（电气工程专业论文）直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究.pdf

硕上学位论文 摘要 随着电力电子技术在电力系统应用的日益扩大，锁相同步技术成为变流器的 一个共性问题，也是变流控制系统中一个最基本的问题，锁相同步的性能优劣将 直接关系到变流器的技术性能和运行稳定性。大功率直驱型风力发电系统是目前 最具实用前景的风力发电系统之一，但该系统中网侧变流器的电网电压同步信号 很容易受电网不平衡和畸变的干扰，电网不平衡时网侧变流器直流侧电压会产生 波动，同时交流侧输入电流会含有谐波分量。 本文主要研究内容是直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略。本文 对基于双同步坐标系的解耦软件锁相方法和电网电压不平衡条件下网侧变流器中 采用的正负序旋转坐标系下双电流环的控制策略进行了深入分析探讨，并通过仿 真验证了理论成果的正确性。 本文首先简要介绍了直驱风力发电变流控制系统的组成、网侧和机侧变流器 的控制策略。本文重点讨论了传统的单同步坐标系软件锁相方法和基于对称分量 法的单同步坐标系软件锁相方法的锁相原理和各自的优缺点，验证了这两种锁相 方法在电网不平衡，频率突变和相位突变时的锁相特性。针对这两种锁相方法在 电网不平衡时存在锁相误差，本文提出基于双同步坐标系的解耦软件锁相方法， 对电网不平衡条件下的锁相原理进行详细分析，然后通过仿真验证这种锁相方法 在电网不平衡时的锁相特性。 最后本文分析了电网不平衡条件下网侧变流器的数学模型，详细讨论了电网 不平衡条件下网侧变流器直流侧电压波动和交流侧输入电流含有谐波分量产生的 原因，提出在网侧变流器中采用正负序旋转坐标系下双电流环的控制策略。最后 通过仿真验证该控制策略的可行性。 关键词：风力发电；永磁直驱；网侧变流器；软件锁相环；电网不平衡 i i 直驱风力发电网侧变流器的同步方法j 控制策略研究 a b s t r a c t w i t ht h ep o w e re l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e mi sg r o w i n g ，a sac o m m o n p r o b l e mt h a tp h a s e l o c k e ds y n c h r o n o u st e c h n 0 1 0 9 yo fc o n v e r t e ri sa l s oaf h n d a m e n t a l q u e s t i o no f c o n v e r t e dc o n t r o ls y s t e m p h a s e l o c k e ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ew i l l b ed i r e c t l yr e l a t e dt ot e c h n i c a lp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo ft h ec o n v e r t e r h i g hp o w e rd i r e c td r i v ew i n dp o w e rs y s t e mi st h em o s tp r a c t i c a lp r o s p e c to fw i n d p o w e rs y s t e m si nt h ew o r l d h o w e v e r ，t h ev o l t a g es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a lo fg r i ds i d e c o n v e r t e rw a se a s i l yd i s t o r t e du n d e ru n b a l a n c e dv o l t a g ea n di n t e r f e r e n c ei nt h e s y s t e m ，d cv o l t a g eo fg r i ds i d ec o n v e r t e rw i nf l u c t u a t e ，w h i l eh a r m o n i c sw i l lb e p u l l e di na ci n p u tc u r r e n t t h i sm a i nr e s e a r c hc o n t e n ti s s y n c h r o n i z e dm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g i e sf - o r g r i ds i d e c o n v e r t e ri nd i r e c td r i v ew i n d p o w e r d e c o u p l e dd o u b l es y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef r a m es o f t w a r ep h a s e - l o c k e dm e t h o da n dp o s i t i v es e q u e n c ea n dn e g a t i v e s e q u e n c e r o t a t e dr e f e r e n c ef r a m ed o u b l ec u r r e n t l o o p c o n t r o l s t r a t e g y u n d e r u n b a l a n c e dv o l t a g ec o n d i t i o ni sd e e p l ya n a l y s e d ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a l r e s u l t si sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n t h ec o m p o n e n t so fd i r e c td r i v ew i n dp o w e rc o n v e r t e rc o n t r 0 1s y s t e m ，g r i ds i d e a n dm a c h i n es i d ec o n v e r t e rc o n t r 0 1s t r a t e g yi sg i v e ni nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l ea n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb yt h e m s e l v e so ft h et r a d i t i o n a ls i n g l es y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef r a m es o f t w a r e p h a s e l o c k e dm e t h o da n ds i n g l es y n c h r o n o u sr e f e r e n c e f r a m es o f t w a r ep h a s e - l o c k e dm e t h o db a s e do ns y m m e t r yi sf o c u s e di nt h i sa r t i c l e t h e p h a s e - l o c k e ds y n c h r o n i z a t i o np e r f 6 r m a n c ei s v e r i f i e du n d e r u n b a l a n c e d v 0 1 t a g e c o n d i t i o n ， m u t a t e d f r e q u e n c ya n dm u t a t e dp h a s e a sm e t h o d sf o rt h e s et w o p h a s e l o c k e d u n d e ru n b a l a n c e d v o l t a g e c o n d i t i o ne x i s t s p h a s e - l o c k e de r r o r ， d e c o u p l e dd o u b l es y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m es o f t w a r ep h a s e l o c k e dm e t h o di s p r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dp h a s e - l o c k e dp r i n c i p l eo ft h i sm e t h o di sd e t a i l e da n a l y s e d u n d e ru n b a l a n c e dv 0 1 t a g ec o n d i t i o n t h e np h a s e l o c k e ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e o ft h i sm e t h o du n d e ru n b a l a n c e dv o l t a g ec o n d i t i o ni sv e r i n e db ys i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fg r i ds i d ec o n v e r t e ru n e ru n b a l a n c e dv o l t a g e c o n d i t i o ni sd i s c u s s e d t h ec a u s e so fd cs i d ev o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n di n p u tc u r r e n t w i t hh a r m o n i cc o m p o n e n t si ng r i dc o n v e r t e ru n d e ru n b a l a n c e dv o l t a g ec o n d i t i o ni s d e t a i l e dd i s c u s s e d ，p o s i t i v es e q u e n c ea n dn e g a t i v es e q u e n c er o t a t e dr e f e r e n c ef r a m e i i i 硕十学位论文 d o u b l ec u r r e n tl o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e di ng r i ds i d ec o n v e r r t e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ： w i n dp o w e r ；p e r m a n e n tm a g n e td i r e c td r i v e ；g r i ds i d ec o n v e n e r ； s o f t w a r ep h a s e - l o c k e dl o o p ( s p l l ) ；u n b a l a n c e dv b l t a g e 硕上学位论文 1 1 课题背景及意义 第l 章绪论 在现代工业、交通、国防、生活等领域中，除变比固定的交流变压器以外， 大量需要的是各种类型的电力变换装置和变换系统，将一种频率、电压、波形的 电能变换为另一种频率、电压、波形的电能，使用电设备处于各种理想的最佳工 作情况，或满足用电负载的特殊工作情况要求，以获得最大的技术经济效益。经 过变换处理后再供用户和设备使用的电能，占全国总发电量的百分比值的高低， 已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。预计到2 1 世纪二、三十年代，美 国发电站生产的全部电能都将经变换和处理后再供负载使用【lj 。 通过现代电力电子技术实现电能变换是现阶段各国普遍采用的方式。当今世 界环境保护问题日趋严重，应用高频电力电子技术可以使电气设备重量减轻、体 积变小，节省大量铜、钢等原材料。广泛采用电力电子技术以后，还可以节省大 量的电力，这就可以节约大量资源和一次能源，从而改善人类的生活环境【lj 。 现代电力电子技术以实现高效率用电和高品质用电为目标，以功率处理为对 象，采用电力半导体器件，并综合自动控制技术、微处理器技术、电磁技术等实 现电能的获取、传输、变换和使用。以i g b t 和功率m o s f e t 为代表集高压、大电 流和高频于一体的功率半导体器件表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子 技术时代【2 】。i g b t 和功率m o s f e t 等新型电力电子器件因其性能先进，又具有明 显的节能、功率驱动作用，所以在风力发电、太阳能光伏发电、变频调速、柔性 交流输电系统( f a c t s ) 、高压直流输电系统( h v d c ) 等领域都有巨大的应用i j 景。 随着电力电子技术和电力电子器件的发展，一类性能更加优良的采用g t o 、i g c t 等新型全控器件和以脉宽调制控制技术为基础的f a c t s 和用户电力技术( c p ) 装置 迅速涌现，正处于开发试验和推广阶段，这类装置包括有源电力滤波器( a p f ) 、 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 和动态电压恢复器( d v r ) 等。 随着化石能源的日益紧缺和出于对生态环境的保护，人们正在大力开发可再 生能源发电系统【4 】。目前，在全世界范围内，风力发电发展势头迅猛。过去1o 年 平均年增长率达到2 8 ，全球安装总量达到了7 4 0 0 万k w 【5 j 。已经有越来越多的国 家把风力发电作为未来电力投资的重点。我国也制定了自己的“乘风计划 以鼓 励风电设备国产化【6 j 。风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频风电机组和变速 恒频风电机组。风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电的频率保持恒定为 电网频率。恒速恒频在风力发电中，控制发电机的转速不变，从而得到频率恒定 直驱风力发电网侧变流器的同步方法j 摔制策略研究 的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过其他方法来得到恒频 电能。其中变速恒频风电机组因为提高了系统的风能利用率和采用桨距控制而被 广泛采用。目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。主流机型有绕线式转 子双馈发电机系统和永磁直驱型风力发电系统【7 j 。 ( 1 ) 绕线式转子双馈发电机系统 这种发电系统的原理为：发电机采用绕线转子感应发电机，定子接电网或者 直接接负载。在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。转速变化时，控制转 子电流的频率，可使定予频率恒定。转子和电网之间需要有双向的能量流动，所 以采用双p w m 变流器。转子侧逆变器控制发电机，定子侧逆变器控制和电网的 能量交换，转子侧只处理转差功率【8 j 。 胁 电网 图1 1 双馈变速恒频发电系统总体框图 ( 2 ) 永磁直驱型风力发电系统 直驱型风力发电系统风力机与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱。 首先将风能转化为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后 经过三相逆变器变换为幅值和频率恒定的交流电连接到电网【9 ，l 们。通过中间电力 电子变换环节实现对系统有功功率和无功功率的调节，实现最大功率跟踪和最大 效率利用风能。 风力机 图1 2 直驱型风电系统示意图 其中，永磁直驱型风电系统以其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有优势 正受到越来越多的关注，已经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。 但从上面的介绍可以看出，上述这些基于电力电子技术的变流器( 整流器或逆 变器) 都有一个共同的特点：它们直接或通过变压器、电抗器等设备间接地与电网 并联或串联，这类变流器必须与所连接的电网同步运行。要实现变流器与电网的 2 硕上学位论文 同步运行，首先必须检测电网电压的频率和相位，并以此来控制变流器，使其与 电网电压保持同步。对系统的正常运行来说，电网电压的相位与幅值是同样重要 的。甚至2 0 5 0 毫秒的偏角度可能导致变流器不能正常工作【l 。因此，锁相同步 技术是变流器的一个共性问题，也是变流控制系统的一个最基本的问题。在永磁 直驱风力发电系统中快速而准确的相位同步检测是矢量控制和功率因数调节的基 础，但该系统中网侧变流器的电网电压同步信号很容易受电网电压不平衡和畸变 的干扰，因此如何取得与同步相位信号是一个十分重要的研究课题【l 引。 锁相同步技术及其具体实现方案不能脱离具体的应用背景，因为不同的应用 背景对锁相同步要求的侧重点会有所不同。随着电网环境的变化和变换器技术的 不断进步，变流器对锁相同步技术的要求也在不断提高。 一方面，当今电网的电能质量受到多方面的威胁，电压波形畸变和三相不平 衡现象日益严重，严重影响了锁相同步电路的工作可靠性和运行稳定性，作为同 步参考信号的电网电压，也并非恒频的正弦波形。首先，电压的频率会波动，虽 然波动的幅度有限，波动的速度较慢；其次，电压的波形会发生畸变，含有谐波 或电压跌落；此外，由于非线性负载的影响三相电压可能不平衡。 另一方面，变流器由以晶闸管为代表的低频变换器向以i g b t 为代表的高频变 换器过渡，这对锁相同步电路的跟踪性能和稳定性提出了更高的要求。变流器对 锁相同步电路的要求：零相位点无抖动，稳定性好，抗干扰能力强。 随着电力电子技术在电力系统应用的同益扩大、用户对电能需求的同益增大 和风能、太阳能等新能源技术的进一步发展，变流器的锁相同步技术在现代电力 系统中占有越来越重要的地位。同时，变流器用锁相同步技术必将随着电网环境 的变化和变流器本身的发展而不断改进和提高，尤其是当电网电压发生畸变( 三相 不平衡、谐波、电压和频率跌落等) 时，如何采用新的锁相策略和算法来消除电网 电压畸变对相位检测精度的影响是我们应该很好考虑的i l 2 。 1 2 锁相技术简介 锁相是相位锁定的简称，其具体含义是同步相位的自动控制，或者说是利用 相位自动调节的方法实现两个信号的相位同步。锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l l ) 就是完成自动相位控制的负反馈环，它在航天、通信、微处理器等许多领域中都 有着广泛的应用。 1 2 1 锁相技术的发展 锁相技术的发展距今已有三百多年的历史了。早在16 6 5 年，霍金斯( h u y g e n s ) 就第一次获得了锁相技术的第一手观察资料。当时他注意到肩并肩挂在墙上的两 个钟摆可以长期保持同步，匹配的精确程度就像机械装置一样，已远远超出了它 直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究 们的能力范围。因此他假定两座钟摆之间发生了一种“共振”现象，它们是通过 空气媒质得以相互支援的，也就是说，两者通过相互支援达到了相位锁定。这是 历史上第一次给出了两个振荡器之间出现相位锁定的物理解释。但是由于当时科 学技术条件的限制，霍金斯的发现并没有得到足够的重视。 从数学理论来说，锁相原理可以回溯到十九世纪。直到二十世纪二十年代， 人们才开始深入研究同步理论。1 9 3 2 年，贝尔赛什( b e l l e s c i z e ) 第一次公开发表了 锁相环的数学描述【l3 1 ，提出了同步检波理论。他在文章中论述了无线电信号的同 步接收问题，这是在无线电技术发展初期，人们为了寻找一种有效的接收调幅信 号的新方法而提出的。其基本原理是，在接收机中用一个与输入信号载波频率相 等、相位基本一致的本地振荡器和一个混频器以及检波器来恢复原来的调制信号， 再经过音频放大器放大，去掉高频成份和噪声干扰信号后，就可以得到质量较好 的音频信号。因此，同步接收机仅由本地振荡器、混频器、检波器和音频放大器 四部分组成。显然，实现同步检波技术的关键是如何产生一个本振信号，使之与 输入信号载波频率完全相同，而且在相位上也保持一致，也就是说，本振信号必 须与输入信号相位锁定。由此提出来必须发展锁相技术这一课题。可惜由于其他 原因，这种简单的同步接收机没有得到广泛的应用。 19 4 0 年锁相技术第一次成功地应用于电视机水平扫描行同步装置中，它可以 抑制外界噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发 使画面抖动的现象，使得荧光屏上的图像稳定清晰【l 训。随后，在彩色电视接收机 中也用锁相环来同步彩色脉冲串。从此，锁相技术引起了广泛重视，发展迅速。 在五十年代，随着空间技术的发展，由杰费( j a f f e ) 和里希廷( r e c h t i n ) 研究的利用锁 相环作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，他们第一次发表了包含有噪声效应的 锁相环线性理论分析的文章，同时解决了锁相环最佳化设计的问题。由于航天技 术的推动，锁相技术得到了极大的发展。到了六十年代，维特毕( v i t e r b i ) 研究了 无噪声锁相环的非线性理论问题，同时发表了相干通信原理一书。随后在七十年 代林特赛( l i n d s c y ) 和查利斯( c h a r l e s ) 进行了有噪声的一阶、二阶以及高阶锁相环 的非线性理论分析，并做了大量实验来充实其理论。但是还有很多物理现象和问 题得不到解释。直到现在，世界各国的科技工作者还在对锁相技术的理论和应用 进行广泛深入的研究【l4 。 从七十年代开始，随着半导体工业的迅速发展和i c 技术的提高，锁相技术开 始应用于集成电路，出现了单片锁相环。接着，锁相环的应用迅速普及，被广泛 应用于频率合成器、接收机的调制解调器、数字电路的时钟发生器以及时钟和数 据恢复电路等。 到目前为止，锁相技术不仅在航天领域，而且在其他许多领域都获得了广泛 的应用。从雷达、通讯、制导、导航、遥控、激光、仪器、计算机，乃至一些工 4 硕士学位论文 业生产部门，如冶金、水文地质、电力、机械加工、生产自动化等，都广泛使用 了锁相投术。与此同时，锁相环电路也从基本的二阶发展到三阶或更高阶，从单 环发展到了复合环。 随着微电子技术的迅速发展，芯片的集成度以及系统的工作频率都得到了极 大的提高，锁相环电路的制造工艺也有所发展。对于频率超过g h z 的高速锁相环 来说，为了适应速度的要求，早期主要使用i i i v 族的化合物半导体来实现。随着 集成电路技术的发展，九十年代以来主要采用b i c m o s 技术来实现【1 5 ，16 1 。对于采 用c m o s 技术实现的锁相环，早期由于受到工艺技术的限制，其频率一般不高。 当工艺技术跨进亚微米时代后，数百兆赫的锁相环已经可以利用c m o s 技术实现 7 【1 4 】 j o 现阶段随着d s p 技术的高速发展，对锁相环的研究逐渐从硬件锁相环转入软 件锁相环领域。这也使得软件锁相环获得了更加广泛的应用。 1 2 2 锁相环的基本特征 锁相环的基本特征概括起来就是“稳”、“窄 、“抗”、“同步 【1 7 】。 “稳”是指锁相环的基本性能是输出信号频率稳定地跟踪输入信号频率，锁 定后频差为零。因此可以用锁相环构成稳频系统，例如微波稳频信号源，原子频 率标准等。 “窄 是指锁相环具有窄带跟踪性能。利用其窄带特性，可以用它实现窄带 跟踪滤波器，此时环路可以从输入已调信号中提取载波信号，因此在相干通信中 得到了广泛的应用。 “抗”是指锁相环具有抑制噪声特性，因此它被广泛应用于抗噪声干扰的装 置。 “同步 是指锁相环具有同步跟踪性能，它的输出信号相位可以跟踪输入调 角信号的相位，因此被广泛应用于调角信号的解调。 1 2 3 锁相环的分类 根据锁相环的结构不同可以大致分为以下几个类别【1 8 】： ( 1 ) 模拟锁相环：即由纯模拟电路构成，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型 的锁相环也被称作线性锁相环； ( 2 ) 混合锁相环：即由模拟和数字电路构成，鉴相器由数字电路构成，如异 或门，j k 触发器等，而其他模块由模拟电路构成； ( 3 ) 数字锁相环：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的模块完全出数字 电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容； ( 4 ) 软件锁相环：即由计算机程序构成。其中软件锁相环有利于实现高阶锁 相环，电路结构清晰，稳定性高，大大简化了锁相环的设计。 直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究 1 3 锁相技术的研究现状 锁相技术的基本功能是根据输入参考信号( 可能含有噪声或干扰) ，检测并输 入信号的频率和同步相位。相位输出信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散 的数字信号。由于现代电力电子装置几乎全部采用数字控制器，因而，同步电路 的相位输出一般为离散的数字信号。 通常变流器用的锁相同步电路的接口变量如图1 3 所示。输入、甜6 、“。为电 网三相电压信号，作为变流器的同步参考信号，若采用单相同步，则只有一路电 压信号输入；凡“，为与频率相同、零相位时刻相同的方波输出信号，用来反映电 网频率和零相位时刻；凡，为凡甜，的倍频方波输出信号，用来反映当前时刻的数 字相位，相位分辨率为，或者反映电网电压一个周期的个等间隔的特定相位时 刻。譬如，对于三相测量系统而言，凡。，的每个上升沿( 或下降沿) 代表一个工频 周期中的个等间隔采样点；对于s p w m 或s v p w m 控制的电压源逆变器而言， 凡”，的每个上升沿( 或下降沿) 代表一个调制波信号的周期内每个载波信号的起始 点【l8 1 。 砧c 变流器 锁相同步电路 m 巳， 图1 3 锁相同步电路的接口变量 同步相位检测要解决的关键问题为：( 1 ) 如何正确地检测出电网电压信号的零 相位时刻，而不受电网电压扰动的影响；( 2 ) 如何产生n 倍于电网频率的等间隔离 散相位信号。针对这些问题，形成了多种具有不同原理和实现方法的解决方案。 从同步方式来讲，分为单相同步和三相同步；从原理上讲，有单纯的矢量变换法、 基于波形过零比较的锁相环和基于矢量变换的锁相环之分；从实现方法上讲，有 硬件实现与软件实现之分，还有模拟电路与数字电路之分。但是，在实现等间隔 离散相位信号输出时均采用锁相环原理i l 引。 1 3 1 过零比较方式 图1 4 为过零比较锁相方式的结构。采用过零比较将输入电压转换为方波，送 入p l l 芯片，得到电压的相位信息。若要得到一个同相位的标准信号，可将信号 信息存储在f l a s h 、e p r o m 等存储芯片中，利用相位信息读出其中数据，经d a 变换即可。这种方案原理和结构都很简单，也易于工程上的实现。但是一个工频 周期内电网电压只能检测到两个过零点，这限制了锁相环的锁相速度【1 9 ，2 们。由于 单相同步时，每周期调整2 次，动态响应慢【2 】，故可采用三相同步方式，三相同步 使得每工频周期内的锁相环调节次数由单相时的2 次改善为6 次。 过零比较法存在的主要缺点是，当电网侧电压中含有谐波或者三相不平衡时， 6 硕士学位论文 使得信号零点与基波零点不一致，或者更为甚者在基波零点附近有多个信号过零 点2 1 1 ，输入电源电压信号中含有负序和零序，不能准确的确定基波正序的过零点， 从而影响了锁相的精度。 原黼 三：，勰，冈- u 弼醒葫稚癌片 掴骂 ? 罗，甲，匕_ 饪p r o m ) 图1 4 过零比较锁相方式原理框图 1 3 2 基于q p 变换的锁相方法 文献 2 2 】给出了仅变换的变流器同步锁相方法，如图1 5 所示，该文提出通过 低通滤波对电网电压实现同步相位；电网频率恒定的情况下，采用空间矢量滤波 实现同步相位；电网频率变化情况下的空间矢量滤波实现同步相位和扩展的卡尔 曼滤波器实现同步相位。对这几种方法的同步性能通过相移、频率偏差和低频电 网电压谐波的响应特性来研究。基于0 【一j f 7 变换的这几种滤波方法实现的同步可以检 测任意时刻的电网电压的同步相位，但检测结果受到三相不平衡的影响，可以滤 出谐波的影响但也引入一定的相位偏移，相位偏移受电网频率和截至频率的影响。 采 ( 后) 。 伐o 尼 虬( ) l p f l u ( 七) i 样阮f 七1 。 爿m m 七) k p ( ) l ) 保 变 持 坼( 七) 。 换 “疗 七、 l p f 图1 5 基于筇变换的锁相方法原理框图 1 3 3 基于d q 变换的锁相方法 为了进一步解决三相电压不平衡的影响，文献 2 3 ，2 4 ，2 5 】给出了一种基于小g 变换的变流器同步锁相方法，如图1 6 所示。该方法同样可以检测任一时刻电网电 压的同步相位，因为蚴、中的直流分量对应于电网电压的基波正序分量，而交 流分量对应于负序分量和谐波分量，因此，只要使用低通滤波器滤除交流成分， 就可使相位检测免受三相电压不平衡的影响。但是，由于电网电压负序分量经过 小g 变换后在甜小“口中表现为2 倍于电网频率的交流成分，若要良好滤除，则需降 低低通滤波器的截至频率，这影响了控制系统的动态特性。 除上述方法之外，文献【2 0 ，2 1 还分别提出了基于最小二乘法、离散傅立叶变 换、比例积分控制和相关算法的同步检测方案，其稳态性能良好，不受电网电压 畸变的影响，但计算量大，实时性差。因此这里不做介绍。 7 直驱风力发电网侧变流器的同步方法弓控制策略研究 图1 6 三相锁相环的控制流程图 目前，全数字化、软件化的锁相环越来越受到人们的重视。由于数字系统在 某些方面有着模拟系统无法比拟的优势，所以数字化的锁相环相对于常规的模拟 锁相环有很多优点。数字系统在信号处理过程中，仅受量化误差和有限字长效应 的影响，在处理过程中不引入其它噪声影响，有较高的信噪比。而且，用软件编 程实现数字滤波，只需修改编程过程中的几个设计参数，就能灵活方便地实现不 同性能的滤波器，从而改变环路的跟踪特性，为环路的调试带来极大的便利和灵 活性。用纯软件的形式来实现锁相环已经成为工程应用的一种趋势，锁相技术正 在从模拟到模数混合再到全数字化、软件化方向发展。而在软件锁相环方面，还 没有比较实用的算法和方案。所以研究适合用d s p 实现的一套纯软件的直驱风力 发电系统网侧变流器的同步锁相算法是很有实践意义的【l2 。 1 4 本文主要研究内容及结构安排 本课题主要内容是直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究。介 绍了直驱风力发电变流控制系统的结构，重点讨论传统的单同步坐标系软件锁相 方法和基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相方法的锁相原理和各自的优缺 点，提出基于双同步坐标系的解耦软件锁相方法。最后分析电网不平衡条件下网 侧变流器的数学模型，提出在网侧变流器中采用正负序旋转坐标系下双电流环的 控制策略。 第1 章概述课题的研究背景与意义，说明锁相环的重要作用，简要介绍锁相环 的发展、基本特征、分类和国内外在锁相环技术方面的研究现状，对常用的三种 锁相方法进行比较说明。 第2 章首先介绍直驱风力发电变流控制系统的组成，分析p w m 变流器的数 学模型，提出网侧和机侧变流器的控制策略。 第3 章首先说明网侧变流器相位同步的重要性，介绍锁相环的构成、工作原理、 工作状态及软件锁相环的数学模型。重点讨论传统的单同步坐标系软件锁相方法 和基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相方法的锁相原理和各自的优缺点，验 硕十学位论文 证这两种锁相方法在电网不平衡，频率突变和相位突变时的锁相特性。针对这两 种锁相方法在电网不平衡时存在锁相误差，提出基于双同步坐标系的解耦软件锁 相方法，对电网不平衡条件下的锁相原理进行详细分析，通过仿真验证这种锁相 方法在电网不平衡时的锁相特性。最后简要介绍实验室搭建的直驱变流器控制系 统模拟实验平台的构成，对网侧、机侧变流器的控制策略和锁相环的特性进行实 验验证，对实验结果进行理论分析。 第4 章首先分析电网不平衡条件下网侧变流器的数学模型，详细讨论电网不 平衡条件下网侧变流器直流侧电压波动和交流侧输入电流含有谐波分量产生的原 因，提出在网侧变流器中采用正负序旋转坐标系下双电流环的控制策略。最后通 过仿真验证该控制策略的可行性。 9 直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究 第2 章直驱风电变流器控制策略 直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，采用风轮直接驱动多极低 速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电路将电能转换后并入电网，省去了 传统双馈式风力发电系统中国内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱，系统效率 大为提高，有效地抑制了噪声【26 。由于使用背靠背双p w m 全功率变流器的永磁 同步发电机组目前具有较大的市场份额和应用前景，本文研究的内容将以采用背 靠背双p w m 全功率变流器的直驱型永磁风力发电系统为对象。 全功率变流器由机侧变流器和网侧变流器两个三相p w m 电压型变流器构成。 发电机侧变流器实现对永磁同步发电机( p m s g ) 转速的控制，以实现最大风能捕 获；网侧变流器实现输出并网，输出有功、无功功率的解耦控制和直流侧电压控 制【27 1 。直驱型永磁风力发电系统背靠背双p w m 全功率变流器拓扑结构如图2 1 所 示。该变流系统拓扑能很好地提高系统性能，通用性较强。双p w m 变流器两侧主 电路完全一样，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对电机转速和输 送到电网电能质量的优良控制1 2 引。 风力机 图2 1 直驱风力发电系统背靠背双p w m 全功率变流器拓扑结构 2 1p w m 变流器数学模型 为了实现三相p w m 电压型变流器的高性能控制，首先需要建立和分析它的 数学模型。其等效电路图如图2 2 所示2 8 1 。 对于三相电压型p w m 整流器一般数学模型的建立，通常作如下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相平稳的纯正弦波电势，对称且稳定； ( 2 ) 网侧滤波器电感l 是线性的，且不考虑饱和； ( 3 ) 功率开关的管损耗以电阻凡表示，开关器件为理想开关； ( 4 ) 为描述整流器能量的双向传输，其直流侧负载由电阻r 和直流电动势 1 0 硕上学位论文 串联表示。 图2 2p w m 变流器等效电路图 因为开关函数描述数学模型是对整流器开关过程的精确描述，故采用开关函 数建立模型。为分析方便，首先定义二值逻辑开关函数为： 瓯= 佬器燃 眼墟p亿， io 下桥臂开通，上桥臂关断 ”_ 一r 一7 将功率开关管损耗等效电阻风同交流滤波电感等效电阻凡合并，且令 尺= 尺+ 风，采用基尔霍夫电压定律对口相回路进行分析可建立回路方程为3 0 ，3 1 】： 哮饯= 巳七州+ 喇 ( 2 2 ) 当口相桥臂上管导通而下管关断时，西= 1 ，且甜州= “出；当d 相桥臂下管导通 而上管关断时，置= 0 ，“口= o 。因此= s ，式( 2 2 ) 可改写成： 哮城= 乞邙。+ 同理可得6 相、c 相方程如下： 考虑三相系统对称，则 磅+ r f 6 = 一( + “加) 嗉城= 巳飞+ ) 联立式( 2 2 ) 式( 2 7 ) 可得 吃+ 吃+ 巳= o 乞+ 毛+ 之= 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 直驱风力发电网侧变流器的同步方法j 控制策略研究 “d = 一三譬( j l + s 2 + 毛) j 因此，直流侧电流讧可描述为： 么= 屯s 2 + 乇s 2 + 之邑屯+ ( 屯+ 屯) _ s 2 s 3 + ( + 之) 而为s 2 + ( 毛+ ) 是邑西+ ( 乞+ 屯+ 之) s l s 2 岛 = 乞量+ 乇s 2 + 岛 另外，在图2 2 中对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： c 警嘲啪懈一警 可以得到p w m 整流器的一般数学模型如下【3 1 ，3 2 】： 巳一哮吨一曲嘞。 c 警嘲嘞峨一 该式可以写成矩阵形式： = 一兰 茎 一圭 211 333 121 333 112 333 甜出一气 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 酗圭豳亿 并m s 讣吉 2 2 中间直流环节数学模型 由电工理论可知，对直流滤波电容c 的储存能量可按式( 2 1 4 ) 计算，即 ( 2 1 3 ) 以面识一衍以瓦 硕。l ：学位论文 w = 三c 暖 双p w m 变换器功率流向图见图2 3 所示【3 2 1 。 机侧变流器 网侧变流器 p d c i p d c 2 = = 二 7 7 山7 l n 上p t “ f 图2 3 双p w m 变换器功率流向图 ( 2 1 4 ) 图2 3 中b 为发电机输出的有功功率，乓为网侧变流器的输出功率；n 为流 过电容的有功功率，在忽略电容损耗的情况下，这部分能量被储存在电容器中； 1 为机侧变流器的直流输出功率，尸如2 为网侧变流器的直流输出功率，即负载 功率。 又因为： = 詈= 三c 丢暖 衍2 。衍。出 联立式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 得： 丢c 丢暖= 匕。一匕： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 对于网侧变流器，在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下，运用交流侧与 直流侧的功率平衡关系可得： 气 圪：= 0 = 丢( 白+ 名。) ( 2 1 8 ) 同理对于机侧变流器，在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下，运用交流 侧与直流侧的功率平衡关系可得： 气 屹。= e = 吾( v 耐如+ ) 1 3 ( 2 1 9 ) 直驱风力发电嗍侧变流器的同步方法与控制策略研究 式( 2 1 7 ) 中含有直流电压的平方项，不利于直流电压作为被控量的控制系统设 计，为此，可定义一个新变量 。且令： u = 暖 ( 2 2 0 ) 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) 得： 丢c 要u ：圪1 一匕2 ( 2 2 1 ) 2衍 “ 、 2 3 电网电压定向矢量控制 将三相静止坐标系下的变换器数学模型变换经变换矩阵式( 2 2 2 ) 变换到到两 相同步旋转的小g 坐标系中变换后得到三相p w m 变换器在两相同步旋转坐标系 中的数学模型为【2 8 3 2 】： = 詈l = ：三黜篇鬻赫i 亿2 2 ， 3 2 2 了l s i n 研 s i n ( 研一2 万3 )一s i n ( 耐+ 2 万3 ) i o z z z j d i d d t d q 衍 d u d c 西 一竺国一量 一一国一二 ， r s q 一国一一一二 丑堡。 蹦 ! oo 三 + k 1 一 u 三 1 o 一一 c ( 2 2 3 ) 其中：，& 是开关函数瓯变换到小g 坐标系中的d ，g 轴相应的开关函数。 网侧变流器的控制目标是：( 1 ) 维持输出直流电压恒定且有良好的动态响应能 力；( 2 ) 确保网侧输入电流波形正弦，功率因数可调且最高可达到1 。故输入电流 的有效控制是网侧变流器控制的关键。从本质上讲，网侧变流器是一个涉及交、 直流电能形态转换的能量变换系统，由于正常情况下电网电压基本恒定，对输入 电流实施快速而有效的控制也就能有效的控制能量流动的速度和大小1 2 巩3 l j 。 式( 2 2 3 ) 所表示的输入电流满足下式： 哮一坳饥喝 ( 2 2 4 ) 哮= 一只f g + 国三。心一& 设变流器交流侧输出电压为： 1 4 硕十学位论文 则式( 2 2 4 ) 可写成： 哮= 吨砒饥一屹 唾卅岛埘屯+ 一 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 由式( 2 2 6 ) 可以看出，网侧p w m 变换器的d 轴电流和g 轴电流之间存在交叉 耦合，而且d 轴通道上还存在电网电压的常值干扰，直流侧的负载电流也是d 轴 通道上的一种扰动，因此控制系统设计的复杂性由于耦合和扰动的加入被增加。 为了找到一种能解除d 轴电流与g 轴电流和消除电网电压扰动的控制方法【2 9 ，3 1 ，3 2 1 。 令： 则式( 2 2 6 ) 可变为式( 2 2 8 ) 。 三冬+ 如 d t “ 三拿+ 心 d l q ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 式( 2 2 8 ) 表明，引如状态反馈量上f q 与- 三白实现解耦，同时又引入电网扰动 电压“小嘞进行前馈补偿，从而很好地实现d 、g 轴电流的独立控制，系统的动 态性能可获得较大的提高28 1 。 电网电压定向矢量控制即将同步速坐标系的d 轴定向于电网电压矢量玑则有 电网电压的d 、g 分量为： 式中“肼为电网相电压幅值。 两轴坐标系下，网侧变流器相对于电网的有功功率和无功功率分别为： ( 2 2 9 ) & = = ，1l 蚴 + + 喵嘶 + 一 叱 = = 屹 脚 “o = = 蚴 ，【 直驱风力发电网侧变流器的同步方法与控制策略研究 ( 2 3 0 ) 式( 2 3 0 ) 中，当p 大于0 时表示网侧变流器工作于整流状态，从电网吸收能 量；当p 小于0 时表示网侧变流器工作于能量回馈状态，这时能量从直流侧输向 交流电网。当9 大于o 时表示网侧变流器相对于电网呈感性，吸收滞后无功电流； 当q 小于0 时表示网侧变流器相对于电网呈容性，吸收超前无功电流。所以d 、g 轴电流分量认如实际分别代表着网侧变流器的有功电流分量和无功电流分量1 3 引。 由图2 1 电路拓扑结构可知，当交流侧输入功率大于负载消耗功率时，多余 的功率会使直流侧电压升高；反之，电容电压会降低。由于变流器的d 轴电流与 交流侧有功功率呈正比，因此可对电容电压进行控制，用电压调节器的输出作为 d 轴分量电流如的给定值，它反映了变流器输入有功电流幅值的大小。 图2 4 网侧变流器控制框图 根据需要的功率因数和d 轴电流给定值幻，可得到