（电力电子与电力传动专业论文）风力发电并网逆变器的小惯性电流跟踪控制.pdf

摘要 控制方法。在状态空间平均法模型的基础上推导了脉宽计算 公式，且在小惯性电流跟踪控制方法下，电感参数和交流电 压测量的不准确不会对控制性能造成影响。 在分析了并网逆变器和小惯性电流跟踪控制方法的基础 上，论文阐述了应用小惯性电流跟踪控制方法实现d s p 控制 系统的硬件结构。系统控制电路中的微处理器采用数字信号 处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。论文介绍了d s p 芯片的特点， 然后介绍了系统硬件中几个主要电路，如采样信号的调理电 路、i g b t 故障检测电路、过零点检测电路、防止贯穿导通电 路及i g b t 驱动电路等的设计。 论文阐述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现小惯性电流跟踪控 制的d s p 程序设计。控制系统软件包括主程序和中断程序。 主程序中包括d s p 初始化和保护子程序，中断程序包括同步 信号检测和脉宽计算子程序。给出了控制系统主程序和中断 程序的流程图。 最后，在调试了部分硬件电路的基础上，根据编写的d s p 控制程序，采用小惯性电流跟踪控制进行了实验，给出了实 验波形并对结果进行了分析。实验证明，本文采用小惯性电 流跟踪控制方法取得了较好的控制效果。 北京交通大学硕士学位论文 摘要 关键词：并网逆变器，d s p 控制，小惯性电流跟踪，风力发电 北京变通大学硕士学位论文 a b s t r a c t s m a l lin e r tiac u r r e n tt r a c kln gc o n t r o l f o rt h eg rld c o n n e c t e din v e r t e r nw i n d e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i n dp o w e ri so n eo ft h ec l e a n e s te n e r g ys o u r c e ， a n dw i n d e n e r g yg e n e r a t i o ni st h em o s te c o n o m i c a lf o r mo ft h et a p p i n gt h e w i n de n e r g yo na 1 a r g es c a l e t h et r e n d so ft h ew i n de n e r g y g e n e r a ti o nt e c h n 0 1 0 9 ya r eh i g hp o w e ra n dv a r i a b l es d e e df u n c t i o n t h ep w mc o n v e r t e ru s e da st h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rh a st ob e c o n t r 0 1le dt om a i n t a i n c o n s t a n td cli n k v o l t a g e k e e p i n g s i n u s o i d a la cc u r r e n ta tu n i t yp o w e rf a c t o r t h es m a l1i n e r t i a c u r r e n tt r a c k i n g ( s i c t ) c o n t r 0 1s t r a t e g yi se m p l o y e dt oc o n t r o l t h ea cc u r r e n tw i t hb i d i r e c t i o nh i g hd y n a m i cf e a t u r e sa taf i x e d s w i t c h i n gf r e q u e n c y i n t h i st h e s i st h ep r i n c i p l ea n d t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h es i c tc o n t r o ls t r a t e g ya r ep r e s e n t e d i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fw i n de n e r g yg e n e r a t i o ni n o u rc o u n t r ya n da b r o a di ss u 硼a r i z e df i r s t ，a n dt h ep r o s p e c to f w i n de n e r g yg e n e r a t i o ni no u rc o u n t r yi si n t r o d u c e d 0 nt h eb a s i s o ft h es u m m a r yf o rt h ed e v e l o p m e n to f w i n de n e r g yg e n e r a t io n ，t h e a c t u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fw i n dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e di nb r i e f 工nt h i s t h e s i s ， t h ev a r i a b l e s p e e dw i n d 北京交通大学硕士学位论文 e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mi sc o m p a r e dt oc o n s t 8 n t s p e e d i nt h e v a r i a b l e s p e e dw i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m ，a g n e ti c f i e l d m o d u l a t i o n g e n e r a t o rs y s t e m ，p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o rs y s t e ma n dd o u b l y f e di n d u c t i o nm a c h i n es y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h e n ，t h es t r u c t u r eo ft h ed i r e c t d r iv ew i n d g e n e r a t i o ns y s t e md i s c u s s e di nt h i st h e s i si sp r e s e n t e d i nt h i st h e s i s ，t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h er n a i nc i r c u i t o ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri sd i s c u s s e di n d e t a i l ， a n d s e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra r e a l s oi n t r o d u c e d t h e nt h es i c tc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e d t h e s t a t es p a c ea v e r a g em o d e lo fp w mc o n v e r t e rw a su s e dt oa n a l y z e t h ec u r r e n tp w mm e t h o do fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ，w h i c hi ss i c t c o n t r 0 1 t h er o b u s t n e s so fs i c tc a nb e p r o v e d ， t h a ti st h e i n a c c u r a t e n e s so fi n d u c t a n c ep a r a m e t e rd e t e c ta n da c v 0 1 t a g e d e t e c tw i l ln o ti n f l u e n c et h ec o n t r 0 1p e r f o r m a n c e o nt h eb a s eo fa n a l y s i so fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra n ds i c t c o n t r o ls t z a t e g y ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ed s pc o n t r o l s y s t e mw h ic he m p lo y st h es i c tc o n t r 0 1s t r a t e g yisp r e s e n t e d d s p t f s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da sm i c r o p r o c e s s o ri nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed s pc h i pi si n t r o d u c e d ， t h e ns e v e r a l i f r l p o r t c i r c u i t so ft h eh a r d w a r e ， s u c ha sf e e d b a c ks i g n a l 【o d if i c a t i o nc i r c u i t ， i g b tf a u l ts i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ， z e r o c r o s s i n gs i g n a l d e t e c t i o n c i r c u i t ，p r e v e n t i n g s h o o t t h r o u g h f a u l tc i r c u i ta n di g b t d r i v ec i r c u i t a r e i n t r o d u c e d 北京交通大学硕士学位论文k 醛疆r a d ：飞 s e q u e n t l y ， t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at oi m p l e m e n ts i c tc o n t r o li sd i s s e r t a t e d t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sm a i np r o g r a ma n d i n t e r r u p tp r o g r a m t h e【l a i n p r o g r a m c o n s i s t so fd s p l n i t i a l i z a t i o na n dt h ep r o t e c t i o ns u b r o u t i n e t h ei n t e r r u p t p r o g r a m sc o m p r i s es y n c h r o n o u ss i g n a ld e t e c t i o ns u b r o u t i n ea n d p u l s ew i d t hc a l c u l a t i o ns u b r o u t i n e t h es o f t w a r ef l o wc h a r t so f a i np r o g r a ma n di n t e r r u p tp r o g r 鲫sa r eg i v e n a tl a s t ，o nt h eb a s eo fd e b u g g i n gp a r to fh a r d w a r ec i r c u i t s ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi s i m p l e m e n t e de m p l o y i n gt h es i c t c o n t r o ls t r a t e g yo nt h ed s pc o n t r o ls y s t e m t h ee x p e r i e n t a l w a v e sa r ei 1 1 u s t r a t e da n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa r e a n a l y z e d i ti sd e m o n s t r a t e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tah i g h c o n t r o lp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e db ye m p l o y i n gt h es i c tc o n t r 0 1 s t r a t e g yi nt h i st h e s i s k e y w o r d s ： g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ， d s pc o n t r o l ，s m a l li n e r t i a c u r r e n tt r a c k i n g ， w i n de n e r g yg e n e r a t i o n 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 风力发电概述 在来自太阳的辐射中，大约有2 0 9 6 被地球大气层吸收。这些被吸收 的辐射能使大气层被加热，因太阳照射而受热情况的不同，地球表面各 处产生温差，从而产生压差，进而形成大气流动，从而形成风。流动的 空气所具有的能量即称为风能。风能是一种可再生能源，它和存在于自 然界的煤炭、石油、天然气等化石能源不同，不会随着其本身的转化和 人类的利用而日趋减少。风能又是一种过程性能源，它不能赢接储存起 来，只能转化成其它形式的可以储存的能量才能储存。 地球大气中蕴藏着巨大的风能资源，据估算约有2 1 0 1 0 k w ，这是 大自然赋予人类的一笔宝贵能源。人类利用风能的历史十分悠久，早在 1 0 世纪的波斯就已经出现了水平转动的风磨，1 2 世纪欧洲也出现了用 于抽水、碾磨谷物的风车：我国早在1 7 0 0 多年前就已开始利用风能作 为动力，后汉刘熙所著的释名中就有“随风张幔日帆”的记载。到 明代已掌握了将气流的直线运动转变为风车轴旋转运动的方法，明崇祯 l o 年( 1 6 3 7 年) 完成的天工开物上有“扬郡以风帆数页，俟风转 车，风息则止”的记载，这说明人类在风能的利用上又前进了一大步。 在古代，除人力和畜力外，风车一直是主要的动力机械之一。 随着国民经济的持续发展，能源危机的阴影正日益困扰着人类的生 产和生活，为了解决这个问题，人们开始把目光投向风能这种取之不尽、 用之不竭的清洁能源。如果把全世界风能理论蕴藏量的百分之一、二用 于发电，即可为当今世界经济发展提供强大的动力支持。特别是我国疆 域辽阔，沿海各省及西北省区均蕴藏有非常丰富的风能资源，如果能因 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 地制宜地逐步开发、利用风能，不仅可以扩大能量来源、节约矿物资源， 而且还有助于解决边远地区孤立用电者的供电需要，具有现实的社会和 经济意义。 能源危机和环境保护问题困扰世界的同时也给诸多科技领域施加 了动力并提供了广阔的市场。电气工程专业是其中一个受益者。电力电 子技术，自动控制技术和微电子技术相结合进行技术创新，以实现对可 再生能源向电能的最佳转换和最优控制，使开发商获取最大经济和社会 效益。 1 1 1 世界风力发电现状 风能是最洁净的能源之一，风力发电是大规模利用风能最经济的方 式。经过1 0 0 年的发展，风力发电取得了很大进展，风电技术已经成熟。 特别是近几年，在世界上形成了一股风力发电热，风力发电量增长速度 居全球其他能源发电量之首。 国际能源研究报告表明，如果各国采取有力措施，风力发电到2 叭o 年可提供世界电力需求的1 0 ，创造1 7 0 万个就业机会，并在全球范围 内减少1 0 0 多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源，到2 0 l o 年风电总装机容量达到4 0 o o g w ，2 0 2 0 年达到o 1 t w ，到2 0 1 0 年德国 新增5 0 0 万千瓦，西班牙新增5 2 0 万千瓦，年生产能力将达8 0 0 万千瓦， 可满足全国电力需求的l0 9 6 ，美国将新增风电装机5 2 8 5 万千瓦。随着 技术的进步和规模的扩大，风电发电成本继续下降，估计l o 年后它可 以完全和清洁的燃煤电厂竞争 2 。 风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组 仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大，对系统的 影响日益明显。人们已经开始利用天气预报的技术预测风电场功率输 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 出，以优化运行速度。 由于6 0 0 k w 级大型风力发电机组技术成熟，正在大批量生产， 2 0 0 0 k w 级风力发电机组不久将投入商业运行，风力发电的造价由现在 的l o o o 美元k w 有可能下降为6 0 睢8 0 0 美元k w ，发电成本从现在的 4 5 美分( k w h ) ，下降到3 4 美分( k w h ) 【3 】，风力发电规模经济效 益更加明显，可以和火电、水电、核电相竞争，这也是其它新能源所无 法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源，其环境效益也十分明显， 随着风力发电技术的日益成熟，发电成本的进一步降低，风力发电会越 来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的 主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收 益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风 力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。有专家预测，到2 0 0 0 年，风力发电设备年产值将达到5 0 亿美元，到2 0 0 5 年，将再增加一位， 达到1 0 0 亿美元。上述分析表明，2 1 世纪全世界风力发电将有更大的 发展，2 1 世纪将是风力发电更加辉煌的新纪元。 1 1 2 我国风力发电现状及展望 我国是一个风力资源丰富的国家，全国约有2 3 的地带为多风带。 风能总储量为3 2 2 6 亿干瓦，实际可开发的风能储量为2 5 3 亿千瓦 2 ， 为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带 西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区，跨全国2 1 个省、 市、自治区。到1 9 9 9 年底已开发微小户用型风力发电机1 6 万台，并网 型风电场2 4 座，总装机容量2 6 万千瓦，其中绝大多数机组是从丹麦、 德国、美国、比利时、瑞典引进的，最大单机容量为6 0 0 k w 。毫无疑问， 中国风能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括资金和 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比，它会缺乏 竞争力。但从可持续发展的目的出发，从中央到地方的各级政府已对这 些资源的开发给予了关注。 风能是我国目前最有开发利用前景的一种新能源。中国目前风电装 机容量虽远少于上述国家，但近几年来风电发展迅速，预计到2 0 0 7 年 新增风电装机容量累计达4 7 0 万千瓦以上。提高单机容量和实现风电机 组国产化，成为我国风电发展的关键。单机功率的提高，可以降低风电 发电成本。选择国际上技术比较成熟的8 0 0 l o o o k w 级的风电机组，加 快其国产化进程，是我国风电机组制造业尽快走上成熟的有效途径。 鉴于上述情况，研究开发出适合我国国情，性能优良、质量可靠、 价格合理的m 1 v 级风力发电系统，将对我国的能源、节能事业起到有力 的促进作用。特别是对我们这样一个能源贫乏，利用率低的圆家，更具 有重要的现实意义和深远的社会意义。 国家科技部根据我国对后续能源的需求和现有的工作基础，将后续 能源作为能源领域主题之一列入国家8 6 3 计划。在“十五”期帕j ，将集 中力量突破关键技术，获得一批具有自主知识产权的创新性研究成果， 为后续能源中的若干重点项目实现产业化提供强大的技术支撑。姗级 变速恒频风力发电系统就列入其中。 我国资源与环境状况决定了2 l 世纪中国能源资源的利用将走向风 能时代。资源是人类社会赖以生存发展的物质基础，是可持续发展的客 观条件。可持续发展实质上是以实现资源的可持续利用来保证人口、经 济、社会和环境的相互协调与发展的。中国作为能源电力资源开发大国， 要把握世界经济大调整、产业结构重组的大改革给予，走高科技、低污 染的能源，电力产业跨越式的发展之路，必然选择风能可再生能源和新 能源。 o 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 风力发电技术的发展 风能作为一种清洁的可再生能源，从2 0 世纪7 0 年代中期开始受到世 界各国的重视，由于风力发电比其他可再生能源( 水能除外) 利用在经 济上更具有竞争优势，因而发展迅速。近年来，风力发电取得很快的发 展。风力发电作为可再生能源能否替代不可再生能源或者能否在能源领 域占一席之地，关键问题是风电成本的降低。所以增加风力发电机的利 用效率和降低设备成本包括运营成本是风力发电技术发展的方向。 8 0 年代初在风电市场上销售的第1 代风电机组，其转子直径为 1 0 一l l 米，单机发电容量只有2 2 3 0 千瓦。为了节省风电场占地面积， 提高风电的经济效益，各国不断提高风力发电机组的单机容量。到9 0 年代中期，风电机组转子直径长达5 0 米，单机容量增加到5 0 0 一1 0 0 0 千 瓦。大中型机组并网发电。已成为世界风能利用的主要形式。为降低单 位千瓦造价，节省风电场使用面积，加快风电场建设速度，提高风电的 经济效益，不少国家和公司相继提高单机容量，制造出风轮直径大于 4 0 m 的商品机组。这些机型投向市场，标志着商品机组正在向大型化发 展。目前，欧洲市场的风电机组，单机容量达2 0 0 0 一3 0 0 0 千瓦，成为现 在可以系列生产的最大风电机组。 功率调节是风力机的技术关键之一，现在主要有两类功率调节方 式：一类是定桨距失速控制，另一类是变桨距控制。现在两种功率调节 方案在技术上都比过去有很大改进，因而都是有效、实用的。随着单机 容量的进步增大和技术上更加成熟与完善，控制方式从单一的定桨距 矢量控制向全桨叶变距和变速控制发展。 技术上另一个重要进展是变速恒频风电技术目趋成熟并走向商业 化。目前已有两类变速恒频风力发电机组投向市场，一类是采用同步发 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 电机结合交直交电力电子变换方案；另一类是采用双馈发电机( 结构 上类似绕线型感应发电机) 转差励磁方案。这种变速风力发电机具有功 率力矩控翩能力，利用变速运行和叶片桨距调节，可在所有风速下获 得最佳的功率输出。变速运行将从风轮到动力传动系统的功率和力矩尖 峰减少至最低程度，从而增强长期可靠运行的能力。不难看出，这两种 变速风力发电机在今后的大型风电机组中将会得到进一步发展。 由于风电机组技术的不断进步，使风电发电成本持续稳定下降。据 资料统计表明：第六代风电机组( 1 9 9 7 年，6 0 0 千瓦) 每千瓦的出厂价 比第四代( 1 9 9 1 年，1 5 0 一2 2 5 千瓦) 的价格下降2 0 ，其它投资成本( 基 础、联网、道路等) 下降5 0 ，发电成本下降3 0 。 1 1 4 风力发电技术的分类 风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换 过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。它不仅直接影 响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过 程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用 的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电 工作的一个重要组成部分。在考虑发电机系统的方案时，应结合它们的 运行方式重点解决以下问题： 1 高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电 压恒定的直流电。 2 高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。 3 稳定可靠地同电网、柴油发电机及其它发电装置或储能系统联合 运行，为用户提供稳定的电能。 北京交通大学硕士学位论义 第一章绪论 风力发电机组可以分为两大类，恒速恒频和变速恒频。风力发电机 与电网并联运行时，要求风电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频 是指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能； 变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过其它方法来得到恒频电 能。 目前运用较多的还是恒速恒频发电系统。恒速恒频运行的一个弊端 是，当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机叶片传递给主轴、齿轮箱 和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复 出现将会引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大安全系 数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。而且恒速恒频系统的风轮 机转速不能够随着风速的变化而变化，无法达到最优的风能利用系数。 变速恒频发电系统是2 0 世纪7 0 年代中期以后逐渐发展起来的一种 新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风 速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效 率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在 结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最 佳化的最好方法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的 电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电 机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国 家的重视。 变速恒频允许风轮机根据风速的变化而以不同的转速旋转。变速恒 频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比有以下优点： 减少机械应力：阵风能量可以被风轮机的转动惯量吸收。这种具有 “弹性”的吸收方式减少了力矩的脉冲幅值。 北京交通人学硕士学位论文 第一章绪论 较简单的桨矩控制：通过调节风力发电机的转速，可以使得对桨矩 的控制时间常数延长，降低了桨矩控制的复杂性和峰值功率的要求。 提高了系统的风能利用率：转速可以在较大范围内变化，通过对最 佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功 率输出。 风力发电机组的控制技术从机组的定桨矩恒速运行发展到变速运 行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想的向电 网提供电力的目的。本文讨论的就是采用变速恒频技术的交直交风力 发电系统的网侧逆变器的控制。 1 2 变速恒频风力发电机的并网运行 目前翻际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交直交系统、 磁场调制发电机系统【5 】、交流励磁双馈发电机系统、无利双馈发电机系 统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系 统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改 造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以 适用于不同场合。 变速恒频风电系统的一个重要优点是可以使风力机在很大风速范 围内按最佳效率运行。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转 速难比于风速变化并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风 能利用系数c 。保持虽大值不变，风力发电机组输出最大的功率。因此， 对变速恒频风力发电系统的要求，除了能够稳定可靠地并网运行之外， 最重要的一点就是要实现最大功率输出控制。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 磁场调制发电机系统的并网运行 这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套 电力电子变换电路组成。磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位取 决于励磁电流的频率和相位，而与发电机轴的转速及位置无关，这种特 点非常适合用于与电网并联运行的风力发电系统。由于磁场调制发电机 系统的输出功率随转速而变化，从简化控制系统和提高可靠性出发，也 可以采用励磁电压固定不变的开环系统。如果对发电机进行针对性设 计，也能得到接近最佳运行状态的结果。 磁场调制发电机系统的优点是：第一，由于经桥式整流器后得到的 是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时_ 开关换 向，因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。第二，晶闸管开 关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，可以得 到相当好的正弦输出波形。第三，磁场调制发电机系统的输出频率在原 理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴 油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交 直交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。 比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 1 2 2 双馈发电机系统的并网运行 在双馈发电机系统方案中，系统由双馈发电机、电机侧p w m 整流 器、电网侧p w m 整流器和微机实时控制系统组成。在发电机转予的转 速小于电网同步转速时，由于风速太小，仅靠风能发出的电能因发电机 的电压和频率都太低而不能将其传送到电网上去，此时，由控制电路控 制电网侧p w m 整流器工作在整流状态，将电网的部分电能转换成直流 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 电，然后再将直流电经电机侧p w m 整流器变换为交流电，其频率应保 证与转子频率之和等于5 0 赫兹，即从电网获得的电能和风能一并相加 并传送到交流电网，以此实现风能至电能的转换；在发电机转子的转速 大于电网同步转速时，风能经转子进行电能转换后，一部分经定子传送 到交流电网，另一部分由转子、电机侧p w m 整流器、电网侧p w m 整 流器传送到交流电网。 双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联，转予绕组经交交循环 变流器联入电网。这种系统并网运行的特点是； 1 ) 风力机起动后带动发电机至接近同步转速时，由循环变流器控 制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本 上无电流冲击。对于无初始起动转矩的风力机( 如达里厄型风力机) ， 风力发电机组在静止状态下的起动可由双馈电机运行于电动机工况来 实现。 2 ) 风力发电机的转速可随风速及负荷的变化及时作出相应的调整， 使风力机以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。 3 ) 双馈发电机励磁可调量有三个，即励磁电流的频率、幅值和相 位。调节励磁电流的频率，保证风力发电机在变速运行的情况下发出恒 定频率的电力；通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功 功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转 子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移，从而改变了双馈电机定子电 势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，所以调节励 磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。 绕线式双馈发电机系统的发电机采用绕线式感应电机。绕线式感应 电机一般具有电刷和滑环，需要一定的维护和检修。目前正在研究一种 新型的无刷双馈发电机，它采用双极定子和嵌套耦合的笼型转子。这种 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 发电机系统结构简单可靠，由于没有电刷和滑环，基本上不需要维护。 双馈发电机系统由于电力电子变换装置较小，很适合用于大型变速 恒频风电系统。 1 2 3 同步发电机交直交系统的并网运行 在同步发电机交直交风力发电变流系统【6 】中，同步发电机可随风 轮变速旋转，产生频率变化的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流 来进行控制。发电机发出频率变化的交流电，首先通过三相桥式整流器 整流成直流电，再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入 电网。在此系统中可以采用的发电机有绕线式同步发电机、鼠笼型感应 发电机、永磁同步发电机。 这种系统与电网并联运行的特点是： 1 ) 由于采用频率变换装置进行输出控制，所以并网时没有电流冲 击，对系统几乎没有影响。 2 ) 因为采用交直交转换方式，同步发电机的工作频率与电网频 率是彼此独立的，风轮及发电机的转速可以变化，不必担心发生同步发 电机直接并网运行时可能出现的失步问题。 3 ) 由于频率变换装置采用静念自励式逆变器，虽然可以调节无功 功率，但有高频电流流向电网。 4 ) 在风电系统中采用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷可 使风电机组按最佳效率运行，向电网输送最多的电能。 永磁发电机系统是这种类型当中最有优势的一种，可以做到风力机 与发电机的直接耦合。该系统中，由永磁同步发电机发出的频率变化的 电功率首先通过不控整流器整流成直流，经升压斩波器后得到稳定的直 流电压，再通过并网逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网 7 。本 北京交通人学硕上学位论文第一章绪论 文讨论的风力发电系统即是直驱型同步发电机交直交腿力发电系统。 直驱型风力发电系统省去了变速箱，由此可以提高可靠性，减小系统噪 声，降低维护成本。缺点是变频器的容量和系统的容量相同。 目前，永磁发电机系统是研究的热点之一，而且发展很快，国外已 经出现了m w 级永磁风力发电机系统。 1 3 论文主要内容 本文从并网逆变器的控制出发，针对应用于风力发电系统的p w m 整流器需满足的两个要求( 功率因数为1 和直流侧电压稳定) ，阐述了 小惯性电流跟踪控制的原理和实现方法。 论文在第一章简要介绍了我国和世界风力发电发展的概况并且对 我国风力发电的发展前景进行了展望。在此基础上，论文对风力发电技 术的现状及发展状况进行了简要介绍，并对恒速恒频和变速恒频风力发 电系统进行了比较。在变速恒频风力发电系统中，主要介绍了磁场调制 发电机系统、永磁直流电机风力发电系统和双馈电机风力发电系统，并 对本文讨论的直驱型风力发电系统的结构进行了介绍。 论文第二章首先介绍了并网逆变器主电路的工作原理，并介绍了并 网逆变器的各种控制簧略，重点分析了小惯性电流跟踪控制方法。在状 态空间平均法模型的基础上推导了脉宽计算公式，且在小惯性电流跟踪 控制方法下。电感参数和交流电压测量的不准确不会对控制性能造成影 响。 在分析了并网逆变器和小惯性电流跟踪控制方法的基础上，论文第 三章阐述了应用小惯性电流跟踪控制方法实现d s p 控制系统的硬件结 构。系统控制电路中的微处理器采用数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 。论文介绍了d s p 芯片的特点，然后介绍了系统硬件 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 中几个主要电路，如采样信号的调理电路、i g b t 故障检测电路、过零 点检测电路、防止贯穿导通电路及i g b t 驱动电路等的设计。 在第四章，论文阐述了基于1 m s 3 2 0 u 屯4 0 7 a 的实现小惯性电流跟 踪控制的d s p 程序设计。控制系统软件包括主程序和中断程序。主程 序中包括d s p 初始化和保护子程序，中断程序包括同步信号检测和脉 宽计算子程序。给出了控制系统主程序和中断程序的流程图。 在第五章，在调试了部分硬件电路的基础上，根据编写的d s p 控 制程序，采用小惯性电流跟踪控制进行了实验，给出了实验波形并对结 果进行了分析。 北京交通大学硕士学位论文 第二章并网逆变器的工作原理与控制方法 第二章并网逆变器的工作原理与控制方法 2 1并网逆变器主电路的工作原理 并网逆变器的设计需要同时满足两个要求：1 、相电流要接近正弦， 相电流与相电压同相，使功率因数等于1 ，以减少输送到电网的谐波含 量。满足有关电磁兼容的要求。2 、稳定直流侧电压。 鉴于此，并网逆变器采用由i g b t 构成的p w m 整流器。在风力发 电系统中，作为并网逆变器的p w m 整流器是工作在逆变运行工况，将 能量从p w m 整流器的直流侧传输到交流侧。因此，在下文中，并网逆 变器均称为p w m 整流器 p w m 整流器的功能特点在于交流侧的瞬时电流波形可以动态地瞬 时跟踪指令控制信号的变化，以及直流侧电压稳定可调。p w m 整流器 的应用范围可以作为可逆a c d c 功率变换器，为负载提供直流电能；也 可以构成无功补偿器( 或称电力有源滤波器) 以直流电形式对无功电能 进行存储与缓冲。在实际工业领域中，p w m 整流器主要应用于以下四 方面：电力牵引、通用变频器、有源电子负载以及可再生能源和储能系 统与电网问的互联。随着电力电子技术的发展，p w m 整流器的应用会 越来越广泛。 2 1 1p 嗍整流器的基本原理 p w m 整流器是在脉宽调制技术的基础上发展来的一种新型电源变 流器，若认为调制频率远大于交流电网的基波频率，即在每一个调制周 期内将交流电压认为是不变的，由此可以认为每一个变换周期内的变换 为直流斩波等值电路，将这样的p w m 整流器输出看作为按币弦规律控 制的直直变换器。 北京交通大学硕十学位论文 第二章并网逆变器的工作原理与控制方法 “ r f 图2 一l理想p 删整流器的输入与输出 f i g u r e2 1i n p u ta n do u t p u to fp e r f e c tp 州r e c t i f i e r p w m 整流器引入的目的是为了克服相控整流器电网的污染和改善 系统功率因数，图2 1 所示为理想的p w m 整流器，理想情况下，认为 所有元件为理想开关，则输入功率b o ) 等于输出功率只，考虑到p w m 整流器从交流电网吸取跟网压同相位的f 弦电流，即输入端为 h ( f ) = 知 rs i n “( 2 1 ) 0 0 ) = 打s i n “( 2 2 ) 即 晶( f ) = 0 0 ) ( f ) 一【，”凡( 1 一c o s 2 甜) = 只( f ) = 屯( f ) o )( 2 3 ) 由此看出，电网的输入功率昂( f ) 是以2 倍于电网频率脉动的。 p w m 整流器按直流侧的电压和电流情况可以分为电压型与电流型 两类。 直流侧电压恒定的p w m 整流器为电压型，即( f ) = u ，且 虬互，称电压型p w m 整流器，此时其输出电流为 渺掣一皆帅s 2 “) ) 北京交通大学硕上学位论文第二章并网逆变器的工作原理与拄制方法 可见，输出电流p ) 与电网输入功率一样，也是以2 倍于网频脉动 的。 直流侧电流恒定的酬整流器为电流型，( f ) ；j 。，且j d2 2 k ， 称电流型p w m 整流器，其输出电压为 啪) 一警半帅s 2 “) ( 2 _ 5 ) ( r ) 也是以2 倍于网频脉动的输出电压。 对于理想p w m 整流器，在整流工况时，若想在直流侧得到恒定的 电压与电流，则必须在p w m 整流器直流侧与负载之间接入一个电感电 容组成的滤波器，以平衡2 倍于网频脉动的能量。此外，为使在整流和 逆变工况p w m 整流器从电网吸收的电流或注入电网的电流具有可接受 的少的谐波含量，交流侧与电网之涮也需接入相应的滤波器，电压型和 电流型p w m 整流器有各自的滤波器结构。 图2 - 2 ( a ) 为电压型p w m 整流器直流侧的滤波电路，它由支撑电容 e ( 通常由容量较大的电解电容组成) 和吸引二次谐波电流的串联型 谐振滤器工：c ：组成，设置q 的主要目的是为了稳定直流侧电压和吸收 来自交流侧的无功功率。通过对l ：c ：的设置，让其谐振于2 倍的基波 频率，从而短路掉来自交流侧的2 倍频的谐波。交流侧需要电感k 滤 波器；图2 - 2 ( b ) 为电流型p w m 整流器的滤波电路，它的直流侧由平波 电感0 和串联于负载的并联型谐振滤波器j 已：c 2 组成，前者使得p w m 整流器的直流侧获得稳定的直流电流，后者用于抑制二次谐波电压，交 流侧使用电容滤波器c 。，以减少p w m 整流器与电网连接端的电压波 北京交通大学硕士学位论文第二章并网逆变器的工作原理与控制查鲨 纹。图2 2 ( a ) 和( b ) 中。可以看作电网分布电感或由变压器的漏感替代。 对于电流型p w m 整流器，往往允许直流侧电流，。中含有一定的、主要 为二次谐波分量的脉动，在可接受的条件下，常常省去上述的l ：c ：滤 流器。 ( h ) 图2 2p 州整流器的滤波器原理图 f i z u r e2 2f i l t e r so fp w mr e c t i f i e r ( a ) 电压型滤波原理 ( a ) f i l t e rp r i n c i p l eo fv o l t a g es o u r c or e c t i f i e r ( b ) 电流型滤波原理 ( b ) f i l t e rp r i n c i p l eo fc u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r 表2 一l 电压型p 删整流器与电流型p 删整流器电路拓扑对偶性 交流侧直流侧直流侧= 次谐波 滤波元件平波元件吸收元件 电压型 lcl c 串联谐振 p w m 整流器 电流型 cl i c 并联谐振 p w m 整流器 北京交通大学硕士学位论文第二章并网逆变器的工作原理与控制方法 由电压型和电流型p w m