淺議直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能逆變裝置

神華國華能源投資有限公司河北分公司 趙 冬

淺議直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能逆變裝置

神華國華能源投資有限公司河北分公司 趙 冬

本文對(duì)直驅(qū)式變頻恒速發(fā)電機(jī)采用的電能變化裝置進(jìn)行了細(xì)致的研究，分析了電能變化裝置主電路關(guān)鍵元件參數(shù)選擇，通過對(duì)電能變化裝置的研究能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，克服功率變化大、電壓調(diào)節(jié)范圍窄的缺點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率因數(shù)的提高。

風(fēng)力發(fā)電；逆變器；主電路；關(guān)鍵參數(shù)

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，恒定的直流環(huán)節(jié)電流要比恒定的直流環(huán)節(jié)電壓難于獲得，一方面電流源型逆變器的直流側(cè)需要串聯(lián)大電感，但該電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，直流環(huán)節(jié)電流的脈動(dòng)也更為顯著；另一方面應(yīng)采用可控整流器以提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，相應(yīng)增加了系統(tǒng)成本。

本文主要研究對(duì)象為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能逆變裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能要想滿足電力系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)為用戶可靠供電的目標(biāo)就必須提高所發(fā)出電能的電壓、頻率指標(biāo)，采用直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大的缺點(diǎn)就是發(fā)出的電能電壓值變化幅度大、功率變化范圍大同時(shí)頻率不穩(wěn)定，這就必須在發(fā)電機(jī)的電能出口部位合理的設(shè)計(jì)一套電能轉(zhuǎn)換裝置，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的質(zhì)量，增強(qiáng)電能的適應(yīng)性同時(shí)解決低風(fēng)速風(fēng)能的利用問題。

1 風(fēng)力發(fā)電電能變換系統(tǒng)介紹

在風(fēng)力發(fā)電電能變換系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能作為系統(tǒng)的輸入，交流電通過三相不控整流器后轉(zhuǎn)換成直流電；后續(xù)的Boost電路主要負(fù)責(zé)對(duì)直流電的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，將電壓調(diào)節(jié)到逆變電路輸入規(guī)定范圍以內(nèi)，同時(shí)校正功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高，Boost電路還能夠抑制電壓中的諧波分量。采用這種結(jié)構(gòu)的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間不通過增速齒輪箱而采取直接耦合的結(jié)構(gòu)，當(dāng)外部風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓較低，如果沒有升壓電路，則此時(shí)的電壓值不能滿足逆變電路對(duì)于輸入電壓的要求，從而影響到輸出；加入直流升壓電路之后，低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)候發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電在經(jīng)過整流電路后變?yōu)殡妷悍递^低的直流電，之后通過直流升壓電路的升壓從而得到滿足逆變器輸入端要求的高幅值直流電，從而有效克服風(fēng)力發(fā)電機(jī)在外部低風(fēng)速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓和頻率抖動(dòng)問題，使得系統(tǒng)在低風(fēng)速狀態(tài)下輸出的電能仍能滿足質(zhì)量要求。

2 逆變器主電路關(guān)鍵參數(shù)的選擇方法

2.1 不可控整流模塊的選擇

2.1.1 整流二極管的選擇

選擇整流二極管需要校核的參數(shù)包括：(1)正向平均電流IF(AV)，它表示了二極管能夠長期流過的最大工頻半波電流的平均值，也可以稱為額定電流參數(shù)，在進(jìn)行正向平均電流參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)有效值相同的原則，并留有一定的裕度； (2)正向?qū)妷航礥F，它表明了流過正向穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，二極管自身產(chǎn)生的電壓降低值；(3)反向重復(fù)峰值電壓URRM，該參數(shù)表明了整流二極管能夠承受重復(fù)施加的反向電壓值的大小，通常選擇此參數(shù)需按照整流二極管承受反向電壓峰值的二倍；(4)浪涌電流IFSM，它表明了整流二極管可以承受的過電流能力。如果通過整流二級(jí)管的峰值電流為IM，則電流有效值可以通過以下公式計(jì)算，首先計(jì)算正向平均電流：

則通過二極管的電流有效值為：

按照上面計(jì)算公式，如果將Boost電路控制波形的占空比變化范圍控制在50%～80%，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓范圍在40～150V，逆變器輸入電壓的最大值UIMAX=150V，整流二極管所耐受的反向電壓最大值 ，整流二極管的額定電壓可選擇2URM,按照一定裕度的原則選取，可以選擇URAM=500V。系統(tǒng)最大功率為2.5kW，則整流電路輸出的直流電壓為93.6V，電流為：

整流二極管中通過的電流有效值：

根據(jù)有效值計(jì)算額定電流：

按照兩倍再保留裕度的原則選擇二極管額定電流。最終兩相指標(biāo)可以確定整流二極管參數(shù)應(yīng)選擇額定電壓為500V～600V,同時(shí)額定電流為20A的二極管。

2.1.2 整流輸出電路中濾波電感、電容的選擇

為了提高整流器輸出電壓質(zhì)量，就需要再整流器之后增加LC濾波電路，在計(jì)算LC濾波器參數(shù)的之前，首先需要確定整理器輸出電壓的相關(guān)參數(shù)，包括諧波電壓值，最低次諧波頻率值以及負(fù)載允許承受的諧波電壓值，最終推導(dǎo)出濾波器衰減參數(shù)，公式4-3給出了濾波器諧振頻率的計(jì)算方法，在確定濾波器諧振頻率之后，可以再計(jì)算出LC的乘積，然后對(duì)L和C的值進(jìn)行平均分配，容抗值C選擇過會(huì)導(dǎo)致整流二極管電流增加，而感抗值L過大會(huì)造成較大的系統(tǒng)壓降，因此，應(yīng)該避免以上兩種情況發(fā)生。

2.2 Boost升壓電路模塊的選擇

2.2.1 輸入電感參數(shù)計(jì)算

Boost升壓電路中輸入電感的作用的儲(chǔ)存和傳遞電能，同時(shí)限制高頻紋波電流，因此，應(yīng)該根據(jù)輸入的高頻紋波電流值來選擇匹配輸入電感值。Boost電路運(yùn)行在臨界狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流：

當(dāng)系統(tǒng)輸出的功率為最大值時(shí)，可以計(jì)算Boost電路最大的輸出電流：

可以使計(jì)算可知，處于臨界狀態(tài)時(shí)的電感值：

2.2.2 輸出電容參數(shù)計(jì)算

進(jìn)行輸出電容參數(shù)選擇的應(yīng)該主要考慮的因素包括，開關(guān)頻率的紋波電流、二次諧波電流、主流輸出電壓值、直流輸出紋波電壓和持續(xù)時(shí)間等因素，計(jì)算起來比較復(fù)雜，在工程實(shí)際中通過經(jīng)驗(yàn)簡化一般可以按照電壓的紋波或者持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行電容值計(jì)算，具體由何種參數(shù)來確定主要根據(jù)電路運(yùn)行的實(shí)際情況來確定，在本例中，主要考慮的電路的持續(xù)時(shí)間，因此，選擇根據(jù)持續(xù)時(shí)間計(jì)算的方法，逆變器額定功率設(shè)計(jì)為2KW，持續(xù)時(shí)間 設(shè)為50ms，輸出電壓紋波通常按照直流輸出電壓的10%來計(jì)算。電容值的計(jì)算公式為：

2.2.3 開關(guān)管和輸出二極管的選擇

主電路開關(guān)管的選擇主要是根據(jù)關(guān)斷中承受的電壓值和導(dǎo)通狀態(tài)下承受的電流值選擇；主電路開關(guān)管導(dǎo)通，二極管反向截止，此時(shí)流過開關(guān)管的電流就是電感電流，二極管承受的反向電壓就是輸出電壓；主電路開關(guān)管關(guān)斷，二極管正向?qū)ǎ藭r(shí)流過開關(guān)管的電流就是電感電流，但是開關(guān)管承受的電壓為輸入電壓。

3 結(jié)論

本文主要研究小型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，分析了電能逆變裝置主電路中三相不控整流電路和Boost升壓電路電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)原件參數(shù)的選擇方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際工作中風(fēng)力發(fā)電組采用的電能變化裝置相關(guān)理論知識(shí)的深入了解。

[1]劉明.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變裝置的研究[D].大連理工大學(xué),2006.

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[3]黃建新.2兆瓦直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電變流技術(shù)的研究[D].湖南大學(xué),2008.

[4]陳志偉.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能逆變器的研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2011.