（电力电子与电力传动专业论文）风力发电网侧逆变器控制系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i n de n e r g yh a sb e e nr e c o g n i z e da sag r e e ne n e r g yb e c a u s et h e r ea r ef e wo rn o e n v i r o n m e n t a l l yh a r m f u le m i s s i o n s ，w h i c ha l s ob e c o m e s ar e s e a r c hh o t s p o ta l lo v e r t h ew o r l d r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t so nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r f o rw i n d - p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t ham u l t i p l ea r m a t u r e - w i n d i n g sa n dh y b r i d e x c i t a t i o ng e n e r a t o ra r ed o n ei nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h es i z eo fw i n dp o w e r , t h e g e n e r a t o rc a l lw o r ki nt h ep a r a l l e lm o d e lo rs e r i e sm o d e lw h i c h c a i lb o o s tt h ed cb u s v o l t a g et oe x p a n d i t so p e r a t i o nr a n g e t h ed y n a m i cm o d e lo fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ri sf i r s t l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n dt h e nt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h eg n d - c o n n e c t e di n v e r t e rb a s e do nv o l t a g ev e c t o r o r i e n t a t i o ni sr e s e a r c h e db yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h em e t h o do fv o l t a g ev e c t o r o r i e n t a t i o n , i n c l u d i n ga s e n s o r l e s so r i e n t a t i o n t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fa c t i v ep o w e r a n dr e a c t i v ep o w e ri sr e a l i z e db a s e do nv o l t a g ev e c t o ro r i e n t a t i o na n dp h a s el o c k e d l o o p as y s t e mf o rm u l t i p l ea r m a t u r e w i n d i n g ss w i t c hf i o mp a r a l l e lc o n n e c t i o nt o s e r i e sc o n n e c t i o ni sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r md e s i g n e df o r 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e r i si n t r o d u c e d d c t a i l e d l yi nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mb a s e do nv o l t a g ev e c t o ro r i e n t a t i o n i nt h i sp a p e rh a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i ti ss h o w nt h a tt h e g r i d c o n n e c t e ds y s t e mo a nr e a l i z et h ed e c o u p l i n gc o n t r o lf o ra c t i v ep o w e ra n d r e a c t i v ep o w e re f f e c t i v e l y s o m er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n tb a s e do nt h es y s t e m w i t hag o o ds i n u s o i d a lc u r r e n ta n dal o wh a r m o n i cc o m p o n e n ta r ep r e s e n t e dt ov e r i f y t h ec o n c l u s i o n 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 , g r i d - c o n n e c t e d o r i e n t a t i o n , v i r t u a lf l u xo r i e n t a t i o n ，p h a s el o c k e dl o o p u 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：池丝纪系日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：迭一导师签名：阻日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大，能源的短缺和环境的恶化 已经成为全球性的两大难题。为了我们身边的环境，为了造福我们的子孙后代， 寻找更加清洁的电力能源已成为当务之急。那么被称为“环保电力 的绿色电力 能源到底是一种什么样的电力? 利用特定的发电设备，如风机，太阳能光伏电池 等，将风能，太阳能等可再生能源转化为电能。这种方式产生的电能因其产生过 程之中很少产生或者不产生对环境有害的排放物，所以这种利用可再生能源产生 的电能被称为绿色电力。而风能无疑是完全的绿色能源，无污染，可再生，用之 不竭n j l 。我国是人口大国，资源相对缺乏，要实现我国全面建设小康社会，就 必须协调好发展，能源和环保的关系。为建立合理的能源结构，就必须大力发展 绿色能源，包括风能。所以风力发电技术的研究近年来已经成为新能源技术领域 的一个热点。 1 2 风力发电的发展与现状 1 2 1 前言 随着世界环境的日益恶化和日常能源的日益枯竭，风力发电在能源结构中 占有越来越重要的地位。世界风能市场每年都以4 0 的速度增长，风电装机容 量年平均增长率约为2 5 ，由于新技术的运用，风电的电价格也呈下降的趋势， 且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，发电成本已由1 9 9 0 年的每千瓦时的 8 美分减少到现在的4 美分，2 0 0 5 年降到3 美分左右，达到与常规的发电设备 不相上下的水平口】。 中国风电行业与国际风电行业的先进水平相比还有很大差距，全国风电装 机总容量达到1 2 6 0 m w ，新投入运行的风机容量接近5 0 0 m w ，但是风电总量只 约占总发电装机容量的o 2 ，而到2 0 0 1 年，全球风力发电总装机容量为 上海大学硕士学位论文 2 5 2 7 3 m w 。所以，大力开展风力发电技术的研究对加速提升我国风能开发技术 水平，改善我们国家的能源结构，缩小与先进发达国家水平的差距，具有重大 的战略意义和现实意义。 风力发电技术的发展也非常地迅速，经历了从恒速恒频发电技术到可以实 现最大风能捕获的变速恒频发电技术的发展。而变速恒频发电技术具有以下几 个优点： ( 1 ) 最大限度捕获风能。 ( 2 ) 较宽的风机转速运行范围，适用于风力机变速运行。 ( 3 ) 可以灵活的调节、控制系统的有功功率和无功功率。 ( 4 ) 采用先进的p w m 技术可以有效地抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降 低成本。 因此变速恒频风力发电技术在兆瓦级风力发电系统受到了广泛的关注。德国 2 0 0 3 年上半年安装的风机中9 0 5 采用变速恒频方式。 变浆距功率调节方式逐步取代定浆距功率调节方式，采用变浆距功率调节 方式避免了超过额定风速时发电功率下降的缺点。德国2 0 0 3 年上半年安装的风 机中9 1 2 采用的是变浆距功率调节方式。 无齿轮箱的直驱式方式增多。德国2 0 0 3 年上半年所安装的风机中4 0 9 采 用的是无齿轮箱直驱式方式。 在发电机类型上，控制灵活的双馈式交流异步电机和永磁同步发电机成为 新宠。 1 2 2 现有常用的风力发电系统 一、双馈式风力发电系统 双馈式交流异步发电机的定子并到电网上，转子通过一个励磁变换器和进 线电抗器与电网相连。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频 率可使定子电流频率恒定。应满足： l = p 。l 。 t 石为电网频率； 厶为转子机械频率；以为电机的极对数； 2 上海大学硕士学位论文 疋为转子电流频率。 当发电机的转速小于同步转速时，处于亚同步状态，此时励磁变换器向发 电机的转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能到电网。当发电机的转速高 于同步转速时，处于超同步状态，此时发电机由定子和转子同时发出电能到电 网，励磁变换器的能量逆向流动。当发电机的转速等于同步转速时，处于同步 状态，此时励磁变换器向转子提供直流励磁。当发电机的转速发生变化时，通 过控制转子电流的频率，实现变速恒频控制。由于这种变速恒频控制方式是在 转子电路实现的，而流过转子电路的功率为转差功率，仅为定子电路功率的一 部分，约只占整个系统额定功率的3 0 左右，从而直流回路上所需的电力电子 器件的功率等级可以大大下降，进而大大降低系统的成本。 励磁变换器采用双p w m 变换器结构，能量可以双向流动。一般其网侧变 换器采用电压电流的双闭环控制，电机的转子侧变换器并网前是采用转子电流 开环控制策略，并网后采用电流有功分量，电流无功分量闭环解耦控制策略。 双馈式交流异步电机速度与风机速度的不匹配，从而导致了基于双馈式交 流异步电机的风力发电系统往往需要使用齿轮箱，使用齿轮箱一方面加大了系 统的成本，同时机械损耗也比较大，大大增加了系统维护成本，也影响了系统 的可靠性。图1 1 为基于双馈式交流异步电机的风力发电系统基本硬件示意图。 其中a 、b 、c 分别为电网的三相。 网倒变换器机俩变换器 图1 1 基于双馈式交流异步电机的风力发电系统基本硬件示意图 二、直驱式风力发电系统 风力机与发电机之间的转速匹配是个关键问题，低速运转的风力机与发 3 上海大学硕士学位论文 电机一般需要通过升速齿轮箱连接。大容量齿轮箱价格昂贵、故障率高、维护 困难，因此，齿轮箱的存在已成为风力发电系统进一步发展的瓶颈。为此，开 发直驱式风力发电系统的研究是提高系统效率和可靠性的有效途径之一。直驱 式风力发电系统一般采用永磁同步电机作为发电机。基于永磁同步电机的风力 发电系统现在一般采用不可控整流加升压电路的p w m 电压源型逆变器结构， 如图1 2 所示： 一一b 一占 2sj _ 土z、 、 = tt 、y 一 iy y y 、卜一 ， 一 一 一 1 1 帚一爷一帚 2sj2土 图1 2 带升压电路的直驱式风力发电系统的基本硬件示意图 上图所示的直驱式风力发电系统先把频率、幅值不稳定的交流电转换为直 流电，再将直流电逆变成为幅值、频率恒定的交流电并连接到电网。通过控制 逆变器输出电流的幅值和相位，可以灵活的调节系统的有功功率和无功功率； 通过调节风力发电机的转速，使其工作在最佳的叶尖速比状态之下，实现最大 风能捕获。上图1 2 系统可以利用升压电路将逆变器输出的直流母线电压提高并 且稳定在一个范围之内，使逆变器的调制深度较好，并且大大提高了风机运行 工作的范围。此类带升压电路的直驱式风力发电系统控制简单，电压利用率高， 电流谐波分量小。 我们常用的直驱式风力发电系统的基本结构有三种。见图1 - 3 。图1 - 3 ( a ) 为a c d i o d eb r i d g e - d c d c - c r p w m - g r i d 结构h j 郇，该系统将永磁同步发电机输 出的交流电，经过不可控二极管整流桥转换化为直流，再引入d c - d cb o o s t 升压 电路去调节并网逆变器的直流侧电压，该电路在一定的输入范围内保持输出电压 恒定峨7 1 ，根据风速和永磁发电机的转速，实现最大风能跟踪。但是，d c d cb o o s t 升压电路的开关器件容量需要与发电机的容量相当，需要大容量的电抗器。如果 要做到姗级的d c - d cb o o s t 升压电路，此时所需的电抗器的容量和体积相当大。 此拓扑结构被许多风力发电商采用，并有产品投入运行。 4 上海大学硕士学位论文 图卜3 ( b ) 为a c - p w mr e c t i f i e r - d cl i n k c r p w m - g r i d 结构8 ，们，该系统将永 磁同步发电机输出的交流电通过两个完全相同的两电平电压型三相p w m 变换器 逆变给电网，两个完全相同的电压型三相p 1 】| m 变换器通过直流母线相连，其英文 名为b a c k - b a c kp w mc o n v e r t e r c 8 1 。按照它们的位置分别称为网侧p w m 变换器和 机侧p w m 变换器，网侧p 嘲变换器的任务主要是两个，一是保证其良好的输出特 性，即输出的电流波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求，网侧p w m 变换器可获得任意可调功率因数；二是保证直流母线电压的稳定，直流母线电压 的稳定是两个p 删变换器正常工作的前提，是通过对输入电流的有效控制来实现 的，网侧p 删变换器一般要采用电压闭环来稳定直流母线电压。机侧p w m 变换器 是根据风速去调节发电机的转速，使其运行在风力机的最佳功率曲线上，实现风 能的最大跟踪。文献 8 给出了双p w m 的永磁同步电机风力发电的实验波形，但 功率比较小，只有3 k w 。但两电平电压型双p w m 变换器还有如下不足： ( 1 ) 大容量直流母线电容的存在是双p w m 变换器的一个很大的不足。直流母线电 容体积比较大，由于会随时间的增长而容量减少，降低了整个系统的使用寿命 【l o i i 】 o ( 2 ) 运行时的开关损耗比较大，无论是网侧变换器还是机侧变换器，同一桥臂的 上下两个功率器件之间的换流都是通过器件的硬开关实现的，运行时的开关损耗 是可观的。 图i - 3 ( c ) 为a c - m e r s - d i o d eb r i d g e - c r p w m - g r i d 结构n 钉，该结构在二极管 整流桥之前加了磁场能量恢复开关( m a g n e t i ce n e r g yr e c o v e r ys w i t c h m e r s ) ，m e r s 是由4 个i g b t 并联在一个桥臂上，中间用一个电容相连。可以控 制m e r s 的i g b t 的通断来控制电流的流向。同( b ) 图的转子侧p w m 相比，m e r s 不需要p w m 控制，因些m e r s 的开关频率比较低，开关损耗也比较小，这样可以 提高系统的效率。但和图( a ) 相比，增加了1 2 个开关器件，因此成本高、体积 大。 这3 种结构的共同缺陷是需要大容量的电力电子元器件来调整直流电压，主 回路结构复杂、价格高。 上海大学硕士学位论文 ( a ) a c _ _ d i o d eb r i d g 袱巾d r p w 陲确d 结构 ( b ) a 泔w m b r i d g e _ _ c r p w m - - - g d d 结构 ( c ) a c - 小但r s d i o d eb d d g e - - - c r p w m - - c n i d 结构 图1 3 直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图 1 2 3 风力发电系统的最大风能跟踪技术 风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风 力机及其控制系统将风能转换为机械能，发电机及其控制系统将机械能转换为电 能。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、效率。风力机的变桨距功率调节技术和下一节将要介绍的变速恒频风力发 电技术是风力发电的两大先进技术，是今后风力发电技术的发展趋势。本节首先 概括性地介绍一下风力机的功率调节特性。 风力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 动力学可知，风力机的输入功率： 6 上海大学硕士学位论文 = o 5a p v 3 ( 1 1 ) 由于通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，所以我们可以定义出 一个风能利用系数c ，： c p - - 每= 百p o ( 1 - 2 ， 从而我们得到风力机的输出机械功率为： 只= 0 5 c p a p v 3 ( 1 - 3 ) 定义叶尖速比( 叶片的叶尖线速度与风速之比) 为： 彳：坐0 4 ) 式中乜为时间t 内叶轮吸收的风能 e 为时间t 内通过叶轮旋转面的全部风能 为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 只为单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率 a 为风力机扫掠面积 ，为风速 p 为空气密度 ，为风轮半径 国为风力机械角速度 系数q 反映了风力机吸收风能的效率，它是叶尖速比旯和桨叶节距角口的 函数。当这些因素发生变化时，q 发生变化，风力机的运行点及其运行效率将 要发生变化。首先浆叶节距角的大小与q 的大小成反比。当浆叶节距角口不变 即定浆距时，风力机风能转换效率q 只与叶尖速比五有关系，即与风机叶尖线 速度和风速y 的关系有关，对应于风速的变化总要有一个相应的风机叶尖线速 度与之对应，从而始终保持最佳叶尖速比五。风力机的整体设计和相应的运行 控制策略应尽可能追求最大q ，从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功 率的提高却受到两方面的限制，一方面是电气回路中元器件的功率限制，另一 7 上海大学硕士学位论文 方面是机械传动系统结构部件的转速上限限制。风力发电的一个特点是当风力 减小到一定的程度后，发电机感应电势较小，系统不得不撤出运行，如何扩大 低速运行范围、最大限度捕捉风能，提高风力发电系统效率，是人们追求的目 标，也是风力发电中的关键核心技术。总的来说定浆距调节方式时风力机输出 特性可总结如下： ( 1 ) 在某一固定的风机转速下，风速v 越大，风提供的输入功率越大，风力 机输出的机械功率也越大。 ( 2 ) 在某一固定的风速下，风力机在某一个风机转速下输出最大机械功率， 转速较大或者转速较小都会使得输出机械功率减小。 ( 3 ) 风力机的最佳转速是相对于风速来说的，当风速增大时，风力机的最佳 转速也在增大慨m j 。 1 2 4 风力机的功率调节技术 功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调 节方式一类是定浆距失速控制，另一类是变浆距控制。 ( 1 ) 定浆距失速控制 这是一种风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性的控制方式。这种机组的 输出功率随风速的变化而变化，通常难以保证在额定风速之前c 。较大，特别是 在低风速段。这种机组通常设计为有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。 大功率高转速发电机工作在高风速区，小功率低转速发电机工作在低风速区，由 此来调整c 。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低c 。，从 而维持功率恒定。但实际上难以做到功率恒定，通常有些下降。 ( 2 ) 变浆距控制 在定浆距基础上安装浆距调节环节，构成变浆距风力机组。变浆距风力发电 机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠浆叶节距角( 气流方向与 叶片横截面的弦的夹角) 的改变来进行调节。在额定风速以下时节距角处于零度 附近，此时可看作定浆距风力机。在额定风速以上时，变浆距机构发挥作用，调 整叶片节距角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。 上海大学硕士学位论文 1 - 2 5 风力发电技术的发展 发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转 换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统 的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技 术可分为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y 简称c s c f ) n , 力发电技术 和变速恒频( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y 简称v s c f ) 屡i , 力发电技术。 ( 1 ) 恒速恒频风力发电技术 恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，c 。值往往偏离其最大值， 使风力机常常运行于低效状态，不能够做到风能最大捕获。而且对于恒速运行的 风机当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机传递给主轴、齿轮箱、发电机等部 件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果上述情况频繁出现会引起这些部件 的疲劳损坏。 ( 2 ) 变速恒频风力发电技术 变速恒频发电技术是一种新型的发电技术，非常适用于风力等绿色能源开发 领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频发电技术体现出了显著的优越性和广阔 的应用前景。 首先风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。如前述，风力 机在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加 给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。传统 的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速附近，当风速改变时风力机就 会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机 的损耗。采用变速恒频发电方式，就可按照风能最大捕获的要求，在额定风速以 下时，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上， 从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。 在变速恒频风力发电系统之中网侧逆变器实现有功功率和无功功率的解耦 控制。机侧变换器通过控制发电机的转速，实现最大风能捕获n 心1 3 1 。 9 上海大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 目前虽然国外变速恒频风力发电技术已经成熟，但是我国风力发电起步较 晚，基础较差。而风能的开发对于改善我们国家的能源结构，解决能源短缺和环 境污染问题，有着很重要的现实意义。为此本课题将在分析现有的风力发电技术 的基础之上，以英飞凌x c l 6 7 c i 单片机为核心，开发一套基于多重电枢混合励 磁电机的风力发电网侧逆变器控制系统，以实现有功功率和无功功率的解耦控制 和能量的并网，并期望得到一些研究成果和实际经验。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础。 第一章阐述了本课题相关科学的发展状况以及课题研究的目的和意义。 第二章对风力发电系统网侧逆变器的动态数学模型进行理论分析研究，并在 上述基础上介绍了按电网电压合成矢量定向的网侧逆变器控制系统策略。介绍了 电网电压合成矢量定向的几种基本方法，包括基于电网电压实时采样的定向方 法，基于电网电压过零点检测的定向方法以及电网电压实时采样结合软件锁相环 的定向方法。文章还介绍了一种基于锁相环的虚拟磁链的定向方法。 第三章详细介绍了基于英飞凌x c l 6 7 c i 单片机的风力发电系统网侧逆变器 实验装置，给出了相关电路的设计并详细介绍了风力发电系统网侧逆变器交流侧 电感的设计方法，并且给出仿真结果。 第四章阐述了风力发电网侧逆变器控制系统的资源分配及软件结构，对系统 各主要功能模块进行了详细的介绍。 第五章给出了风力发电系统网侧逆变器控制系统实验结果及相关分析。 第六章对多重电枢的串、并联切换给了比较详细的介绍。 第七章则对全文进行了总结。 l o 上海大学硕士学位论文 第二章风力发电系统网侧逆变器动态数学模型及控 制系统 2 1 引言 网侧逆变器作为发电机和电网的连接部分，通常采用p 删控制技术，有输出 电流正弦且谐波含量少、功率因数可调等一系列优点，并网逆变器主要采用电网 电压合成矢量定向的控制技术，根据并网逆变器的数学模型，采用空间矢量脉宽 调n ( s v p w m ) 方式和电网电压合成矢量定向的控制策略，实现有功功率和无功 功率的解耦控制。此时需要检测电网电压、网侧电流和直流母线电压。电网电压 传感器用来提供同步旋转坐标变换所需的空间角度信号，在此旋转坐标系下，交 流分量变成了直流分量。要获取电网电压的相位信息，可以采用基于电网电压实 时检测的方法，基于电网电压过零点检测的方法和基于软件锁相环的电网电压实 时检测方法。由于当电网电压发生波动或者受到干扰时，很难得到电网电压的相 位关系，同时又考虑到系统的成本以及可靠性，也可以考虑采用虚拟磁链和软件 锁相环来获取电网空间角度的新方法。 2 2 网侧逆变器的动态数学模型 2 2 1 网侧逆变器的三相原始模型 多重电枢混合励磁电机的风力发电系统采用小容量副励磁机混合励磁调节 装置代替大容量的主回路直流调节装置，有效地降低成本，提高系统效率：采用 多重电枢的可灵活调节的单元串、并联运行方式，降低电力电子器件直接并联的 难度，扩展风力发电系统的风能捕捉和低速运行范围，又提高系统的容错能力； 采用多极少槽的混合励磁同步发电机直接驱动，避免使用故障率很高的减速齿轮 箱，提高了系统的可靠性【2 0 1 。 本章将研究电枢单元独立运行时并网逆变器的控制策略，采用图2 - 1 所示 的直驱式风力发电系统的结构图来研究，方框部分为电压型并网逆变器，电流方 向如图所示。 上海大学硕士学位论文 电网 设三相电网电压为： 图2 - 1 直驱式风力发电系统的结构 匕= e c o s ( c o t ) e 占= e c o s ( a t 一2 a - 3 ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) e c = e c o s ( t o t 一4 万3 ) ( 2 - 3 ) 其中e 为相电压峰值，c o 为电网角频率。对于图2 - 1 所示的风力发电系统结构， 设网侧线路总电阻为r 则得到： 铲矾+ 哮+ ( 2 - 4 ) 铲r i n + 三鲁+ c i c + l d 口i f c + ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 、七为并网逆变器输出电流，“、“口、“c 为并网逆变器输出电压，是 连接并网逆变器与电网的电感。 2 2 2 网侧逆变器在两相静止坐标系下的数学模型 网侧逆变器三相原始模型比较复杂，通过坐标变换能够简化数学模型，便于 进行分析和计算。式2 - 7 为网侧逆变器经过坐标变换后在两相静止坐标系下的数 学模型。其中“口、u p 、乞、绉、e a 、e ，分别为逆变器输出电压，逆变侧电流， 以及电网电压在两相静止坐标下的值。 1 2 之 = 三李孽 兰三 = 三拿 2 2 3 网侧逆变器在旋转坐标系下的数学模型 ( 2 - 7 ) 通过从两相静止筇坐标系到两相旋转由坐标系变换，旋转坐标系的同步旋 转速度为t ，则可得： c o s c o t f s i n0 3 t 师l l e a 根据等式2 - 7 和2 - 8 得到： e 白a rc 0 $ c o t = i l s i n f t = 臣 = 臣 = 臣 = 臣 rc o so t i i s i nc o t l rc o so t l l s i n t o t rc o s c o t l l s i n f l - = f ：兰： r 丸 图 l 瓦j q c o 觚sc o t l l l 0l 。| j - s i nc o t j 三划 吖c o 觚sc o t 豫 i j iz 。i ( 2 - 8 ) 办 细 纪 + + + 嘶一出一班妣一以 l 厶 l + + + “ b 七 足 r r 。l 一2万一2。一2压一2 一 印 + + 丝出百 三 + + k 哆 r 尺 。l = 也百堕出 l l 一 一 l 唯 r r 一 一 a 帚 唧 。l 1j 1j 印 。l 1 j f f o 砌 | 町 斫 砌 | | | l 0 0门j 咖 i 耐 m ? 一，忆、 d 一班 门一 国 咖 伽 叭 m ? 一 伽咖 。l ，一 j 一出 门一 砌 唧 o咖砌 lr-j f f 咖 | 1j 1j 1j 1j 0 0_ 尼r 尼尺 r 尺 尺尺 -。l_。l-ll 一 一 一 一 1j 1i一1j 1j f f 伽砌 。l d 一出 ，、 l r_i f f o s 咖 上海大学硕士学位论文 乏 = ： 一 麓 一三丢 乏 一 一c s o 伽sc o t f 伽s i n 叫o t l l l - o 伽3 s i n c o ，t - - 一。o c s o 砌s 叫c o t l l f i ，d 。 制捌一三划一三酬 f 三二：二三：二三喜二二：之 2 2 4 电网电压合成矢量定向的网侧逆变器控制策略 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 采用电网电压合成矢量定向控制，将同步旋转d q 坐标系下面的d 轴定于电 网电压合成矢量e ，上面，q 轴超前d 轴9 0 0 ，即 心鸶 图2 - 2 为忽略了网侧线路总电阻r 的空间矢量图，e ，为电网电压合成矢量， 玑为网侧逆变器输出电压合成矢量，l 为网侧逆变器输出电流合成矢量，圪为 电感电压合成矢量，缈为功率因数角。0 = j 国d t 为e ，与口轴的交角。 g d 一一 图2 - 2 空间矢量图 1 4 上海大学硕士学位论文 卜三每圹即批 埘 卜鲁弘峨 忆1 劭 卜- 一巨擘( 2 - 1 3 ) 【= 一础屯 卜雾巩 协 h 哮氆 瞄m 从而实现了电流有功分量和电流无功分量f g 的解耦控制。为了使得输出电流能 电压合成矢量定向下的电流分量，采用电流p i 调节器实现闭环控制，电 流调节器的输出为逆变侧输出电压的给定值和”口，再经过s v p w m 控制逆变 f - 予? 弛 ( 2 - 1 5 ) 1 = + 弛 u 7 电网电压合成矢量定向的网侧逆变器的电流控制结构图2 - 3 。按照图2 1 的电流 方向标向( 即发电机惯例) ，当屯为正，f g 为零时，功率因数为1 ，并网逆变器仅 向电网发送有功功率，当屯为正，为负时，并网逆变器同时向电网发送有功功 率，并且向电网实现无功功率补偿，改变和可以控制向电网输出的能量大小 和功率因数口卜嘲。 1 5 上海大学硕士学位论文 图2 - 3 网侧逆变器的电流控制结构图 从上述推断中可以看出要实现此网侧逆变器有功功率和无功功率的解耦控 制，各变量的精确采样以及电网电压合成矢量的精确定向是关键【2 7 2 们，所以下章 节将重点研究电网电压合成矢量定向的方法。 2 3 电网电压合成矢量定向的方法 2 3 1 基于电网电压实时检测的定向方法 根据3 2 变换得到电网三相电压在静止两相坐标系下面的分量“口，”，。 由式2 - 1 6 得到： 得到： 卧 1 l一 2 o 鱼 2 ( 2 - 1 6 ) f 11 1 r 叱一i 一苌产c i ( 2 1 7 ) 1 压 喵1 i -坳= - y 秒= 蝴丝= 蝴霉( 2 - 1 8 ) 宰砧此 2 儿 其中秒为电网电压合成矢量e 与口轴的交角。根据等式2 1 7 ，2 1 8 可以看出这 种基于电网电压实时检测的定向方法，不存在积分环节，不存在错误累积，只需 1 6 12万一2一：隽可 上海大学硕士学位论文 要实时检测电网电压“c 和“此即可，方法简单，原理清晰。但是一旦电网电压 发生波动或者三相电压不平衡时，角度检测会不准确，影响系统的解耦控制。 2 3 2 基于电网电压过零点检测的定向方法 图2 4 彳c 电压检测电路图 亨 嗽翩删 图2 - g “c 电压过零点检测结构图 由于电网电压的频率为恒定的5 0 h z ，基于这个特征，一旦我们捕捉到某相 1 7 上海大学硕士学位论文 电压的过零点，再根据此相电压与电网电压合成矢量的角度关系，就可以得到电 网电压合成矢量的空间角度。 如图2 4 ，2 - 5 所示，相电压“一c 经过一个电压互感器，再经过一系列的调 理电路和正向偏置电路，最后送入到a d 转换口。同时将信号送入一个比较器， 根据图2 4 ，2 - 5 得到当比较器输出一个下降沿的时候“一c 由负变正，输出一个 上升沿的时候“c 由正变负。据此我们利用单片机的捕抓口就可以得到“_ c 的过 零点时刻。玑，u s ，为三相电网平衡正弦电压，三相合成矢量为e 。 曰，：玑+ + u c = u c o sc o t + u c o s ( 卜寻7 c 弦争 + “玖坫r ，一詈兀儿， 耳：兰“p 朋 j 2 1 9 “彳c2 甜一“c2 u c o s 0 2 t u c o s ( c o t 一万) ) ( 2 2 0 ) = 五c o s ( c o t 一喜万) 由式子2 1 9 得到当u a 幅值正向最大的时候，占，角度过零【2 9 1 。又根据式( 2 - 2 0 ) 得到“一c 落后3 0 。，所以得到“c 由正变负时，即比较器输出一个上升沿的时 候，秒即e 。与口轴的交角为1 2 0 。此方法原理清晰，计算量小。但精度受到过 零点检测的限制，并没有从本质上解决当三相不平衡或者电网波动时，检测精度 受到影响的问题。并且过零点检测每一个半波只检测到一次，后一个半波的信息 丢失，因此当电网电压波动或者三相不平衡时，很难获取电网的相位信息，并且 此方法还需增加过零点检测的硬件电路。 2 3 3 基于软件锁相环的电网电压实时检测的定向方法 众所周知，p i 调节器的输出量决定于输入量的比例一积分，到达稳态后， 输入等于零，输出的稳态值是输入的积分。根据p i 调节器的上述特点，可以在 系统中设置一个p i 调节器，其输入量为可以影响电网电压合成矢量角精度而稳 态值趋向于零的变量，输出量为秒即电网电压合成矢量与口轴的交角，用p i 闭 环构造的方法来实现软件锁相。，“c 为检测到的电网三相电压，咋 上海大学硕士学位论文 为检测到的三相电压进行3 2 变换得到的a ，p 分量，0 为电网电压合成矢量角， 0 为软件锁相环输出的角度信号，为电压在以矿旋转坐标系下面的d , q 轴分量。 卧 “c o s f ”伽似一争 “伽一扣 州捌 州一c o s o * e 咖o s 什ej l u 口p j = = = - “u c 。s i s n ( ( 口o - - 口0 ) ) = ” 二。s i s n , 5 9 0 l j ”l 一j ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 图2 6 软件锁相环结构图 从2 - 6 中我们可以看出，电压给定u 。与反馈之差通过p i 调节得到角频率q ，q 与电网的基频缈相加得到缈，加上电网的基频国的目的是为了加快锁相环的启 动速度。国在通过积分得到矿，由实际检测得到的三相电压加上3 2 变换与角 度0 进行旋转变换得到u 。如果电网电压合成矢量实际角度口与闭环输出角度 矿偏差为零，则”口= 0 。所以通过p i 调节使得“。：o ，则锁相环的输出角度锁定在 电网电压合成矢量的实际角度口上。所以“。- 0 。根据式2 2 3 ，p i 环反馈为一“。 基于锁相环的方法虽然多了一个p i 环，算法相对比较复杂，但是也因为存在闭 环所以抗干扰性好，检测准确【3 0 】。 综合上述三种电网电压合成矢量的定向方法，基于电网电压实时检测的定向 方法和基于电网电压过零点检测的定向方法，两者在电网三相不平衡或者电网发 1 9 1j 9 9鸺目 c s “ “ 。lr-j 伊伊 1 s 0 s c 上海大学硕士学位论文 生波动等情况下都无法获得正确的电网电压合成矢量角，而基于软件锁相环的电 网电压实时检测的定向方法由于存在p i 闭环，使得此方法具有很强的抗干扰能 力，通过每个p w m 周期的闭环调节作用，得到正确的电网电压合成矢量角，所 以本文采用基于软件锁相环的电网电压实时检测的定向方法。 2 3 4 基于虚拟磁链定向的电网电压合成矢量定向方法 在风力发电系统中，为了达到良好的静、动态性能，电网电压定向是必不可 少的。通常要采用电压互感器检测。但是，采用电压互感器检测的方法也带来以 下一些缺陷： ( 1 ) 系统的成本会增加。 ( 2 ) 电压互感器工作精度会受环境条件的影响。 ( 3 ) 当检测受到干扰时，无法得到准确的电网电压合成矢量角。 因此，如果能够取消电压互感器，而利用网侧逆变器本身的一些特性来估算 电网电压合成矢量角对提高系统的可靠性、对环境的适应性具有重要的意义。在 这种情况下，我们进而研究无需电压互感器的网侧逆变器控制方法。风力发电网 侧逆变器实质上与变频器供电的无刷直流电机的定子电路有很大的相似性，采用 类似于电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网电压磁链矢量，从而达到可以取消 交流侧电压互感器的目的。三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图2 7 所示，其 中，e j ，e c 分别为电网的三相电压，l 、r 分别为电感和电阻。并网逆变器的 电网电压相当于电机的气隙磁场在定子绕组产生的感应电动势，而电抗器的电感 和电阻相当于是电机定子绕组的漏感和电阻。因此图2 - 7 圆圈内可以看作是一台 虚拟的无刷直流电机。 图2 7 三相电压型的并网逆变器 在三相交流电机的矢量控制系统之中，通常采用磁链作为矢量控制中的定向矢 上海大学硕士学位论文 量。而对于并网逆变器的电网电压，e 口，p c 则可以认为是由虚拟磁链产生的 感应电动势。假设三相电网电压平衡，电流参考方向入图2 7 所示，则口、坐 标系下面的电压方程如下： 仁 “口= “d e ( 斤s o i 1 c + & ” 。2 2 5 ， 1 “卢：二筝“二j 6 一s 。， 2 2 5 k = ( d o 一寺( d 6 + 见) ) 1 矿牟“出么刮 q 。2 6 【”户= 下“d c 【一乜j 忽略线路中的电阻得到： _ f v a = 睁出= 乎口d t 屯乇= 屯屯( 2 - 2 8 ) 1v p = 唧出= ”p d t - l i p = v p l 一三咕 卜= 卜d t ( 2 - 2 9 ) 1 。= f 坳d t 其中儿、y ，为电网电压合成矢量的虚拟磁链在口、轴的分量。而，y ，为 2 1 4o 厶 一 2 k 妇 r r 一 一 堕出百 工 工 一 一 口 ， “ “ = = 力 。厶 一 q 以 出 ) ) k 妇 戤 尉 一 一 以百百 l l 一 一 口 ， ” “ “八“八 = = 比 出 气 勺 胁胁 = = 上海大学硕士学位论文 逆变侧输出电压合成矢量的虚拟磁链在口、轴的分量。由于纯积分环节容易引 入误差，所以用一阶低通滤波环节来代替式2 - 2 9 的纯积分环节。来消除误差。 得到： 得到： 1 = 可t s + i ( 2 - 3 0 ) l ，l5 t s + i o ：口，c 加监= 口阳t a n 蜷 ( 2 3 1 ) v pw i l t l 唯 其中0 为电网电压的虚拟磁链合成矢量角，即虚拟磁链合成矢量与口轴的交角， 由于稳态时电网电压合成矢量超前虚拟磁链合成矢量电角度9 0 0 ，所以得到电网 电压合成矢量角0 = 0 7 + 9 0 。 2 3 5 基于软件锁相环的虚拟磁链观测器 考虑到软件锁相环的抗干扰能力，将虚拟磁链观测与软件锁相环结合