(shù)運行。但是六相雙Y永磁同步發(fā)電機與變拓撲變流器配合使用時,發(fā)電機內部5、7次諧波磁勢顯著削弱,使得轉子表面附加損耗和轉子溫升大大降低,因此,由于非正弦波形包含諧波所造成的發(fā)電機降額使用的情況顯著得到改善。
　　 沉重的機艙通過細長的塔架支撐樹立在半空中