三电平中压风电变流器的研究

第45卷第11期2011年11月电力电子技术POWERELECTRONICSVO145NO11NOVEMBER2011三电平中压风电变流器的研究高宁，王勇，蔡旭1电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，风力发电研究中心，上海交通大学，上海2002402海洋工程国家重点实验室，上海交通大学，上海200240摘要随着风电变流器向多兆瓦的发展传统的低压风电变流器系统由于电流应力过大的问题，已不能很好地适应风电系统功率扩展的需求。深入研究了基于三电平技术的中压风电变流器的拓扑结构、主电路参数以及控制算法，研究了高压大功率IGBT的驱动技术，并完成了一台小功率的实验样机。样机基于DSPFPGA主从处理器控制平台，对拓扑结构、关键性算法等进行了验证。实验结果证明了三电平中压风电变流器方案的可行性。关键词变流器风力发电；数字控制平台中图分类号TM46文献标识码A文章编号1000一LOOX201111O03902RESEARCHONTHREELEVELMEDIUMVOLTAGEWINDPOWERCONVERTERGAONING，WANGYONG，CAIXU，1KEYLABORATORYOFCONTROLOFPOWERTRANSMISSIONANDTRANSFORMER，WINDPOWERREASERCHCENTER，SHANGHAIUNIVERSITY，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTRADITIONALLOWVOLTAGEWINDPOWERCONVERTERISNOLONGERAPPROPRIATEFORMWLEVELSYSTEMDUETOTHEHIGHERCURRENTSTRESSESTHISPAPERSTUDIESTHEAPPLICATIONOF3LEVELDIODENEUTRALPOINTCLAMPEDCONVERTERINMEDIUMVOLTAGEWINDPOWERSYSTEMS，INPURPOSEOFINVESTIGATINGTHEKEYPROBLEMSSUCHASSYSTEMSTRUCTURE，MAINCIRCUITS，CONTROLSTRATEGYANDIGBTDRIVERTHISPAPERALSODESIGNSAMEDIUMVOLTAGEWINDPOWERCONVERTERPROTOTYPEINLABORATORY，VERITIESTHECONTROLALGORITHMOFBACKTOBACKCONVERTORBASEDONDSPFPGAPLATFORMTHEEXPERIMENTALRESULTSHOWSTHEFEASIBILITYOF3LEVELMEDIUMVOLTAGEWINDPOWERCONVEERKEYWORDSCONVERTER；WINDPOWERGENERATION；DIGITALCONTROLPLATFORMFOUNDATIONPROJECTSUPPOAEDBYNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINANO511771001引言随着风电技术的不断发展，风电变流器的功率等级迅速增大。今后海上风电场所占比重将越来越大。而海上机组的容量比陆地机组更大。可达3MW以上。在这样的功率规模下，若采用传统的低压变流器方案，电流将达到数千安，所产生的损耗是无法接受的。若采用多变流器并联的方案，又会产生诸如环流、效率等问题I1J。而中压风电变流器能够有效减小电流应力，提高系统效率和可靠性，将是下一代风电变流器的最佳选择之。NPC三电平变流器具有电压应力低、输出谐波低等优势。能得到更高的输出电压，是中压风电变流器的理想选择【。在此针对三电平NPC拓扑在风力发电系统中的具体应用进行了研究设计基金项目国家自然科学基金项目51177100定稿日期2011一O530作者简介高宁1987一，男，浙江海宁人，硕士研究生，研究方向为中压变流技术在风电中的应用。了基于三电平技术的中压风电变流器主电路拓扑，对高压IGBT驱动技术进行了研究。设计了一台实验室样机。实验结果证明了三电平中压风电变流器方案的可行性。2三电平中压风电变流器主电路拓扑21系统总体结构系统总体结构包括主电路部分与控制电路部分。左侧变流器工作在整流状态，控制发电机运行；右侧变流器工作在逆变状态，维持直流侧电压稳定，所接电网的电压等级为33KV。选取2MBI150UH一330模块作为开关器件。它可承受的最高直流电压为27KV，采用NPC拓扑后，直流侧电压最高可达54KV，适用于33KV系统。22高压IGBT的驱动H1对于高压大功率IGBT，需要配套专门的驱动电路进行控制。在此选取了2SD315AI一33作为驱动电路核心，辅以专门的配套电路，完成了中压IGBT驱动器的设计并且在样机实验中验证了设计的正确性。39第45卷第11期2011年11月电力电子技术POWERELECTRONICSVO145，NO11NOVEMBER20113中压风电变流器系统控制算法31网侧变流器控制算法【】将系统负载等效为一个电阻，则可得到网侧PWM整流器的等效电路如图1所示。图1网侧变流器等效电路D，Q，0坐标系下网侧变流器的数学模型为；一一三根据式1可见，通过对M和M的控制可以分别控制I耐和。为使电流快速跟踪电压给定，电流内环可采用PI控制并辅以前馈解耦算法去除交叉耦合项和干扰项，可令AUK。KS一，AUQKISIGTREFI趼，并令电压给定为UDEDAUDTOLI所，UQEQAUQTOLI，即可实现网侧电流的解耦控制。若将D轴定向于电网电压矢量定向角通常由锁相环PLL技术得到，则有E。0，系统有功功率平衡可由D轴电流来表征。另一方面网侧变流器的控制目标是使直流侧电压稳定，即保持系统的输入输出功率平衡。为达到这一目标，可采用电压外环控制，将给定电压与实际电压做差，经过PI调节器后得到D轴电流给定。口轴电流可根据整流器的无功功率要求任意控制。一般控制为零，使得整流器工作于单位功率因数。综上所述，网侧整流器的控制框图如图2所示。图2网侧控制算法32永磁同步电机控制算法【将网侧变流器得到的直流电压等效为电压源，则机侧变流器的等效电路如图3所示。永磁同步电机在D，Q坐标系下的模型为40UQRIQDIQDTWLDITOQ,FNPDJNDWDTTE一式中为极对数；，为电机D，Q轴电感；TO为电机的电角速度；。为电机定子电阻。老翅二堙01V删H，、，C_螽一薄昌呈。LC。I一薯R曩一广。二。FAPWM整流器突加负载叫波形FBLI相层撩SPWM模式F稳态波形T4INS格C机侧逆变器输出线电压垂一I婆兰害曩宝FDD_IL一T20MS格1反丰H层襁SPWM模式F稳态波形图5实验波形由于是验证性样机。因此对风电变流器进行了简化，网侧工作于PWM整流器状态，机侧以阻感性负载替代电机。图5A为PWM整流器突加负载时的启动波形，可见，直流侧电压下转第46页第45卷第11期2011年11月电力电子技术POWERELECTRONICSVO145NO11NOVEMER20115仿真研究为了验证所提逆变器的工作原理，在MATLABSIMULINK环境下建立了控制系统仿真模型。参数设置如下UI50V开关频率FLOKHZ；R50LI；800O,H；C100IXF；K101，K20144。基于滑模控制策略的输出电压波形及其FFT分析的仿真结果如图4所示。可见。波形接近纯正弦，质量良好，其总谐波畸变率THD仅为0。51，验证了该变换器的优点和滑模控制方法的有效性。2001000L00200A输出电压波形BFFT分析图4输出电压波形及F兀分析6样机实验为验证所提出光伏逆变器的工作原理和滑模控制策略的效果，采用DSP芯片TMS320F2812实现数字化控制。完成了一台1KW的原理样机。其功率器件采用型号为IMBH60D一100的IGBT其驱动芯片为EXB841图5为采用滑模控制策略下的输出电压波形。可见，为正弦，电压峰值达到300V，实现了单级升压逆变，其逆变输出波形质量较好，验证了滑模控制策略应用于所提出BOOST光伏逆变器的正确性和可行性。1T5MS格图5滑模控制方法下的输出电压波形7结论从光伏逆变器拓扑结构入手，提出一种新型单级型BOOST逆变器，其结构简单紧凑，通过占空比的调节能直接得到高于或低于输入电压的输出电压，并且控制方法简单。仿真和实验结果表明，输出逆变电压波形质量良好，谐波分量少，大大改善了该逆变器性能。参考文献【1】吴卫民，顾斌，钱照明，等可升压自然软开关变流器J中国电机工程学报，2005，25126266【2朱成花，严仰光一种新颖的串并联输出双BUCK逆变器J中国电机工程学报，2005，252012153】刘健，刘树林，杨银玲，等BUCK变换器的输出本质安全特性分析及优化设计J中国电机工程学报，2005，25195257【4】李鹏飞，蒋赢，陈宗祥，等一种新型BOOST变换器J电力电子技术，2008，42113739【5】付光杰，曹雪改进的BOOST变换器小信号模型及其应用J电力电子技术，2009，4317678上接第40页较为稳定，无太大波动。图5BD示出同相和反相层叠SPWM模式下的稳态工作波形。可见，反相层叠电流谐波含量较同相层叠更高。图5C示出机侧逆变器的输出线电压波形。5结论针对33KV电网设计了一种三电平NPC拓扑的中压风电变流器。并以实验室样机的形式验证了该方案的正确性和可行性。实验证明。三电平中压风电变流器可以有效降低电流应力，提高系统功率等级和效率，减小输出电压谐波，降低开关管承受的电压应力。针对2MBI150UH一330模块设计的驱动电路功能完整。可胜任中压IGBT的驱动工作，适用于中压系统。网侧和机侧变流器可以分别完成其各自的控制目标，保持系统的功率平衡。参考文献【1】李广军兆瓦级永磁直驱风电系统变流器并联技术研究【D】哈尔滨哈尔滨工业大学，20112】MANFREDWINKELNKEMPER，FRANZWILDNER，PETERKSTEIMER，ETA16MVAFIVELEVELHYBRIDCONVERTERFORWINDPOWERAPESCC200845324538【3】AMIMASERYAZDANI，REZAIRAVANIANEUTRALPOINTC