风电场电气系统(第8章)电力电子ppt课件.ppt
1,8 风电场中的电力电子技术,8.1 电力电子技术基础8.2 风电机组并网换流器8.3 无功补偿与电压控制装置,2,1. 电子技术,信息电子技术,电力电子技术,模拟电子技术,数字电子技术,应用于电力领域，即使用电力电子器件对电能进行变换与控制,2. 电力,交流电（常用）,直流电（不常用）,太阳能光伏发电 ；电铁的牵引机车,火电厂、水电站、风电机组；各种电动机, 8.1 电力电子技术基础 8.1.1 电力电子技术简介,3, 8.1 电力电子技术基础 8.1.1 电力电子技术简介,交流电,直流电,电压频率,3. 电力电子 设备作用,转换,电源,输配电网,用电设备,转换,转换,电压频率,无功补偿、电压控制,4, 8.1 电力电子技术基础 8.1.2 电力电子器件,半导体器件,电真空器件,电力电子器件,不可控器件：电力二极管（Power Diode）,半控型器件：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件,全控型器件,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,电力场效应晶体管（MOSFET）,门极可关断晶闸管（GTO）,5, 8.1 电力电子技术基础 8.1.3 变流技术,电力变换,整流：交流变直流（AC-DC）,逆变：直流变交流（DC-AC）,斩波：直流变直流（DC-DC）,变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC）,实现,实现,实现,实现,实现,直流斩波器,逆变器,变压器、变频器移相器,整流器,6, 8.1 电力电子技术基础 8.1.4 PWM控制,PWM控制的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波形图上的面积；效果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。,7,8, 8.1 电力电子技术基础 8.1.4 PWM控制,图8-7 用矩形脉冲序列等效正弦波形,图8-8 正弦波的两种PWM波形,9, 8.1 电力电子技术基础 8.1.4 PWM控制,PWM波形生成方法,计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination）,调制法,跟踪控制法,10,8.2 风电机组并网换流器,8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器,8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器,8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器,8.2.4 风电机组并网换流器的总结,11,图8-12 带有并网换流器的直驱式风电机组示意图, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器,12,(a) 发电机侧为不可控整流,(b) 发电机侧为可控整流,图8-13 直驱式风电机组并网换流器的常见设计方案,(c) 发电机侧为不可控整流Boost升压, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器,13,图 8-14 交流励磁双馈式风电机组结构示意图, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器,14,双向换流器的电网侧和电机侧两个部分，都用可控器件实现，均采用PWM控制方式，因此又称为双PWM变流器。双PWM变流器的主电路结构如图8-15所示。,图8-15 双PWM型变换器主电路结构图, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器,15,无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接连接电网；另一个称为控制绕组，通过双向换流器连接电网。其作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，并网换流器也要求是双向换流器。其容量也仅为发电机容量的一小部分，类似于交流励磁双馈式风电机组的并网换流器。除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又提高了运行的可靠性。, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器,16,（1）容量双馈型系统的变流器容量（相当于转差功率）一般只占发电机组额定功率的30左右，体积和重量较小，因而具有较低的成本。直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的容量需要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而具有较高的成本。（2）结构直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间，功率输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入电网。因此可以考虑采用低成本的不控或半控器件。, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.4 风电机组并网换流器的总结,17,交流励磁双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电流所在的转子绕组之间。无刷双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电流所在的定子控制绕组之间。两种双馈式系统，变流器中的功率流动都要求是双向的，因此要求按双向变流器设计，即两侧变流器都应采用全控器件，实现双PWM控制。, 8.2 风电机组并网换流器 8.2.4 风电机组并网换流器的总结,18,8.3 无功补偿与电压控制装置,8.3.1 风电场的无功和电压控制需求,8.3.2 静止无功补偿器(SVC),8.3.3 静止同步补偿器(STATCOM),19, 8.3 无功补偿与电压控制装置 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求,随着风速的变化，风电机组的发电功率和电压频率也会发生变化，这个很容易理解。实际上，风电的间歇性、随机性，不仅对频率和有功有影响，还会对电压和无功产生影响。风电场常用的无功补偿设备，主要有三大类：并联电容器，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）。,20,静止无功补偿基于电力电子技术及其控制技术，将电抗器与电容器结合起来使用，能实现无功补偿的双向、动态调节。实际上，SVC是一类设备的统称，常见的几种基本形式如图8-17所示。, 8.3 无功补偿与电压控制装置 8.3.2 静止无功补偿器(SVC),图8-17 几种典型SVC结构示意图,21,STATCOM的主电路一般都由电压源型逆变器（VSI）和直流电容组成，如图8-19所示。, 8.3 无功补偿与电压控制装置 8.3.3 静止同步补偿器(STATCOM),图8-19 STATCOM的基本构成,22,优点： STATCOM具有更好的出力特性。在低电压时，表现为定电流特性，无功功率只随电压的降低按一次方关系下降。 STATCOM采用PWM控制，具有更快的响应特性。 STATCOM中，无功调节不是通过控制容抗或感抗的大小实现的，无需直接与系统连接的电容器或电抗器，不存在系统谐振问题，对典型设备的比较表明：相同容量的STATCOM体积约为SVC的1/3。 STATCOM具有有源滤波器的特性，甚至可以用于需要有源滤波的场合。, 8.3 无功补偿与电压控制装置 8.3.3 静止同步补偿器(STATCOM),
