（电力电子与电力传动专业论文）风力发电并网逆变器的矢量控制策略研究.pdf

j e 塞銮显太堂亟堂僮控毫 堡s i b 工 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i n dp o w e ri st h ec l e a na n dr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e s ，w i n dp o w e r g e n e r a t i o n i so n eo ft h em o s ts u c c e s s f u ls o l u t i o n st og l o b a le n e r g yc r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nt e r m so fw i d e s p r e a dt a k eu pa n dc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sap a r to ft h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gm w - l e v e lw m de n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e mw h i c hi sak e y8 6 3p r o g r a m i ti sm a i n l ya b o u tt h ew i n de n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e mw i t har a t e do u t p u to f1 2 m ww h i c ha p p l i e dt ot h ev a r i a b l es p e e d c o n s t a n tf r e q u e n c yw i n de n e r g ys y s t e m ( v s c f ) ap w mc o n v e r t e ra p p l i e dt og r i d c o n n e c t i o no f w i n dt u r b i n es y s t e m s ( w t s ) a n di t sc u r r e n ta n dv o h a g ec o n t r o ls t r a t e g i e s a r er e s e a r c h e dt h r o u g ht h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns u n n l a _ r i z e st h ea r t o t h e s t a t eo fw t s c o m p a r i n gp r e d o m i n a n t t e c h n o l o g i e s ，t h ed i r e c t d r i v es y s t e m i s a d o p t e di n t h e1 2 m ww i n dp o w e r c o n v e r s i o n , ad u a lp w me o n v e a e ri se m p l o y e d 勰g r i di n t e r f a c e f o l l o w i n g i n t r o d u c t i o no f t h et o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m , t h e g r i d s i d ec o n v e r t e ri se m p h a s i z e d t h et o p o l o g y , o p e r m i o np r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a l m o d e l i n go fp w m c o n v e r t e ra l ed i s c u s s e d f o rt h er e a ls y s t e mw i t hn e u t r a ll i n e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa tl o wa n dh i g hf r e q u e n c ya n di nr o t a t i n g ( d - q 一们f r a m ea r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h eo p e r 越i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m , t h e v e c t o rc o n t r o ls y n c h r o n o u sp ic u r r e n tc o n t r o ls c h e m ea n ds p w ma r ea d o p t e dh e r e p a r a m e t e r s 遍v e c t o rc o n t r o la r ed e v i s e db ye m p l o y i n gd cs t e a d y s t a t ea n dd y n a m i c i n v e s t i g a t i o n m o r e o v e rt h eg e n e r a ld cv o l t a g ec o n t r o l l e ra n dp a r t i c u l a rd cv o l t a g e o f f s e tc o m p e n s a t o rf o rt h es y s t e mw i t hn e u t r a ll i n ea r ea l s od e s i g n e d t h ec o n t r o ls c h e m ef o rt h ep w mc o n v e r t e ri st e s t i f i e de x p e r i m e m a l l y , f o l l o w i n g d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec k c u i t sa n dd s pp r o g r a m so ft h ee o m r o ls y s t e m t h eh i g h s p e e di n t e g r a t e dc o n t r o lc h i pd s p 2 4 0 7i st h ec o r eo fc o n t r 0 1 t h ep ip a r a m e t e r so f t h e i n n e rc u r r e n tl o o p ，t h eo u t e rv o l t a g el o o pa n dt h ed cv o h a g eo f f s e tc o m p e n s a t i o na r e d e t e r m i n e di nt h ee x p e r i m e m ，a n dt h ec l o s e dl o o pc o n t r o le x p e r i m e n ti sc o m p l e t e d a tt h em e a nt i m e , a ne x p e r i m e n tp h t f o r mo fw i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mi s c o n s t r u c t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t sa n da n a l y s i sa r ep r o v i d e dd e m o n s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t yi nw i n dp o w e r g e n e r a t i o na n dv a l i d a t i n gt h et h e o r yp r e s e n t e d b e f o r e k e y w o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；p w mc o n v e r t e r ；v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y j 塞窑垣太堂亟堂僮i 金室 旦s i b ! c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：f 象宅仙导师签名：鼻晖 签字日期：协7 年m 月叫日签字日期：细7 年，2 月zj 日 j e 立童适太堂亟堂僮i 金塞独创焦壹明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳每、宅 签字日期：v 司年f 月1 日 致谢 本文是在导师梁晖副教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学位的两年多时 间里，梁老师无论在未来发展规划、学习研究还是在生活上都给予了我无微不至 的关怀与帮助。从论文的选题立意与自己今后发展方向的结合、控制方法的理论 分析、实验调试，一直到最后论文的修改，粢老师都给了我极大的指导。我所取 得的每一分进步，都浸透着导师的心血和汗水。梁老师严谨的作风、正直的为人， 宽广的胸怀、丰富的专业知识和实践经验也将对我未来的发展产生深远的影响， 并使我终身受益。在l 临近毕业之际，特向梁老师表示最诚挚的敬意和感谢! 在平时的理论学习、实验室研究阶段及撰写论文期间，实验室朱宁师兄、黄 庆新师兄、杨传伟师姐对我的学习和生活给予了很大的帮助，特别要感谢朱宁师 兄分享在人生规划和职业选择方面的经验。张字星同学帮助我进行了大量的仿真 验证，并在一起多次讨论受益匪浅，石威威同学在斩波器控制方面的帮助也使作 者获益颇多，在此向他们表示由衷的感谢；同时，在实验和撰写论文过程中还得 到了安小丹、苏晓东、唐挺等同学的帮助，在此深表感谢。 最后，感谢我的父母、家人及所有的亲人朋友，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 j e 塞銮塑盔堂亟堂焦硷塞缝j 金 1 1 研究背景 1 绪论 随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。而地球不可再生能 源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也日趋短缺，并造成了较为严重的污染。 为此，研究和开发洁净可再生能源( 如太阳能、风能等) 已提到议事日程。可以 预计：可再生能源大规模应用将是2 1 世纪人类社会发展进步的一个重要标志。然 而，要实现这一目标，首先必须完成可再生能源由补充能源向替代能源过渡，即 使可再生能源由边远无电地区的独立供电向有电地区的常规并网用电方向发展， 这将大大提高可再生能源的利用率。可见，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。其中电气工程专业首当 其冲。电力电子技术、自动控制技术和微电子技术等相结合进行技术创新，可以 实现对可再生能源向电能的最佳转换和最优控制，以取得可观的经济和社会效益。 图l l 风机单机功率及叶轮直径发展 f i g u r e1 - 1d e v e l o p m e n to f p o w e rr a t h _ i gp e ru n i ta n dt h eb l a d ed i a m e t e ro f 埘i l dt u r b i n e s 风能是最清洁的能源之一，风力发电是大规模利用风能最直接最有效的方式。 从2 0 世纪7 0 年代中期，第一次石油危机之后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。在政府对风力发电研究开发的大力支持下，许多发达国家如德国、丹麦、 美国和瑞典都开始了大型风力发电机的研制，风力发电机也从早期的蓄电池充电 方式向并网型发展。随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技 j e 塞銮逗太堂甄堂焦途塞缝监 术的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到 最近进入市场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变 速控制发展；运行可靠性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 ，提高到9 8 以上，并且 在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空 间更加广阔，从内陆移到海上。风能已成为一种重要的可再生能源。 历经近3 0 年的发展，风力发电系统的效率已经得到显著提高，其单机功率和 风机的叶轮直径也愈来愈大，见图1 1 【1 】。目前国外一些大公司如v e s t a s ，g e ， s i e m e n sw m d ，e n e r c o n 已开发出3 6 m w - - 6 m w 的样机，但从技术成熟等角度而言， 2 m w 等级的风机仍然最具有市场前景。 图1 - 2 风电成本下降趋势 f i g u r e1 - 2t r e n do f t h ec o s to f w i n dp o w e rg e n e r a t i o n 随着风电技术的进步，风电机组单机功率大幅增加，风电产业规模化发展， 风电成本呈急剧下降的趋势，开拓了高技术能源领域的新热点。由图1 - 2 1 ”可见， 从1 9 8 1 年到1 9 9 5 年，风电成本由1 5 8 欧分瓜w h 下降到5 7 欧分k w h ，减少了 2 3 。当前的风电成本约为4 欧分k w h 。在过去5 年中，风电成本下降约2 0 。风 电成本可以用每千瓦小时的发电成本和每千瓦的投资成本来衡量。在可预计的将 来，风力发电的成本将会进一步降低，将可以和传统发电方式( 如水力发电、火 力发电) 进行竞争。 风力发电机组( 简称风电机) 是将风能转化为电能的设备。风轮是吸收风能 并将其转换成机械能的部件，由桨叶和轮彀组成，是风电机最主要的部件。风以 一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机 械能，进而通过增速器驱动发电机进行发电。 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。恒速恒频指在风力发电中， 2 a t 塞銮垣太堂亟兰僮i 金塞绪论 控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风 速变化，通过其他方法得到恒频电能。目前新安装的风机均为变速恒频风电系统， 其中的主流机型是直驱多极同步发电机交流直流交流系统和双馈风力发电机系 统【5 】o 目前国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、交流励磁双馈发电机系统：无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统 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。而当今变速恒频风力发电系统发展趋势有以下两种电机： 双馈电机和永磁同步电机。 在双馈发电机系统方案中，系统由双馈发电机、电机侧脉冲整流器、电网侧 脉冲整流器和微机实时控制系统组成。在发电机转子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脉冲整流器工作在整流状态，将电网 的部分电能转换成直流电，然后再将直流电经电机侧脉冲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、电机侧脉冲整流器、电网侧脉冲整流器传送到交流电网。双馈发电 系统由于电机结构限制，仍然存在着高传输比的齿轮传输机构和滑环，不可避免 机械的维护问题，并且电机系统控制复杂。 而在永磁同步电机加上交直交的变流系统中，电机随风速的变化输出交变的 电压，首先通过整流器整流成直流，经升压斩波器后得到稳定的直流电压，再通 过逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。其优点是在并网时没有电流冲击， 对系统几乎没有影响；可调节无功功率；可以做到风力机与发电机的直接耦合， 省去变速箱，减少了维护问题，由此可以提高可靠性，减小系统噪声，降低维护 成本，而且风机可以在低风速状态下运行，风能利用率高，因此具有很大发展前 景。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中并网逆变器的控 制技术。 1 2 p w m 变流器应用 要实现可再生能源的并网发电，其中并网逆变装置尤为关键，为实现基于“绿 色电能变换”技术的可再生能源的并网发电，并网逆变装置可采用p w m 整流器拓 扑结构的设计方案。 图1 - 3 直驱水磁同步风力发电机系统 f i g u r e1 - 3d i r e c t - d r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r og e n e r a t o rs y s t e m 直驱型多极同步电机交流一直流一交流风力发电机组基本构成如图1 3 所示团。 该系统采用多极同步发电机，最大的特点是无齿轮箱。同步电机转子转速随风速 的变化而改变。为了避免电刷和滑环引起的维护问题，可采用永磁同步电机。系 统为全功率变流，考虑到成本，可采用二极管不控整流，升压斩波加网侧p w m 逆 变的拓扑结构 6 1 。同步发电机转速随风速变化，产生频率、电压变化的电能，先经 二极管不控整流，由斩波器升压以满足p w m 网侧逆变器对直流电压的要求，最后 将电能变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网。 此系统采用交流直流交流全功率变换的方式，同步电机的工作频率与电网频 率互相独立。发电机在可利用风速范围内无转速调节限制，且不存在同步电机的 失步问题。该系统特点有【2 】【5 】： 一直驱，无齿轮箱，减少了风电机组的维护成本和听觉噪声； 一在可利用风速范围内，全速调节； 一无电刷和滑环； 一不需励磁，效率高； 一有功和无功功率的完全调节； 一全功率变换装置，对电力电子器件的耐压和电流等级要求较高，成本亦相 应提高； 一多极发电机的体积和重量大； 一相比双馈风力发电机组，低风速时效率更高。 鉴于此，直驱型风力发电变流系统正引起越来越广泛的关注，基于直驱型的 各种变流拓扑结构也应运而生 4 韭塞窑迪盔堂亟堂焦i 金塞缱途 1 2 1 带升压变换器的二极管桥式整流器 i2ij+ + 本l 本l 本 l 一 辞 。：；1 婶三= 唏莎莎 、一 izi 2 图1 - 4 二极管桥式整流器带升压变流器 f i g u r e1 - 4d i o d e - b r i d g er e c t i f i e rw i t hb o o mc o n v e n e r 很多作者 1 1 1 2 1 3 1 4 1 介绍了带二极管桥式整流器和升压拓扑d c d c 变换 器的风轮发电机。c h e n 1 3 讨论了对于无d c d c 变换器的二极管桥式整流电路以 及不同风速下的最优运行电压和电流。这造成很大的直流测电压波动，很不适合 逆变。 后来建议将二极管整流器与升压变流器相连。该方案相当于给二极管整流器 提供了感性负载，同时给逆变器提供了近似直流的电压。因为升压变换器输出一 直流电压，作者 1 1 1 2 1 3 1 4 - - 般都使用i g b t 电压源逆变器电路。该拓扑示于 图1 4 。 升压变压器允许低电压输入高电压输出的能量转换。输出电压v 盘与输入电压 v d ，的关系是： 显：上 ( 1 - 1 ) v d l ( i 一6 ) 其中，6 是晶体管的导通占空比。 因为升压变换器是为了补偿低风速时的低直流电压的，所以假设在额定风速 时晶体管导通占空比为0 是合理的，这里电压v d ，已经足够高，可以合适的馈入逆 变器。因此，最大功率的情形下对晶体管提供无约束，因为此时导通占空比是0 。 在文献【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】中提出的这种应用的开关装置的类型是i g b t 。与二极 管相比，i g b t 有更高的导通压降v 矗。例如，出自e u p e c 公司的b s m 4 0 0 g a l 7 0 d l 是1 7 0 0 v 4 0 0 a ( 持续性的) 装置，在4 0 0 a 时导通压降v 。是3 3 v 。在该应用中， 它能用于其持续额定值以上。该管子的导通压降在8 0 0 a 时是4 7 v 。 事实上，i g b t 比二极管损耗更大，价格也更昂贵，但是在风轮机的升压应用 中，成本与损耗都确实被降低了。因为在该情形下，二极管有更小的导通损耗， 成本也更低。应该指出，对i g b t 额定值的分析必须考虑开关瞬态热阻抗和导通脉 韭塞銮逼盍堂亟堂僮逾塞 绪途 宽。同时，也应该考虑i g b t 在高电流下的导通压降的增加。 1 2 2 风力发电p w m 整流器 i d _ ? 一j o 直流侧 一配+ t 3 d 2 增大逆变 + 直流侧 一“ 0 u n t 1 d 3 d 2 t 4减小电源短接 l n t l n 0 减小 整流 l n 。u n + 磁h + q d 1 d 4 4 3 k ( 2 - 4 0 ) 这里只分析s v p w m 方式。考虑桥臂开关死区、直流电压波动以及交流电阻 的影响，增加修正系数k ，k 通常取o 8 5 - 0 9 。得到下式 压 k ( 2 - 4 1 ) j e 宝銮逼盔堂亟堂僮途塞 燮m 銮远墨基奎厦堡 o a ) o 图2 - 1 1p w m 整流器交流侧稳态矢量图 f i g u r e 2 - 1 1s t e a d y s t a t e v e c t o rd i a g r a m o f p w mr e c t i f i e r 当p w m 整流器设计为单位功率因数运行时，矢量关系应满足图2 - l l a ) 所示的 稳态条件 砭+ l 乙) 2 曙 ( 2 - 4 2 ) 式中e 为额定电网相电动势峰值，厶为颓定交流侧基波相电流峰值。 联合式( 2 4 1 ) ，得到稳态条件下对电感的要求为 三 型鲨二堡 ! 墨垒兰! ! 二堡( 2 彤) i ml m 若p w m 整流器设计为功率因数可调，尤其要求发出容性无功功率时，矢量关 系应满足图2 - n b ) 所示的稳态条件 e+巩圪(2-44) 此时对电感的稳态指标要求为 ! 墨 ( k v d c 4 3 ) - e ( 2 4 5 ) c o j ml 。 在本系统中，k = 0 9 ，已= 6 2 0 4 2 4 3 vr 吃= 1 1 0 0 v ，= 2 n f = 1 0 骶， l 玩2 = 2 0 0 k w , i m = 7 9 0 a 。把上面的数据带入式( 2 - 4 3 ) 可得，工s 1 0 6 9 m h 2 4 1 2 瞬态电流跟踪要求 以上从满足v s r 稳态指标方面讨论了v s r 交流侧电感设计。实际上，电感的 设计还需考虑满足v s r 瞬态电流跟踪指标要求，即既要快速电流跟踪，又要抑制 谐波电流。以v s r 正弦波电流控制为例，当电流过零时，其电流变化率最大，此 时电感应足够小，以满足快速跟踪电流要求；另一方面，在正弦波电流峰值处， 谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流的要求。为简化 分析，只讨论v s r 单位功率因数正弦波电流控制时的情况。 以三相p w m 整流器的a 相为例，由p w i v l 整流器开关函数数学模型得： 上空+ r i = 巳一( 一i 1 & ) 1 ，出( 2 - 4 6 ) a t j k = a ，6 ，o 若忽略v s r 交流侧电阻且令= + 等& ，则上式简化为 j e 塞銮通塞堂亟土堂僮j 金塞受m 变速登基奎厦理 哮巩吨易 ( 2 。4 7 ) 仅考虑稳态条件下单位功率因数正弦波电流控制。电流上升过零处电流 f 4 = s i n 6 0 t 的电流变化率取得最大值吐，l 。此时式( 2 4 6 ) 等号右边e a = 0 ，当 = o ，= = 1 时可取得最大值，整流器开关控制电流乇能够获得的最大上升率为 2 3 l 。 若满足快速电流跟踪要求，则必须 l ( 2 - 4 8 ) 即 上 ! ! 丝二! 丘2 垦圣( 2 - 5 3 ) 2 v a i 设o = 2 0 0 a ，z = 2 5 k h z 可得，上0 3 1 4 m h ，考虑式( 2 - 4 3 ) 、( 2 - 4 9 ) 所 得到的电感值，可以得到电感的取值范围是0 3 1 4 m h l 1 0 6 9 m h 。 些塞銮逼太堂亟主竺焦迨塞迎丛变速墨基奎亟堡 逆变器交流侧的电感设计要考虑多种因素，下面就前面考虑的几种情况所得 的电感取值范围作一列表2 - 2 。 表2 2 逆交器交流侧电感设计 t a b l e2 - 2d e s i g no f t h ei n v e r t e ri n d u c t a n c ep a r a m e t e r 电感取值取值条件 考虑有功无功时的电感上s 1 0 6 9 埘日 瞬态电流跟踪指标时的电感工2 9 5 m 日 抑制谐波电流时的电感o 3 1 4 m ha i = 2 0 0 a ，= 2 5 k h z 现取电感值 l = o 3 6 6 m h k = 1 7 1 a ，z = 2 5 k h z 2 4 2 直流电容的设计 在v s r 主电路参数设计中，除交流侧电感参数设计外，另一重要参数设计便 是v s r 直流侧电容设计，v s r 直流侧电容主要有以下作用： ( 1 ) 缓冲v s r 交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定v s r 直流侧电压； ( 2 ) 抑制直流侧谐波电压。 一般而言，从满足电压环控制的跟随性指标看，v s r 直流侧电容应尽量小， 以确保v s r 直流侧电压的快速跟踪控制；而从满足电压环控制的抗扰性指标分析， v s r 直流侧电容应尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态降落。 2 4 2 1 设计原则 直流电容的设计应考虑如下几个方面： ( 1 ) 直流电压应能够从充电完成后快速达到稳态值： ( 2 ) 满足抗扰性指标，减小负载扰动产生的直流电压波动； ( 3 ) 满足直流电压纹波要求。 2 4 2 1 2 快速跟随性指标 快速跟随性指的是直流电压从不可控整流电压值。上升到额定直流电压圪 的上升时间指标。 当整流器接入电网而功率管不调制，处于不可控整流方式，其整流电压平均 值为 斤 v , o = 1 3 5 v _ = 1 3 5 x 1 二b ( 2 - 5 4 ) - 式中为不可控整流电压值；k 为三相交流线电压。 而额定直流电压吃与整流器额定容量s 的关系为 j e 塞窒适盍堂亟堂僮迨塞堕丛褒煎墨基查厘堡 = 驻“ ( 2 5 5 ) 式中r ：。为额定直流负载电阻；s 为整流器额定容量。 当电压调节器采用p i 调节器时，在达到给定值之前一直处于饱和限幅值，电 流内环以最大电流匕对电容和负载充电，电容电压初始值为圪。，额定直流电压 为，易得 一= ( k 屯一) ( 1 一p ) ( 2 - 5 6 ) 式中k 为整流器输出最大直流电流，通常为额定直流电流的1 2 倍； 0 为从巧。上升到的时间； c 为直流侧电容值。 上升时间f ，应小于系统规定的上升时间指标r ：，即f ， 茅 在本系统中，a v 二f = 1 1 0 0 + 5 = 5 5 v ，k = 5 5 0 a ，l = 7 9 0 a ，i = o 0 0 1 s 。把上 面的数据带入式( 2 6 4 ) 可得，c 1 5 2 m f 。 综上，1 5 2 m f c v 叫 估算得到的p 和g 与给定信号，和q 比较后送入滞环比较器，输出j 。，s 。开关 信号，p 由直流电压外环设定，g 设置为零可实现单位功率因数运行。将e 。，变换 到两相静止坐标系下得到气，e 。，根据，可以确定电网电压矢量占在图3 3 中所 在扇区的以信号，扇区是按照伽一2 如6 - l i 加 萨 蔓搿 讹 。孑 j e 夏銮遵太堂亟堂僮趁塞盟丛变速墨撞剑筮堕 = 己+ 匕( 胛) c o s 胁，+ y 肋) 】 蒹 ( 3 2 8 ) 2 吆+ 互吃( 玎) c 。s 【砌f + v v ( ，z ) ( 3 - 2 9 ) 月0 式中，丘( 胛) 、( n ) 为n 次直流谐波电流、电压幅值；t 、- 出为直流电流、电压 平均值；( 坊，帆0 ) 为1 1 次直流电流、电压谐波初始相角。 为简化分析三相v s r 直流电压波动对其交流侧电压的影响，只考虑基波电网 电动势，由式( 2 3 2 ) ( 傅立叶分析式) 可得a 相双极性开关函数为 ( ) = 4cos(尉ot)(3-30) n = l 对于三角载波s p w m 控制，以直流侧电压中点o 为参考地，则三相v s r 交 流侧a 相电压，为 扣如f ) = 三v 出( 加。( f ) = 三屹( f ) 砉4 c 。s ( n ，) ( s 圳) 把式( 3 3 0 ) 带入式( 3 3 0 ，经整理计算得 1 , a o ，( r ) = 寺吆( f ) 4 c o s ( j c o f ) + 去吃( 胛) f 艺4 。f ( ”+ ，) + 吃】+ e 。彳, c o s 【f ( 万一_ ，) + q 】l 3 3 2 如果研究直流电压2 次谐波和正序开关函数基波的调制作用， 算得三相v s r 交流侧谐波电压，) 为 ( f ) = i v 女( 2 ) a tc 。s ( 3 f + b ) 由式( 3 3 2 ) 可计 ( 3 3 3 ) 式中，吃( 2 ) 为直流电压2 次谐波幅值；4 为正序双极性开关函数基波幅值；0 3 为 3 次谐波电压初始相角。 可见，三相v s r 直流电压2 次谐波将在三相v s r 交流侧产生3 次谐波电压。 进一步分析表明，直流侧n 次谐波电压经p w m 控制后。将在三相v s r 交流侧产 生n + 1 次谐波电压。 j e 塞窑逗苤堂亟主堂僮缝塞羞墅圭虫缝生蕉制丕缍趑塑性返迁 4 实验主电路与控制系统软硬件设计 至此本文已完成对分裂电容式三相电压型p w m 交流器的理论分析。实验验证 中使用了实验室现有的p w m 交流柜。交流侧由三相调压器接入，直流侧接能耗电 阻，水冷。由于条件所限，目前实验系统只能运行于整流状态，有功功率由负载 决定，无功功率可调。将两台变流柜直流侧并联可构成双重化结构。 实验对前述控制策略进行验证，开关频率取实际大功率风力发电变流系统中 的2 5 k h z 。硬件控制电路是以t i 公司的t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的控制板。其主 要功能有采样信号的调理，p w m 脉冲的产生，i g b t 的驱动，网侧电压过零点检 测，防止上下桥臂贯穿导通以及i g b t 故障信号检测等部分。 4 1 实验系统主电路 mk l 图4 1p w m 变流器实验系统主电路图 f i g u r e4 - 1m a i nc i r c u i to f t h ep w mc o n v 翻t e rs y s t e m 实验系统采用的主电路如图4 1 所示。图中将交流侧和直流侧中点接地，即构 成分裂电容式三相v s r 拓扑结构。需用两个电压传感器分别测电容上的直流电压。 交流电源由三相3 8 0 v 交流电经自耦调压器输出，通过断路器k l 和三相电感l 接 至三相桥臂的中点。c ，为滤波电容，k v 、k t 分别是电压、电流传感器。这里交 流电压测调压器原边。因为开关频率的电流谐波会在副边漏抗上产生电压谐波， 若测调压器副边，高频电压谐波会引起较大的控制误差。直流侧c 为支撑电容， 通过断路器接电阻负载，采用水冷。实验系统主电路相关参数见表4 1 。 表4 - 1 实验系统相关电路参数 t a b l e4 - le l e m e n tp a r a m e t e r so f t h em a i nc i r c u i t j e 塞銮逼盔堂亟堂焦i 金塞 塞墅圭鱼堕皇蕉趔丕统这焦鲑退让 名称型号主要指标备注 i g b t 模块 1 2 0 0 v 3 0 0 a 交流电感1 0 m _ h 直流电容 4 5 0 v 2 2 0 0 u f4 并2 串 电流传感器 k t l 0 0 a 伊1 0 0 0 ：1 电压传感器 k v 5 0 a p1 0 0 0 0 ：2 0 0 0 三相调压器t s g c 一9 3 8 0 v 1 2 a 输出0 - 4 3 3 v 驱动电路 m 5 7 9 6 2 l 将两个相同的如图4 1 所示的主电路直流侧并联就构成双重结构。双重结构的 每一重电流是相同功率下单重系统的一半，系统容量实际上增加了一倍。当系统 直流侧中点接地时，双重化的三相电流可实现独立控制，但由于有中线，过渡过 程引入了零序电流。若双重系统不接中线，则零序电流无通路，系统有环流。 4 2 控制系统硬件组成 数字量输 电压信 电流信 驱动故障 反馈信号控制脉冲 圈图唾 掣r 强 魏麓 电流ir r r 厂= 塑翟r a m 柑盏l 浏h 卯j j 苗滥粥 电源 图4 - 2 控制系统硬件结构框图 f i g u r e4 - 2c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 实验系统对控制部分的要求有：能够完成对p w v l 整流器控制所需信号量的采 集；d s p 应具有较高的运算速度，能够满足对控制算法运算的要求；能够输出六 路p w v l 信号，对系统三相桥臂功率开关进行控制；保护功能完善，确保主电路器 件安全工作等。 本文所述控制方案采用数字处理芯片结合软件实现。硬件控制电路是以1 r i 公 j t 立童适去堂亟堂僮途塞塞验圭鱼堕皇蕉剑丞筮筮焦往途让 司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的控制板。其主要功能有电源转换，模拟量采集及 调理，p w m 脉冲的产生，i g b t 的驱动，网侧电压过零点检测，防止上下桥臂贯 穿导通以及i g b t 故障信号检测等部分。能够满足实验系统的要求。 控制系统硬件框图如图4 - 2 所示，分别叙述如下： 1 电源转换单元 本控制系统的输入电压为仅为士1 5 v ，由于控制系统中的部分芯片需要5 v 电 源，而且l f 2 4 0 7 a 芯片的供电电压只能是3 3 v ，因而需要将+ 1 5 v 电源变换为 5 v 和3 3 v 作为d s p 和外设r a m 的电源，并通过电压监测单元m a x 8 1 1 s 实时 监测。因此，使用l m 2 5 7 6 s 元件作为士1 5 v 5 v 的转换芯片，使用t p s 7 3 3 3 q p 元件 作为5 v 3 3 v 的转换芯片。l m 2 5 7 6 s 输入可为7 4 0 v ，输出为5 v ，输出最大电 流为3 a 。t p s 7 3 3 3 q p 输入可为3 7 7 1 0 v ，输出为3 3 v ，输出最大电流为5 0 0 m a 。 2 d s p 最小系统 l 。s r 内核 l i r l l 时钟 l i5 4 4 茬d 觚a r a 口m p 删啦加转换器ll( )1 1 一、l i 2 k 字的单口r a m l f 串行通信接口 l l ( s a r a m )| | ( s c i ) i 3 2 k 字融情储器1 6 位絮黔枷 l 外部存储器接口 li c a n 总线控制模块 l i 事件茬e 理v a 器) 模块l i 通用数字，oi (| i l l 事件茬理雾模块j t a g e v b口ll () l i 。 l 图4 - 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 功能结构 f i g u r e4 - 3f u n c t i o ns t r u c t u r eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 最小系统主要包括d s p 芯片、c p l d 、外部扩展r a m 和j t a g 仿真接口。 c p l d 使用a l t e r ae m p 7 0 3 2 a e ，共4 4 个引脚，主要用于d s p 对r a m ，锁存器及 j t a g 仿真接口的协调控制。外扩r a m 使用i s 6 1 l v 6 4 1 6 芯片，3 3 v 供电，为 6 4 k x l 6 b i t 的存储器芯片。该d s p 最小系统仅外扩了程序存储器，数据存储器依然 采用片内r a m 。时钟采用外部1 0 m h z 晶振输入。系统采用1 1 公司专为基于控制应 用而设计的1 6 位定点数字处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 功能结构图见 图4 3 。它的主要特点概括如下： 采用高性能静态c m o s 技术，2 5 n s 指令周期( 4 0m u z ) ，4 0 m i p s 的执行速度， 4 7 j e 塞銮通盔堂亟堂焦途塞塞验圭虫堕皇控制丕统熬焦往丝让 低功耗3 3 v 设计； 片内3 2 k 字f h s h 程序存储器，5 4 4 字的双d r a m ( d a r a m ) ，2 k 字的单口 r a m ( s a r a m ) 。可扩展外部存储器共1 9 2 k 字空间：6 4 k 程序存储器，6 4 k 数据存储器，6 4 ki o 寻址空间； 两个事件管理器模块( e v a 和e v b ) ，每个模块包括：两个1 6 位通用定时器： 8 个1 6 位的脉宽调制通道，可实现三相逆变器控制，输出对称和非对称p w m 波形；具有功率驱动保护中断，能够快速关断p w m 通道；可编程的死区控 制，防止桥臂上下管直通故障；3 个捕获单元和片内光码器接口电路； 1 6 通道1 0 位a ，d 转换器； 看门狗( 、d ) 定时器模块； c a n 总线控制模块( 2 o b ) ； 串行通信接口( s c i ) ； 1 6 位串