基于九开关变换器的双馈风电系统研究

The rotor of the doubly-fed induction generator is connected to the grid by the back-to-back converters in the recently doubly-fed wind-power generation system, based on which the realization of low voltage ride-through (LVRT) requires the auxiliary circuits or additional component capacities, and thus increases the cost of the system and wastes the capacities in normal situation. To solve this problem, this study proposes the component-capacity-dynamic-assignment conception after the replacement of the back-to-back converters with the nine-switch converter. By assigning the rated component capacities of the nine-switch converter to its grid- and rotor-side branches dynamically in real-time, the normal-work, ride-through after grid failure and reactive power support during grid recovery can be realized without any auxiliary circuits and additional component capacities. With the proposed solution, the rated component capacities of the nine-switch converter can be fully used, in favor of low cost and high power density. Besides providing the new solution and technology backup for the doubly-fed wind-power generation system, the proposed solution could also play an active role in the grid integration of wind energy system and have the wide application prospect.

在目前的双馈风电系统中，双馈电机转子绕组通过背靠背变换器与电网连接，在此结构下实现低电压穿越（LVRT）需增加辅助电路或额外的器件容量，这导致了系统成本的增加和正常运行时容量的浪费。为解决上述问题，本项目在用九开关变换器代替背靠背变换器后,提出器件容量的动态分配思路。通过九开关变换器额定容量在网侧与转子侧支路的动态实时分配，无需增加辅助电路和额外器件容量即可实现双馈风电系统的正常运行、故障穿越以及电压恢复过程中对电网的动态无功支撑。本方案使九开关变换器的额定容量在正常与LVRT过程中均得以充分利用，有利于减少成本，提高功率密度。除了为双馈风电系统增加新的解决方案和技术储备外，本方案还可在风电并网中发挥积极作用,具有广阔的应用前景。

在目前的双馈风电系统中，双馈电机转子绕组通过背靠背变换器与电网连接，在此结构下实现低电压穿越(LVRT)需增加辅助电路或额外的器件容量，这导致了系统成本的增加和正常运行时容量的浪费。为解决上述问题，本项目在用九开关变换器代替背靠背变换器后，提出器件容量的动态分配思路，对九开关双馈风电系统展开了一系列的研究。项目详细分析了双馈电机与九开关变换器的端口电压与电流约束关系，并结合双馈风电系统这一应用场合的特点，阐述了两者优化组合的思路；提出九开关变换器的滑模脉冲宽度调制策略，实现了九开关变换器端口电流的高动态性能控制，为九开关双馈风电系统提供了一种新的调制方案；给出了九开关变换器器件额定电压与电流的选取方案与电网电压正常工况下的控制系统设计方案，在实验室建立了小功率样机；提出了九开关双馈风电系统的直流母线电压以及端口电流的动态分配策略，使得按正常额定工况下设计的器件电压容量在LVRT的过程中亦能得以充分利用，在不增加额外撬棒电路或辅助变换器的情况下，即能满足LVRT的各项指标；进一步提出了九开关双馈风电系统结构与控制策略的优化组合方案，通过增加小成本的转子侧变压器来进一步匹配九开关变换器与双馈电机的端口电压电流关系，通过动态电压与电流分配组合来进一步优化LVRT过程，使得九开关风电系统的整体性能得到进一步提高；将优化后的九开关双馈风电系统进行了工程量化分析，分析表明在实现同等LVRT性能的比较前提下，优化后的九开关双馈风电系统较之背靠背系统在器件数量、器件总伏安(VA)数、容量利用率上占有一定优势，分析亦表明九开关双馈风电系统在不同电网故障类型下均能实现LVRT；最后对九开关双馈风电系统的优化运行区域进行了分析，给出了确保九开关双馈风电系统落入其优化运行区域的设计方法，给出了九开关双馈风电系统的工程应用建议。本方案使九开关变换器的额定容量在正常与LVRT过程中均得以充分利用，有利于减少成本，提高功率密度。除了为双馈风电系统增加新的解决方案和技术储备外，本方案还可在风电并网中发挥积极作用,具有广阔的应用前景。