（电力电子与电力传动专业论文）双馈异步风力发电系统网侧pwm变换器的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nt h eg r i ds i d ec o n v e r t e ro fd o u b l ef e d i n d u c t i o nw l n dp o w e rs y s t e m m a j o r = p o w e re l e c t r o n i c sa n d e l e c t r i c a ld r i v e n a m e ；b oy a n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n m i n gy u s i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i n d 鹋ar e n e w a b l ee n e r g y ，a r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n , t h es t u d y i n go fw i n d p o w e rt e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r ed e e p e ra n dm a t u r e r , t h ev a r i a b l ep i t c hv s c f w i n dp o w e r t e c h n o l o g yt o b et h et r e n d si nt h ef u t u r e ，a n dt h ed o u b l y f e di n d u c t i o nw i n dp o w e r t e c h n o l o g yu s e di nag r o w i n gn u m b e ro fl a r g e s c a l ew i n dp o w e re q u i p m e n t c o m p a r e dt o p e r m a n e n tm a g n e t i cd i r e c t d r i v es y s t e m ，t h ec o n v e r t e ro fd o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r e x c h a n g eo n l yn e e d1 4o ft h ep o w e rc o n v e r s i o n , a n dt h u sh a v eb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f c o s ta d v a n t a g e si nt h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e m s t h i st o p i ci st h er e s e a r c ha n da n a l y s i so f g i r d s i d ec o n v e r t e ri nd o u b l y f e di n d u c t i o nw i n dp o w e rs y s t e mo n t h e s eb a c k - g r o u n d 。 t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no f w i n dp o w e rt e c h n o l o g y ，a n a l y s e dt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fd o u b ef e di n d u c t i o nw i n dp o w e rs y s t e m a n dt h e nc o m p a r e dw i t h d i f f e r e n tc o n t r o l i n gs t r a t e g yo fg r i d - s i d ec o n v e r t e ri nd o u b l ef e di n d u c t i o nw i n dp o w e rs y s t e m , b u l i tt h em a t h m a t i cm o d e la n dc o n t r o l i n gd i a g r a mb a s e di nv o l t a g ea n dc u r r e n tc l o s e d l o o p s t r a t e g y u s i n gt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r eg e tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h e nt h ec o n v e r t e r w o r k i n gi nu n i tp o w e rf a c t o rr e c t i f ya n di n v e r s i o n , t h ec h a n g i n gf r o mr e c t i f yt oi n v e r s i o na n d r e m o v i n gl o a ds u d d e n l y 。s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t i o na n dv a l i d i t yo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g y o nt h i sb a s i s ，ad s p c o r e ds t r u c t u r e ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) o fg r i d s i d ec o n v e r t e rc o n t r o l c i r c u i th a sb e e nb u i l d e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l i n go fv o l t a g ea n d c u r r e n tc l o s e d 1 0 0 ps t r a t e g yi n p l e m e n tt h ed c s i d ev o l t a g et r a c k i n gg i v e nv a l u e ，a c t i v ec u r r e n t a n dr e a c t i v ec u r r e n t si n d e p e n d e n tc o n t r o l i n ga n dt h ee n e r g yb i d i r e c t i o n a lf l o we f f e c t i v e l y t h e h a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e mi m p l e m e n t st h ep r o t e c t i o no ff a u l td e t e c t i o na u t o m a t i c l ya n dt h e s v p w m o u t p u tc o n t r o if u n c t i o n s k e yw o r d sw i n dp o w e rs y s t e m ；d o u b l e - - f e di n d u c t i o n ；g r i d s i d e c o n v e r t e r ；v o l t a g ea n d c u r r e n tc l o s e d l o o p 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：丑堑i 氐础彩孚年弓月弓7 日 学位论文使用授权声明 本人丑纽乏逸在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士，硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：二；庭导师签名： 庞绷 7 护p g 年弓月弓日 1 绪论 1 绪论 1 1 风力发电研究的背景和意义 目前世界能源主要来自石油、煤、天然气或核能。石油危机已经显现，高昂的石油价 格势必将严重影响世界经济。而燃煤又产生大量的污染使得环境遭到污染，煤的应用受到 了越来越多的限制。核能发电如何处理核废料是主要问题，处理费用远高于建造成本。这 些不可再生资源又面临枯竭，不能在长时间内充当能源主力军，能源危机正向人类袭来。 各国对能源的争夺，将是未来全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧 效率以减少资源消耗，实现清洁煤燃烧以减少污染；二是开发新能源，积极利用再生能源； 三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能n 1 。 风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。作为可再生能源的风力资源 以其蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染等优势越来越多的受到人们重视，因此风 力发电在各国得到了迅速的发展。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2 转化为风 能，但其总量仍是十分可观的，全球可利用的风能为2 x1 07 m w ，比地球上可开发利用的 水能总量还要大1 0 倍乜1 ，风力发电的装机容量可达1 0 t w ，每年可发出电力1 3 p w h 。 虽然风能资源还有密度低，不稳定，地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡它快速发展的 强劲势头3 。与火力发电相比，风力发电主要有不消耗资源、不污染环境、建设周期短、 装机规模灵活、可靠性高、造价低、运行维护简单、占地面积小、发电方式多样化等优点 【4 l o 1 2 国内外风力发电的现状和趋势 1 2 1 世界风力发电的现状 欧洲引领全球风电市场，截止到2 0 0 5 年底，欧洲风电总装机容量超过4 0 5 0 万千瓦， 占全球总容量的6 9 ，提供了欧洲近3 的电力。伴随风电产业的快速发展，以欧洲为代 表的风电开发利用率较高的国家也是风电设备研究和制造技术最发达的地区。以v e s t a s 、 g a m e s a 、e n e r c o n 等为代表的优势企业脱颖而出，逐步确立了全球的领先优势，并形成较 为稳定的市场竞争格局。2 0 0 6 年，欧洲风电装机容量再创新高，新增7 5 8 8 兆瓦，总价值 9 0 亿欧元，较2 0 0 5 年增长了2 3 。如表1 1 所示，德国、西班牙、美国、印度、丹麦继 续保持前五的位置，分别占全球份额的2 7 8 、1 5 6 、1 5 6 、8 4 、4 2 ；由于美国 去年一年的新增机组安装量大幅提升，其总装机容量已经非常接近西班牙，而在五国之后， 中国超越了意大利和英国，以2 ，6 0 4 m w 的装机容量和3 5 的份额名列第六，葡萄牙和法 国则分别以1 , 7 1 6 m w 、1 ，5 6 7 m w 的装机容量和2 3 、2 1 的份额取代了2 0 0 5 年第9 ， 第1 0 位的日本和荷兰5 - 7 1 。 西安理工大学硕士学位论文 表i i2 0 0 6 年风电机组累计安装量前十个国家( 截至2 0 0 6 1 2 ) t a b 1 - 1t h et o pt e nc u m u l a t i v ei n s t a l l e dc a p a c i t yo ft h ew o r l di n2 0 0 6 总容量m w 市场份额 德国2 0 6 2 22 7 8 西班牙 1 1 6 1 51 5 6 美国1 1 6 0 31 5 6 印度6 2 7 08 4 丹麦 3 1 3 6 4 2 中国2 6 0 43 5 意大利 2 1 2 3 2 9 英国 1 9 6 3 2 6 葡萄牙 1 7 1 6 2 3 法国 1 5 6 7 2 1 世界其他国家 1 1 0 0 4 1 4 8 从全球风电发展的格局看，除了欧洲市场发展较为成熟外，其风电装机容量己相当于 2 5 座核电站的发电量，亚洲、非洲等其他地区的风电仍处于起步阶段，全球风电占所耗 能源的比重仍相当低，比例大概在0 5 ，后续发展的空间很大，风力发电正成为各国争 相发展的新兴能源。 世界风力发电正以迅猛之势向前发展，全世界装机容量年均增长3 0 0 万千瓦，平均增 长速度在2 7 以上，预计到2 0 2 0 年风电将达到世界电力总量的1 2 。 1 。2 。2 我国风力发电的现状 在我国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、 东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高， 雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区， 由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖 地区以及湖北省通山地区阳1 。 到2 0 0 6 年底，全国风电装机容量己达到2 6 0 万k w ，比2 0 0 5 年增长1 0 5 ，列世界 第六位。至2 0 0 6 年底，全国累计3 3 ll 台风电设备分布在1 6 个省的9 1 个风电场。2 0 0 7 年l 6 月，中国进口风力发电机组的数量总计为6 1 0 台千瓦，用汇1 9 0 ，5 1 9 ，3 5 4 0 0 美元。 2 0 0 7 年l 6 月中国出口风力发电机组的数量总计为2 8 1 8 台千瓦，创汇金额总计为 2 ，1 5 0 ，8 6 6 0 0 美元。中国在2 0 0 6 年中新装机量达l ，3 4 7 m w ，跟2 0 0 5 年的新装机量相比增 幅为7 0 。这使中国的总装机容量为2 6 0 4 m w ，排行全球第六大市场。到2 0 1 0 年，中国 的风电装机目标为5 0 0 0 m w ，根据目前的形势估计这个目标会提前达到。 我国风电事业虽然有所发展，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，发展速度 太慢。存在的主要问题主要有：( 1 ) 、对风力发电认识不够，缺乏认同，没有把它当成我 2 1 绪论 国可再生能源利用的重要生力军。( 2 ) 、国家在政策上也缺乏相应的支持，缺少明确的发 展目标，导致在全国，都普遍存在着风电产业“入不敷出 的困局9 1 。( 3 ) 、发电设备国 产化水平低。目前，大型风电设备基本靠进口，对外依赖性强，导致上网电价远高于煤电， 在市场上没有竞争力。 但正是风电行业投资的高风险，必然为风电行业发展带来高收益，不论是风电产业的 经济效益、对社会的效益，还是中国目前奉行的可持续发展和节约战略，这些都为发电行 业提供了很大的发展空间。 1 2 3 风力发电技术的研究现状 风力发电机组主要包括风力机、发电机、风速测量装置、交直流变换器，电控系统等。 风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，风力发电机组整体结构框图如图1 1 所 示。 图卜1 风力发电机组 f i g ，1 - 1t h ew i n dp o w e rs y s t e m a 、风力发电相关基本理论 风力发电就是将风能转化为机械能进而将机械能转换为电能的过程，风力机作为风力 发电系统的关键部件之一，直接影响着整个风力发电系统的性能和效率。风轮机通过叶轮 捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋 转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数g ： c ，= e e 。= 已只 ( 1 。1 ) 式中：e l t 时间内叶轮吸收的风能： 五，广f 时间内通过叶轮旋转面的全部风能： 尸m 一单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率； p 。一单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。 对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率p 卅的表达式为： 己= o 5 p a c p v 3 = 詈加2 v 3 c p ( 1 2 ) 式中p 为空气密度( k g m 3 ) a 一叶轮的扫风面积( m 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 d 叶轮直径( m ) 系数0 反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均 有关系的量，影响风能利用系数的有两个主要因素： ( 1 ) 、风轮机叶片的叶尖速比五( 风轮机叶片尖的旋转线速度与风速的比值) 可表示为 式( 1 3 ) ： 五：等 ( 1 3 ) ，w 式中：足一叶片半径，单位为m ； 国。一风力机叶片旋转角速度，单位为r a d s 。 匕一风速，单位为m s ( 2 ) 、叶片的桨距角( 叶片的翼弦与水平面的夹角，如图l 一2 所示) 图1 2 风力机叶片桨距角 f i g 1 - 2b l a d ep i t c ha n g l eo ft h ew i n dt u r b m e c p 与桨距角夕、叶尖速率比旯的非线性关系表示为式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) m m ，关系曲线 如图1 - 3 所示。 c p ：o 2 2 ( _ 11 6 - o 4 p 一5 ) p 一百1 2 3( 1 4 ) 其中i 1 = 丽1一而0 0 3 5 ( 1 5 ) 元五十o 0 8 夕3 + 1 r 4 图1 3 风力机性能曲线 f i g 1 3t h ep e r f o r m a n c ed r a w i n g b yt h ew i n d t u r b i n e 1 绪论 b 、国内外风力发电技术现状和趋势 风力发电的历史不长，但通过近二十年的发展，风力发电在技术己取得了巨大的进步， 逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式，近年来，世界风力发电技术得 到了飞速发展，单机容量不断上升，变桨距变速恒频方式迅速取代定桨距恒速恒频方式， 在未来数年的趋势可表现为：l 、风力发电从陆地向海面拓展。2 、单机容量将进一步增大。 3 、新方案和新技术将得到更多的应用。4 、个性化和适合特定市场、风况的风电机组将更 多地被推出。 我国在2 0 世纪7 0 年代就开始研制大型并网型风力发电机组但直到9 0 年代风力发电 才真正从科研走向市场，在国家有关部委的支持下，额定功率6 0 0 k w 的风力发电机组已研 制成功，并开始研制兆瓦级风力发电机组，虽然我国近几年风电发展很快，但与国外相比， 我国在风力发电技术的研究上比较落后，企业生产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产 品国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。总 体上，我国风力发电技术的研究仍处于起步阶段。 目前在风力发电技术上，按照投入运行的风电机组的风轮机机主要分为两类：一类是 定桨距失速控制，另一类是变桨距控制，而按照发电机运行的方式来分主要有恒速恒频风 力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。 恒速恒频风力发电系统一般是通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在 恒定。定桨距失速控制的主要特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，风速变化时，桨叶的迎 风角度声不能随之变化，风机的功率调节完全依靠叶片的空气动力学特性，其输出功率随 风速改变而改变，从g 的关系看，难以保证在额定风速之前c 口最大。 变速恒频风力发电系统是通过变桨距控制风轮使整个系统在很大速度范围内按照最 佳效率运行的方式，变桨距风机在定桨距基础上加装了桨距调节结构，通过对桨距进行调 整来提高风能转换效率，其输出功率比定桨距失速控制风机平稳的多。在额定风速以下时 攻角处于零度附近，此时，叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同 于定桨距风机，这时通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最 大限度地利用风能，提高风力机的运行效率。而在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用， 调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围以内1 1 3 1 0 这样的控制方式可以使发电 机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不 需要过载能力大的发电机，实现了在很大的风速范围内按最佳效率运行，从风能中获取了 更多的能量1 1 4 - 1 6 1 0 因此，变速恒频方式正在取代恒速恒频方式。自2 0 世纪9 0 年代开始， 国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是m w 级以上的大容量风电 系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。这是当前风力发电发 展的一个趋势。 变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构，目前对于变 速恒频风力发电系统按照其所采用的发电技术主要分为两种：低速永磁同步发电系统和双 西安理工大学硕士学位论文 馈异步风力发电系统。 ( 1 ) 低速永磁同步风力发电系统 该系统所采用的发电机为永磁同步发电机( 如图l 一4 所示) ，转子为永磁式结构，无 需外部提供励磁电源。其变速恒频控制在定子电路实现，因此变换器的容量与系统的额定 容量相同。该方案的优点是：采用永磁发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去 齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样减小了系统运行噪声，提高可靠性。主要缺点是尽管 实现了直接耦合，但是永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高。 图l 一4 变速恒频水磁i 司步风力发电机系统 f i g 1 4p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sw i n dp o w e rs y s t e m ( 2 ) 双馈异步风力发电系统 双馈异步风力发电系统如图1 5 所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈异步发电机 ( d f i g - - d o u b l e f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ) ，其结构与绕线式异步电机类似，但转子上需要 有3 4 个滑环。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通 过变换器从转子输出的功率。风力机的机械速度是允许随着风速而变化的，通过对发电机 的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数， 获得最大的风能利用l i t | 。 双馈异步发电机的变速运行是建立在交流励磁变速恒频发电技术基础上的，交流励磁 变速恒频风力发电是在异步发电机的转子中施加三相低频交流电流实现励磁，定子绕组接 电网，转子绕组由一套交一交或交一直一交变换器提供励磁电流，调节励磁电流的幅值、 频率、相位，确保发电机输出功率恒频恒压，同时采用矢量变换技术实现发电机有功、无 功功率的独立调节。调节有功功率可调节风力机转速，进而实现最大风能捕获的追踪控制； 调节有功功率可调节电网功率因数。由于变换器只需供给转差功率，大大减少了容量的需 求，这是变速恒频中的优化方案。 6 图1 5 变速恒频双馈异步风力发电机系统结构框图 f i g 1 - 5d o u b l ef e da s y n c h r o n o u sw i n dp o w e rs y s t e m 1 绪论 当风速发生变化时，系统为了得到恒频输出，由变换器提供的低频励磁电流在转子中 形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度疋，与转子机械转速。厶相加等于定子磁场的 同步转速，即： 五可一蛳( 1 6 ) 式中：力为电网频率( h z ) ； 为转子旋转频率( h z ) ，厶= 觚力删为发电机机械转速( 转分) ： 尸为电机极对数； 办为转子电流频率( h z ) ； 从而发电机定子感应出工频电压。当风速变化引起发电机转速厶变化时，改变转子 绕组电流的频率和旋转磁场的转速，可使定子旋转磁场万保持恒定，达到变速恒频的目 的。在不计铁耗和机械损耗的情况和忽略定转子铜耗的情况下，可以得到双馈发电机的能 量流动关系： + 最鼻( 1 ，7 ) 慢明 、。 式中只础一转子轴上输入的机械功率 只一转子励磁输入的电功率 曰一定子输出的电功率 5 一转差率 当发电机转速1 7 低于气隙旋转磁场转速刀，时，发电机处于亚同步速运行，此时 s o ， 2 0 ，变换器向发电机转子提供正相序励磁，送入有功功率，式取正号：当发电机转速 ”高于气隙旋转磁场转速i v l j 时，发电机处于超同步速状态，此时s 0 ，p 2 f ，+ f 。，2 则通过改变变流器的开关状态使之减小，反之f o ，则b = i ，否则b = o ；如3 圪+ 瓦，取石= 7 ：( 7 ：+ 互) ， 1 9 2 0 西安理工大学硕士学位论文 乏= 石7 三( 石+ 正) b 1 、3 2 1 。 表2 - 2 互和正赋值表 婴：! ：! 堡竺! 堡竺竺! 竺望塑! 竺! ：竺! ! ： 扇区号 ii ii i ii vvv i 图2 一1 61 1 、下2 和t a 、t b 、t c 计算模型框图 f i g 2 - 1 6t h ec a l c u l a t i o nb l o c ko f t l 、t 2a n dt a 、t b 、t c 经过矢量作用时间的计算，则可根据扇区号分组表计算处矢量所在扇区，如表2 3 所 示，并利用m a t l a b 函数模块计算出各矢量切换点( 如图2 1 7 a 和2 1 7 b ) ： 表2 3 计算扇区号 t a b 2 3t h es e c t o rc a l c u l a t i o n ( b ) 计算t a 、t b 、t c t c ( b )计算时间切换点t o m l 、t o m 2 、t o m 3 图2 1 7 计算矢量切换点模块 f 远。2 - 17t h ec a l c u l a t i o no fv e c t o rs w i t c h i n gs p o t 2 双馈异步风力发电系统网侧变换器的基本理论及仿真 根据以上各模块，则计算s v p w m 的模型图如下所示： 图2 1 8s v p 帅im a t l a b s i m u l i n k 模型图 f i g 2 - 18s v p w mm o 如1i nm a t l a b s i m u l i n k 2 4 三相p w m 变换器的参数选取 由于课题研究的风力发电机网侧变换器是通过电抗器与电网相连接，它的模型主要涉 及到：直流侧电压，直流侧电容，交流侧等值电抗等参数。 2 4 1 三相p w m 变换器直流侧电压的选取原则 根据三相p w m 变换器相电压矢量图所示，直流侧电压在满足负载要求的同时，必须 满足相电压矢量关系，则有直流侧电压值下限： 历 其中： u 。为交流侧相电压 移为变换器的功率因数角 圪为直流侧输出功率 根据交流侧功率与直流侧功率平衡的公式有： 堕：! 型至丝生二丛：! 2 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 得到电压上限为： 厅矿一 秀电 ( 2 2 2 ) 经运算，并结合实际仿真效果，在本方案中直流侧电压选取为3 0 0 v 。 2 4 。2 三相p w m 变换器交流侧电感的选取原则 三相p w m 变换器应在满足瞬态电流跟踪指标要求的同时，也应该满足抑制系统谐波 电流的电感设计。 a 满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计 当变换器交流侧相电流为零时，其电流变换率最大，此时电感应足够小，以满足快速 电流跟踪的要求，另一方面，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足 2 l 西安理工大学硕士学位论文 够大，以满足抑制谐波电流的要求。图2 1 9 是交流侧单相电流过零时和峰值时在一个 p w m 周期中，电流的跟踪波形示意图： ；s 。= l 铲。广? ( a ) 电流过零( c o t = 0 ) 处一个p w m 开关周期( ”电流峰值( c o t = 万2 ) 处一个p w m 开 i s 中的电流跟踪波形关周期t s 中的电流跟踪波形 图2 1 9 电流过零或峰值处开关周期波形图 f i g ，2 1 9c u r r e n tt r a c k i n gw a v e f o r m si nas w i t c h i n gp e r i o d st sa tc o t = 0a n dc o t = 冗| 2 考虑电流过零处 ，= 0 ) 处附近一个p w m 开关周期t 中电流跟踪过程，其波形图如 图2 1 9 a 所示，稳态条件下，当0 t 石时，s a = 0 ，有： 一已= 孚( 毛+ s o 争 ( 2 2 3 )一已= ( 毛与( 2 2 3 ) 当石t 正时，已= l ， 一屯= 孚( 一2 + 毛+ ) 今 ( 2 2 4 ) 若要满足快速跟踪的要求，则必须有： 幽掣，。国 (225)t 1jj 综合以上两式，并考虑黾2 鬈2l ，得：三三三葛，当五= i 时将取得最大电流变化 率：l 竺量 3 1 , o b 满足抑制谐波电流时电感的设计 下面考虑抑制谐波电流时电感的设计，考虑电流峰值( c o t = 7 r 2 ) 处附近一个p w m 开 关周期中的电流跟踪瞬态过程，其波形示意图如图2 1 9 b 所示， 稳态条件下。当0 t 巧时，s a - - 0 有： 一& = e + 孚( + s b + 毛) 争 ( 2 2 6 ) 、 ) l 当墨t e 时，屯= l ，有 2 双馈异步风力发电系统网侧变换器的基本理论及仿真 v - s , = e + 詈- ( - 2 + s b + s o m 等 考虑到电流峰值附近个开关周期中，有 i i = i 鸹i ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 综合上面两式，且考虑到= s 。= 0 ，即得： l ：丛2 上生 ( 2 2 9 ) 6 f l 6 a i r 一 、 因此满足上面两方面性能的三相p w m 变换器电感取值范围为： 上生l 竺量( 2 3 0 ) 6 吒。 3 i m o 、7 根据所选参数和滤波效果，本方案选择l = 5 m h 。 2 4 3 三相p w m 变换器直流侧支撑电容的设计 三相p w i v l 变换器直流侧电容主要有缓冲交流侧与直流负载之间能量交换、稳定直流 侧电压和抑制直流侧谐波电压的作用，从满足电压环控制的跟踪性能指标，直流电容应尽 可能小，以确保直流侧电压快速跟踪性能，而从满足电压环控制的抗干扰性指标分析，直 流侧电容应尽可能大，以限制负载扰动时的直流电压动态降落3 3 3 们。 ? 当考虑到直流电压控制环响应时间乃，和直流侧输出功率匕，则电容上能量变化近 似为： 形= 等 (231 ) 则直流侧电压变化量： 吃：筹 ( 2 3 2 ) 乙y 出 若规定了电容电压波动上限，便可以得到电容计算表达式： c 垒互3 ) 2 v a 吃 、7 从实际试验情况来看，电容值越大滤波效果越好，但从价格来看电容值不宜太大，在 综合价格因素在满足系统性能要求的前提下，越小越好，这里选择电容为3 3 0 0 p f , 耐压值 为4 5 0 v 。 2 5 网侧变换器的数学建模 2 5 1 基本的坐标变换关系 在三相电压型p w m 变换器的设计中，由于变换器交流侧均为时变交流量，不利于系 统设计，因而一般通过坐标变换将三相对称静止a b c 坐标系转换成以电网基波频率同步旋 转的由坐标系，经过坐标转换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步 旋转坐标系中的直流变量，从而简化了设计，而在三相p w m 变换器建模的过程中，常用 到的坐标变换有将三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的妒变换( c l a r k 变换) ( 图 2 - 2 0 a ) 、由三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系的由变换( p a r k 变换) 和由两相静止垂直 坐标系到两相同步旋转坐标系的变换( 图2 - 2 0 b ) ，而上述变换又分为等幅值变换和等功 西安n _ t - 大学硕士学位论文 率变换，而坐标变换又是通用矢量( 所谓通用矢量是指三相物理量可以用一个空间旋转矢 量在三个静止对称坐标轴a b c 上的投影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量即称为通 用矢量。) 分解等效的结果，等幅值坐标变换，是指在某一坐标系中的通用矢量与变换后 的另坐标系的通用矢量相等的坐标变换，而等功率坐标变换是指坐标变换前后功率相等 的坐标变换，而它们之间也只是相差一个乘积系数。为了统一和运算方便，以下坐标变换 都选择等功率坐标变换。 g 8 翔 3 0 0 v 的直流反电动势，此时，由图2 2 9 可以看出电网相 电流在很短的时间内有与电网同相变为与电网反相，此时由单位功率因数整流转变为单位 功率因数逆变，系统有功电流也由正变为负，有功功率在加反电动势之前为正值，而在加 反电动势之后变为负值，说明能量有从电网流向直流侧负载转变为从直流侧向电网反馈能 量，实现了短时间内能量的双向流动和有功功率和无功功率的解耦控制，此时直流侧电压 经过短暂的向上微小的波动，大概在0 0 3 s 重新稳定在3 0 0 v ，证明了系统短时间响应速 度较快，动态性能较好。 通过在这四种情况下的仿真试验，可以看出交流侧输入电流正弦，频率与电网频率同 步，直流侧电压稳定，有功功率和无功功率可以独立控制，并且具有较好的静态和动态特 性，在这四种状况下均对交流侧a 相相电流进行傅立叶频谱分析，可以得到t h d 值均小 于3 ，符合国家关于电网电流谐波t h d 值控制在5 以内的要求。由此实现了网侧变换 器的控制目标，验证了所建模型的正确性。 2 7 本章小结 _ 本章节首先分析了双馈异步风力发电系统能量流动的关系，阐述了在能量双向流动的 情况下，双馈异步发电机交流励磁系统三相p w m 变换器的工作原理，接着对比分析了三 3 2 2 双馈异步风力发电系统网侧变换器的基本理论及仿真 相p w m 变换器常用的控制策略，阐述了间接电流控制和直接电流控制方式的优缺点，且 电压电流双闭环控制策略是最优的控制策略。 建立了网侧变换器在三相静止坐标系下的数学模型，为了更方便的利用电压电流双闭 环控制策略，分析并建立了网侧变换器在与电网电压矢量同步旋转坐标系下的数学模型， 在同步坐标系下系统有功和无功分量的控制得到解耦，建立了网侧变换器的控制框图，并 采用s v p w m 的触发方式控制功率器件的开通和关断，具体分析了s v p w m 触发原理并 搭建了s v p w m 的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模