风力发电系统中的并网逆变器.doc

查阅、翻译1万印刷符（或译出3千汉字）以上的外文技术资料，内容要结合毕业设计课题或专业所涉及的，并说明出处。外文原文要原样打印或复印，不要编辑。风力发电系统中的并网逆变器杨勇，阮毅，沈欢庆，汤燕燕，杨影中华人民共和国，上海大学，机电工程与自动化学院摘要：在风力发电系统中对于能量的转换和传输并网逆变器是一个重要的组成部分，它的性能直接影响着整个风力发电系统。并网逆变器的数学模型最先被演绎出来。然后，空间矢量脉冲宽度调制被分析。功率因数控制接近最佳，超前或者滞后，这是在积分型电流控制器和电网电压矢量定向控制的基础上实现的。该控制策略用良好正弦电流，谐波分量小和快速动态响应验证了仿真和实验结果。关键字：并网逆变器，空间矢量脉冲宽度调制，电网电压矢量型，功率因数引言风能，作为一种可再生清洁能源，已经变得对人类越来越重要，这就导致了人们研究和开发风力发电技术。基于双馈感应发电机的风力发电系统，在低速风洞涡轮机和高速风洞涡轮机之间通常需要一个速度增加的变速箱。因此，直驱式风力发电系统的研究和发展正在成为一个提高系统效率和可靠性的有效途径。由于风力发电机的核心部分连接电网，并网逆变器通常采用脉冲宽度调制技术，此技术拥有很多优势，包括正弦输出电流，低谐波分量对功率因数的适应性和直流母线电压。自从过去几年不同控制策略引入了并网逆变器。在第9篇和第10篇参考文献中提到的控制策略是利用瞬时有功功率瞬时无功功率，而没有用电流回路控制器和pwm技术。但是，开关频率不是一个常数，相反，它的错误决定于给定之间的活动和反馈无功功率。本文将详细推导风力发电系统中并网逆变器的数学模型，用空间矢量脉宽调制(space vectorpulse width modulation，svpwm)方式和电网电压矢量定向的控制策略，采用d、q轴电流闭环，实现有功功率和无功功率的解耦控制。1 并网逆变器的数学模型及其控制策略具有多重电枢混合励磁电机和混合励磁的风力发电机被用于风力发电发电系统。当风速低时，这个发电机能调节励磁，延伸了风力发电的捕捉范围和低速工作范围。图1 为多重电枢混合励磁直驱式风力发电系统的结构图。本文研究电枢单元独立运行时并网逆变器的控制策略。 图1 多重电枢混合励磁直驱式风力发电系统的结构1.1 并网逆变器的数学模型设三相电网电压为 （1）式中： e为相电压的幅值；为电网角频率。对于图1方框内的并网逆变器，设其总电阻为r，在三相静止坐标系abc中有 (2)式中：ia 、ib 、ic 为并网逆变器输出电流；ua 、ub 、uc 为并网逆变器输出电压；l 为连接并网逆变器与电网的电感。坐标变换从三相静止abc坐标系变到两相静止坐标系(等匝数变换)如下： （3）由式(2)(3)可得 （4）设旋转坐标系的同步旋转频率为从两相静止坐标系到两相旋转dq坐标系变换， （5）由式(4)(5)可得所以在到两相旋转dq坐标系中并网逆变器的输出电压为： （8）1.2 并网逆变器的控制策略采用电网电压矢量定向控制，将同步旋转dq坐标系的d轴定向于电网电压合成矢量es方向上，q轴超前d轴90，空间矢量图如图2 所示。其中，es为电网电压合成矢量，us为并网逆变器输出电压合成矢量，is为并网逆变器输出电流合成矢量，ul为电感电压的合成矢量，为功率因数角，=dt为es与轴的夹角，可得 （9）式中es 为电网电压合成矢量的幅值。 将式(8)代入由式(9)整理得到 （10）图2 空间矢量图令 （11）代入式(10)得 （12）至此，实现了有功电流id 和无功电流iq解耦控制。为使输出电流快速跟踪给定电流，采用电流pi调节器的实现闭环控制。pi调节器输出为 （13）解得并网逆变器d、q轴电压： （14）旋转dq坐标的优势是它的控制数值例如电流会变成直流值，它可以消除电流稳定跟踪错误，实现对d轴和q轴的解耦控制。这简化了表达式，达到了控制的目的。低采样频率通过一个简答积分控制器就可以控制电流的数值。 假设目前的参考方向如图1所示，在给定一个正向d轴电流和一个零序q轴电流的情况下，并网逆变器可以实现可以实现最佳功率因数并且只把有功功率发送入电网。输出能量和功率因数可通过改变d轴电流和q轴电流被控制。并网逆变器的控制策略图如图3所示。图3 并网逆变器的控制系统1.3 空间矢量脉宽调制当电压ud* 、uq*产生后，采用svpwm产生期望的电压合成矢量us。对于电压型的并网逆变器，存在8种开关状态，每一种状态决定一个电压空间矢量。8个空间矢量把整个空间分成6个扇区，除了零矢量u0和u7外，其它每个空间矢量的幅值为udc，udc为直流母线电压。根据dq坐标系下的电压ud*、uq*以及电网角度，可得到电压合成矢量us，而期望的电压合成矢量us由每个扇区相邻的2个电压矢量合成，这样可减少开关通断次数和减少电流谐波。 （15）图4 电压空间向量 图5 合成所需的输出电压矢量根据电网电压的相角和dq坐标下的ud*、uq*，我们可以得到合成的电压矢量。电压矢量us应该和相邻的矢量相合成以尽量减少开关次数和电流谐波。图5是一个在3相合成过程中描述的例子，输出电压矢量由公式（15）给出，因此我们可以得到 （16）图6 三相pwm脉冲输出其中t是pwm周期，t1和t2是两个每个pwm周期活动载体时间工期，t0是每个pwm周期内零序正向向量的持续时间。为所需的输出之间的电压矢量和最初的向量之间的角度，us是最终向量us的放大。在t1和t2计算出来以后，就可以产生三相pwm脉冲。新一代的svpwm技术根据零向量的位置可分为零向量集中分布和零向量对称分布。后一种方法使每个开关设备在一个pwm周期内动作一次，这样使他们都有固定的开关频率和少的谐波。所以后一种方法应用在这个系统当中。在3相的pwm脉冲的产生图6所示。图7 matlab中的仿真模型2 并网逆变器的仿真为验证并网逆变器的控制方法，用matlab 7.4进行仿真研究。为更接近实际，并网逆变器的二极管整流桥、pwm 逆变器、电感使用matlab7.4/simpowesystems 下的分离器件；其它控制算法通过matlab 7.4/simulink 实现。图3的仿真模型如图7所示。仿真参数如下：直流母线电压udc=650v ；交流侧电网电压合成矢量的幅值es =220 23/ 2=465v；交流侧电抗器电感l =0.02h；交流侧电抗器电阻r =1；电网基波角频率 =2f =314rad/s；pwm 开关周期t = 100 s 。1） iq = 0时的仿真结果。给定id = 3a 、iq =0a ，在0.1 s 后id =5a 、iq =0 a，图8为一相电压和电流仿真波形，图9为d、q轴电流的仿真波形。2） iq 0时的仿真结果。给定电流为iq = 2a、id = 3a ，在0.1 s 后id =5a、iq = 2a，并网逆变器向电网发送有功无功功率。图10为一相电压和电流的仿真波形，图11为d、q 轴电流仿真波形。图8 iq=0时 一相电压和电流仿真波形图9 iq = 0 时d、q轴电流的仿真波形图10 iq 0时一相电压和电流的仿真波形图11 iq 0时d、q 轴电流仿真波形3 并网逆变器的验证为验证并网逆变器的性能，研制了基于英飞凌公司dsp 芯片(xc167ci)的实验平台，其硬件结构如图3所示。实验硬件平台的发展是为了更好的完善网逆变器的控制策略。电气参数和模拟参数一样。转换器的电源电路由一个基于全桥电路的绝缘栅双击晶体管构成。电力半导体开关以10kz的频率运行，它的关闭时间是3s。三相pwm脉冲通过ccu6单位产生xc167ci。相电流ia，ib和直流母线电压通过使用微控制器中的模拟数字转换器来测量。当前积分控制器的应用，abc坐标到坐标的变换、坐标到dq坐标的变换和svpwm技术都是以每100微秒来执行的。这个实验有两部分，一个是iq =0，另一个是iq 0的情况，给定电流和仿真的相同。1） iq =0情况下的实验结果图12显示了一相电压和电流得波形，图13显示的d轴和q轴电流的波形。图12 iq = 0时一相电压和电流的波形图13 iq = 0 时d、q轴电流的波形2） iq 0情况下的实验结果图14显示了一相电压和电流得波形，图15显示的d轴和q轴电流的波形。图14 iq 0时一相电压和电流的波