（电力电子与电力传动专业论文）风力发电变流系统多重斩波器的研究.pdf

北京交通大学颟士学位论文 了开关器件的电流应力。 本课题采用平均电流法对三重升压斩波器进行控制。在 分析斩波器雾霪薹蓁r 刚；魈塾妻蓁羹艾蔷霾鋈鍪冀馨曩鸶 捌嚣露融篷鳇霪醒，潍罂露鞭夔疆慧馥夔羹塑。蠹鬻墓孵嚣 要| 羹霪鼹熏惹萎：婪囊瑟墓錾霪露羹鹫潜蓬霪戆嚣霆羹菇蓉； 鬟嚣蘑嚣亭硅g 璧羹鏊錾羹墓蝉嚣羹舞骚墓鋈夔露韩鏊雾 爱巍二妻萋蔷鏊霪冀鋈巅羹霎霾| 嚣蓍攀麓雾c e n t ”a r s th e t h e s i si sap a no ft h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gm w 1 e v e l 、i n de ne r g y c o 力v e r s i o ns y s t e mw 蜘c hj sak c y8 6 3p r o g r 柚i tj sm a j n l y 曲o u tt l l ew j 们 e n o r g yc 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 ic ha p p l i e dt 0 t h ev a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf h q u e n c yw i n de n e r g ys y s t e m ( v s c f ) t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ew i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s te m su t i l i z i n g t h ec o n v e r t e rt 0d e l i v e r i n gt h ep o w e re n e 唱y i tu t i l i 船st h ea c d c - a c p o w e r c o n v e r t e r t o d e l i v e rt h e h i g h - l e v e l p o w e re n e 唱y 厅o m 北京交通大学硕士学位论文 e x p e r i m e n _ 【a ir e s u l t sv e r i 每咖ef e a s i b i l i t yo ft h em u l t i p i eb o o s tc o n v e r t e r u s c di nt t i cw i n de n e r g yc o n v e r s j o ns y s t c m 卸dc o n 矗m lt h e 雠a i y s i sw e d i s c u s s e d a l io ft l l ec o n t r o is i g n a l sa 豫b a s e do nd s p b a s e df i l i l yd i g 诅i c o n t r o l i m p l e m e n t a t i o nf o rt l l em u i t i p i es t e p - u pc o n v e r t e l 0 nt h eb a s i so f t h e s ed e s i g n st h em a i nc i r c u i ta | 1 dt h ec o n t r o lc i r c u i ta r e s i m u l a t c du s i n gm j 盯l a ba n dt h er e s u l t so fs o f h v a ms i m u i a t i o na r e p r o v i d e d a tt h em e 锄t i m e ，粕e x p e r i m e n tp l a t f o r mo fw i n de n e 删 c o n v e 憾i o ns y s t e mi sc 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 s 撇 p r e s e n t e da n d 蚰a l y z e d nt h i sp a p e l t h es i m u l a t i o n 蚋de x p e r i m 曲t a lf e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o 咖o f w i n de n e 唱yc o n v e r s i o ns y s t e mc o n f i 舯t h ea i l a l y s i so ft l l em u j t j p i eb o o s t c o n v e n e lf u n l l e 肌o r e ，t t l ei m p i e m e n t a t j o no ft h ee x p e r i m e n t a is y s t e mn o t o n l yv e r j n e st h ef 色鹞- b i l 时o ft h eb ( o s tc o n v e r t e ru s e di nt h ew i n de n e r 窖y c o n v e r s i o ns y s t e mb u ta l s oh e i p st or e a l i z et h em 、v - i e v e lw i n de n e 毽y c o n v e r s i o ns y s 衄mi n 向t u r e k e y w o r d s ：b o o s tc o n v e 代e hm u l t j p | e ，w i n de n e 门阱s t a t e s p a c e a v e r a g i n gm e t h o d s m a l is i g n a lm o d e l i n g 1 1 风力发电概述 第一章绪论 能源、环境是当今人类生存和发展所要躺决的紧迫问题。能源的发 展按照可持续发展战略原则，在开发利用常规能源的同时，应更加注重 开发利用对生态有利的新型能源，如风能、太阳能、潮汐能、水能等。 风力发电由于清洁无污染施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好 的经济效益和社会效益，已受到世界各国政府的高度重视 1 】。 2 0 世纪7 0 年代，在第一次石油危机发生之后，人们才注意到风力 发电，井开始把它作为种后备能源来开发。到2 0 世纪末，风能已成 为一种最重要的可再生能源。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，从内陆穆到海上【2 】。风能已成为一种 重要的可再生能源。 风力发电机组( 简称风电机) 是将风能转化为电能的机电设备。风轮 是风电机最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力 外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能， 再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。在理论上最好的风轮只能 北京期大学硪士学位论文风力发电变流系统多重斩渡器的研究 将约6 0 的风能转换为机械能。现代风电机风轮的效率可达到4 0 。风 电机输出在达到额定功率之前，功率与风速的立方成正比，即风速增加 1 倍输出功率增加8 倍，所以风力发电的效益与当地的风速关系极大。 风电场与常规的火电厂和水电站比较，山于单机容量小，可以分散 建设资金比较容易筹集，基建周期短，有利于资金周转，及早还贷。 过去2 0 年风电技术进步很快，虽然目前风电机成本还比较高，随着生产 批量的增入和技术改进，成本仍将继续一下降。 风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物。不 需要移民。风电场虽然占了大”土地。但是风电机基础和道路实际使用 的面积很小。不影响农 上| 和牧场的正常生产。多风的地方往往是荒滩或 山地，建设风电场同时也开发了旅游资源。 1 2 风力发电发展现状 1 2 1 国外风力发电发展现状 8 0 年代初在风电市场上销售的第l 代风电机组，其转轮直径为 l o - 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，备国不断提高风力发电机组的单机容量。到9 0 年代中期，风电机组转轮直径长达5 0 米，单机容量增加到5 0 0 1 0 0 0 千 瓦。目前，欧洲市场的风电机组，单机容量达2 0 0 0 3 0 0 0 千瓦，成为现 在可以系列生产的最大风电机组。控制方式从单一f i 勺定桨距矢量控制向 全桨叶交距和变速控制发展。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 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 北京交通人学硕士学位论文m 力发电变流系统多重斩波器的研究 下降3 0 。 风力发电是大规模利用风能最经济的方式【3 】。到2 0 l o 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1 0 ，德国1 1 年间，风力发电增长了2 1 倍，2 0 0 3 年占全国发电量的4 ，美国将新增风电装机5 2 8 5 万千瓦。丹麦风电 装机占全部发电装机的4 4 ，发电量2 2 。全世界总装机超过4 0 0 0 万 千瓦，年增长速度超过3 0 。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 0 0 2 年风电向欧洲提供了2 的电能，随着风电机组技术进步和成本降低以 及对能源多样性和能源安全方面的重视，风电比例会逐渐提高。欧洲风 能协会研究表明：从技术、经济和资源等方面考虑2 0 2 0 年全球1 2 的 电能可以来自风电；而目前世界上风电仅提供约o 4 的电能。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 0 1 0 年可提供 世界电力需求的l o ，世界风电市场将达到2 5 1 0 1 2 欧元，风电装机 可达2 3 0 g w ；2 0 2 0 年风电装机可达1 2 3 l g w 提供1 7 9 万个就业机会， 风电成本下降4 0 ，累计减少c 0 2 排放1 0 9 2 lm t 【4 】。 1 2 2 国内风力发电发展现状 我国人口众多，能源相对匮乏，电力资源、设施也相当紧缺。我国 作为世界上最大的发展中国家，面临人口、资源和环境的巨大压力。能 源和这三个制约因素密切相关。从可持续发展的观点看，能源是我国实 现现代化的一个长期制约因素，需要几代人的努力才能解决。主要问题 有：人均能耗低而能源需求高。我国拥有世界第三大能源系统，一次能 源( 也即矿物燃料) 消费量居世界第二位。但能源需求远高于世界平均 北京交疆大学磺士学位论文风力发电变流系统多重斩波嚣的研究 水平。其次，人均能源不足，远远低于世界平均水平。再者，农村商品 能源短缺。农村居民生活用能仍主要靠柴草，薪柴消耗量超过合理采伐 量，造成大面积森林植被破坏，水土流失加剧，大量稻杆不能还田，导 致土壤有机含量减少，地力下降。还有以煤为主的能源结构面临严峻挑 战。我国是世界上少数几个能源以煤为主的国家之一。也是世界最大煤 炭消费国，以煤为主的能源结构给环境和运输造成愈来愈大的压力，我 国以煤炭为主的能源结构正面临着严重的挑战。我国是一个资源大国， 同时也是一个能耗大国。有数据表明，我国探明总资源量为8 2 3 0 亿吨 标准煤，探明剩余可采总储量1 3 9 0 亿吨标准煤，剩余可采储量的保证 程度为：煤炭8 0 年、石油1 5 年、天然气3 0 年，分别为世界平均水平 的l 2 ，1 3 和l ，2 。我国能源主要是以煤为主，水能较丰富，缺乏石油、 天然气资源，人均能源资源量低于世界平均水平。有数据表明，我国总 能源效率为3 2 ，低于世界平均水平10 个百分点；单位g d p 能源消耗 是美国的4 倍，欧盟的6 倍，日本的1 0 倍。同时我国面临臣人的环境 压力酸雨，酸沉降和煤烟型人气污染十分严重，能源问题已经成为关 系国际民生的重要课题。 为解决我国能源紧缺的问题，专家们一方面呼吁发展节能技术，令 一方面，从能源系统的角度提出要开发使用新能源，减少对能源矿产的 依赖。现阶段，一次性商品能源以煤为主，在中国一次性能源结构还将 长时间占据不可替代的地位，因此，开发利用新能源和可再生能源，用 来取代资源有限、对环境污染的化石能源已经成为全世界人们的共识。 而解决我国能源问题的主要措施为：大幅提高能源利用效率，努力建设 节约型社会；积极利用国际资源，特别是油气资源，努力改善能源结构： 大力开发利用可再生能源资源，实现能源资源利用的本地化。如前所述， 新能源包括核裂变、核聚变、太阳能、地热能、海洋能、风能等，可再 4 ! ! 塞至望厶兰堡兰些丝壅墨旌叁皇銮煎墨堡垒重堑熊墨曲丛窭 生能源包括风、流水、海洋热能、地热、太阳辐射及草木燃烧等。其中 风能的开发和利用经过几十年的长足发展，现在已经接近成熟。据美国 环境与能源研究所发袋的。篇报告指出，风力发电有可能成为人类最经 济的能源。因此风能作为一种重要的可再牛能源也成为我国当前发展的 主要方向之一【5 。 在过去十几年巾，我国的风力发电及其技术长期依赖进口风力发电 机组，设备价格高及长途国际运输致使我国的风电产业发展受到严重影 响，这一现实与国家进一步降低电价的要求相矛盾。除此之外，进口设 备在我国气候条件下的不适应及大量损坏部件得不到及时更换等问题 更阻碍了我国风电产业的健康发展，因此开发中国特色的本土化风力发 电设备已迫在眉睫。 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 亿千瓦，实际可开发的风能储量为2 5 3 亿千瓦。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。3 0 到5 0 年内超过水电和核电成为主力发 电电源。随着可再生能源法2 0 0 6 年1 月1 日的开始实施，我国风电事业势 必会走上快车道，成为我国能源资源中的一个重要组成部分。 到目前为止，我国已经研制出从1 0 0 w 到7 5 0 k w 几十个型号的风 力发电。我国的内蒙古小型风力发电机应用得最快、最多。进入九十年 代，我国政府加大了风电的开发力度，空气动力学、新型材料、计算机 控制技术等被应用到风力发电机中。在组织箨方力量研制大型风力发电 机的同时，还引进国外牛产的技术先进的大型风力机，组建风电场，这 极大地促进了我国风电事业的发展。 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 ! 塞塞墨盔堂塑主竺垡丝墓墨垄垄查壅鎏墨篓墨壅堑塑矍塑塑塞 能源作为能源领域主题之一列入国家8 6 3 计划。在“十五”和“十一五” 期间，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，m w 级变速恒频风力发电系统就列在其中。 1 3 风力发电技术发展状况 1 3 1 风力发电技术的发展 风力发电机组可以分为两大类，恒速恒频，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，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，通过其他方法来得到恒频电能。 以前，安装在世界各地风电场的风力发电机组，绝大多数为恒速运 行机组，而采用变速恒频发电系统后，风力机就可以改恒速运行为变速 运行，这样就可使风轮的转速随风速变化并保持一个恒定的最佳叶尖速 比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的控个运行风速范围内都 处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。尤其是这种变速机组 可适应不同的风速区，当一台风电机组安装在平均风速与其最佳设计工 况的平均风速差别较大的风电场时，变速运行的优势就更加显著了。 恒速运行的另一个弊端是，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。 当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，部分被 加速旋转的风轮所吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而 北京交通大学硕士学位论文 风力发电变流系统多重斩波器的研究 避免主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力；当风速下降时，在电力电 子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网。在 这里，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到了缓冲作用，使风力 机内部能量传输部件承受的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力的 产生，从而使风电机组的运行更加平稳和安全。 变速运行还有一个好处是，可以降低风力机在低风速运行时的噪 音，并可使风轮设计突破原有的框框。恒速运行，风轮转速不能太高， 因为在低风速时，环境噪音不大，掩盖不了叶片的气动噪音，所以恒速 风轮的叶尖速度般局限在6 0 m s 左右，相应的叶尖速比在7 5 左右。由 于空气动力学的原因，风轮转速越低，叶片尺寸就必须越大。而变速机 组由于风轮转速与风速成比例变化，所以较少受到低风速噪音的限制， 设计中可以采用更大的时尖速比。同样由于空气动力学原理，较大的叶 尖速比，可将叶片做得更薄，从而降低制造成本。变速机组即使设计叶 尖速比大于恒速机组，低风速时的转速仍会大大低于恒速机组，因而噪 音低，更有竞争性。 目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，它在发出有功功率的同 时，还需要消耗无功功率( 通常是安装电容器，以补偿大部分消耗的无 功) 。而现代变速风电机组却能十分精确地控制功率因数，甚至向电网 输送无功，改善系统的功率凶数。 由于以上原因，变速风电机组越来越受到风电界的重视，特别是在 进一步发展的大型机组中将更为引人注科。当然，决定变速机组设计是 否成功的一个关键是变速恒频发电系统及其控制装置的设计。由于现代 电力电子技术和控制技术的发展，这问题在技术上已经得到很好的解 决，在经济上电力电子变换系统的成本也在日益下降，这些都为变速风 电机组的推广应用，提供了良好的条件和前景。 j ! 塞塞墨盔堂鲤主丝堕塞塾查垄生錾煎蔓丛垒蒌堑鎏堡塑翌窭 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地向电 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 发电系统中升压斩波器的控制技术。 全球最近十几年来风电产业得到了迅速发展。这一方面促使商家研 制与开发新的风力发电机组，以多样化的品种满足风力发电市场的需 求；另一方面。风电在与传统电能的竞争中，经济性因素越来越重要， 在某种程度上已成为首要因素。因此，一个必然的发展趋势是单机容量 的大型化，在降低设备造价的同时降低风电建设的配套成本。近l o 年 来，风电设备主流机型的单机容量已从2 5 0 3 0 0 k w 、6 0 0 7 5 0 k w 逐 步上升到卜- 2 m w 。我国在利用风能上具有很大潜力，但我国幅员辽阔。 地理，气候条件千差万别，国内市场对风电机的需求多样化，仅以现有 的国产6 0 0 k w 机组及7 5 0 k w 机组应对目前的风电市场难以满足需求， 急需开发新的机型，形成大型风电机的产品系列。 目前，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，- 廿j 以降低发电成本。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 = 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 w 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，利用率低的国家，更具有晕要的现实意义和深远的社会意义。 1 3 2 风力发电技术的分类 目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交一直一交系 x 北京交通大学硕士学位论文 风力发电变流系统多重斩波器的研究 的工作模式进行了仿真，并搭建实验平台对多重斩波器带电阻负载进行 了开环和闭环的实验和调试，分析了实验波形。 最后文章在第六章得出了结论。 北京交通大学硕士学位论文风力发电变流系统多重靳渡器的研究 轮转速不变，而风速经常在变化，因此 不可能经常保持在最佳值( 即 使是采用变桨距叶片) ，c 。值往往与其最大值相差很多，使风力机常常 运行于低效状态。而变速运行的风力机使风力机在叶尖速比恒定的情况 下运转，从而使c 在很大的风速变化范围内均能保持最大值，提高风 力发电机的效率。图2 1 为风轮转速与输出电能关系曲线图( v l v 2 v 3 v 4 v 5 ) 1 l 】。 风能 图2 一l 风轮转速与输出电能关系曲线图 f i g u r e 2 lr e l a t i o n s h i pb 咖e e np o w e r 扑dr a t a t i o n a ls p e e d 由上图可知，在风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与 风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数。这就是变速风力发电机 组进行转速控制的基本目标。 2 1 2 主电路结构 在1 2 m w 永磁直驱风力发电机组中，变流系统的作用是将风力发电 机发出的能量进行交一直一交变换后送入电网，从而满足电网连接要 求。图2 2 所示为兆瓦级风能逆变系统的主电路。它由六相永磁同步电 机、六相整流电路、三藁斩波器、制动单元和双重三相p w m 逆变器组 成。 滤波l整流器升压轿波嚣i 制动荦元逆变器 蹿2 2 兆瓦级风能逆变系统主电路 f i g u r e 2 - 2m a i nc i r c u i to f w i n de n e f g yc o n v e 九盯s ”t e m 在1 2 m w 风力发电系统中，为了减小发电机电流谐波，降低转矩脉 动，永磁同步发电机采用六相对称结构，其输出电压为六相正弦电压， 相位依次相差6 0 0 ，输出电压频率及幅值随风速及发电机转速而变化， 因此在变流系统主电路中，发电机输出的六相交流电压通过图2 2 所示 二极管组成的六相不控整流桥变换成直流电压。另外，同步电机后面接 有滤波电容，补偿容性电流，目的是提高系统的稳定性。 因整流输出直流电压随发电机转速变化而在一定范围内变化，其最 大电压为9 4 0 v ，不能满足并时逆变器对直流侧支撑电压的要求，因此 在整流电路之后采用了升压斩波器进行直一直变换。在本系统中，升压 斩波器采用图2 2 所示的三重化结构，一方面可以减小每个i g b t 开关 器件的电流应力，使器件工作在允许的电流范围内，另一方面通过多重 化连接还可以减小输入电流巾的谐波含量，降低电机转矩脉动。 1 4 北京交通大学硕士学位论文风力发电变流系统多重斩波器的研究 系统中制动单元由电阻泄放电路和一个i g b t 组成，其作用是为了 防止直流电压过高超过1 2 0 。v 。 主电路中的直一交变换部分采用两重化p w m 逆变器，用于将直流侧 能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流侧电压恒 定的同时，使交流侧相电流接近于正弦，相电流与相电压同相，功率因 数接近于1 ，以减少输送到电网的谐波和无功含量。采用两重化的目的 是达到电路并联均流的作用，减小交流电流的谐波含量满足电网对谐 波的要求。 电力电子变流系统在进行电能变换的同时，也对电网及用电设备产 生不同程度的谐波污染，谐波的存在不仅容易使电力电子装置本身损 坏，还可能对公用电网产生严重污染，使输入电网的无功增加，谐波含 量增加，影响电网的供电质量，因此谐波是电力电子装置中需要解决的 大问题。目前，已经出现多种减少和抑制谐波的方法，在大容量交流 系统中主要采用多重化技术及无源滤波器等方法以减少谐波。 在该变流系统的各个能量变换环节中，均不同程度的存在谐波，为 减小并抑制谐波，系统采取了相应措施，在交一直变换部分采用了六相 不控整流电路，在直一直变换部分采用了三重化升压斩波电路，在直一 交变换部分采用了两重化p w m 逆变电路，在逆变器交流输出侧采用了电 容滤波电路。本文对多重斩波器进行了重点分析。 2 2 三重斩波器主电路 2 2 1 三重升压斩波器的工作原理 在1 2 m w 风能系统中，凶风力发电变流系统功率较大，若采用单重 升压斩波电路，斩波开关器件的电流应力较大，输入电流的谐波也大， 因此本系统中采用多重化的方式图2 3 所示为二煎升压斩波器。 图2 3 多重升压斩波器 f i g u r e 2 - 3m u l t i p l eb o o s tc o n v e r i e r 兰重升压斩波器是由三个触发脉冲互差1 3 开关周期的单重升压 斩波器并联组成。其中的一重升压斩波器如图2 4 所示。 图2 4 单重井压斩波器 f i g i i r e 2 4s i n 9 1 eb o o s tc h u i t 此系统中开关管q 使用i g b t ，其控制信号由外围驱动电路给入。 当q 开通时，升压二极管d 承受反向电压而截止，而电源电压加在电感 l d c 上，电感电流i d c 增长，电感l d c 储能增加，与此同时电容c 向负 载供电，电容电压下降；当q 必断时，电感电流i d c 下降，电感l d c 的 感应电势改变极性，与电源电压叠加，强迫续流二极管d 导通，电源和 电感同时为负载供电和向电容c 充电，由此升高了输出电压。 单重升压斩波器在连续电流模式下的电压方程为( 2 2 ) ，( 2 - 3 ) k 警碱 k 警= 圪一 从( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) ，我们能得出( 2 - 4 ) ，( 2 - 5 ) r 一。 ，一巧。7 1 d 叱，2 芒m ”2 等_ 如o d c 峨：毕切：坠掣( 1 _ d ) d c。出 其中d ：血一为占空比。 1 。n 七j 讲 当电流处于稳态，。= k ：，可得， 丘：上 】一d 由 ：输入输m 能景相等， v t ，i “= y ，i 。? 由( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) ，可得 立：l d 出 当电路处于暂态时【1 2 】， 叫女= k 。一k 2 = 一【一匕( 1 一d ) 】 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 9 ) 由于吒稳定，和k 可测，所以电流就可以有效控制的。示意图 如图2 5 所示： 二乡令鎏秘 日一t o n 礼。f f 0 t 图2 5 单重井压斩波器电流波形 f i g w e 2 5c u t r e n tw a v e f 打mo f s i n 9 1 eb o o s t 此时斩波器的纹波为： a ，：善l 乞。( 2 1 0 ) 当斩波器处于临界模式时有：掣：， ( 2 1 1 ) 输出电压纹波估计如下：设二极管d 中电流近似方波，即幅值等 于厶。一周中流过d 的平均电流和输出电流 的平均电流相同，从而 有： 如掣= l ( 2 1 2 ) 于是输出电压纹波圪可表示为 圪= 吉扣= 簪c 丁训= 吾l = 罟l 浯啪 i ! 堕至望 人主堡主芏堡鲨壅 墼垄垄皇奎迸墨堡童蔓堑茎墨鲤塑塞 变量说明；一输入电上丘圪一输出电压 k 一输入电流，电感电流l 一输出电流 k 一电感电流变化值k 一电感 匕。一电感电流上升值 一电感电流纹波 f 。一导通时问 丁周期 2 2 2 三重升压靳波器的控制原理 乞：一电感电流下降值 ，一电感电流平均值 切一关断时间 d 一占空比 本系统三重升压斩波器由i 个单重斩波器组成，每个斩波器控制原 理与单重斩波器相同但是它们的触发脉冲互差1 3 开关周期，如图2 6 所示。 三个脉冲信号为t 1 、他、t 3 ，与其相对应的斩波器输入电流为i l 、 1 2 、1 3 。当三个斩波器的输入电流相叠加后，电流值峰谷相错而合成较 平滑的总电流i ，其电流平均值是每个单重斩波器电流平均值的3 倍，电 流谐波频率也是单重斩波器的3 倍，而电流脉动幅值却降低到单重斩波 器的l 3 。由此可得知，斩波器的多重化，可以有效地减少谐波，减小 损耗，降低电机转矩脉动。由于斩波器中的平波电抗器电感量与脉动频 率成正比，所以多重化后可减小电抗器的重量与体积。 9 - - - 吨_ - l - - t l r f 广 厂 1 广1 广一 广 广 广 r 飞 飞弋 弋弋 八 八 ， 围2 6 三重升压斩液器电流波形 f j g u r e 2 6c u 吣n tw a v e f b 珊o f m u l t p l eb 0 0 s t 斩波器控制方式： 时间比控翩是改变斩波器输出的一种方法，可以分为定频调宽、定 宽调频和调宽调频三种类型，并且定频调宽是这三种控制方式中应用最 为广泛的一种。定频调宽控制是保持斩波周期不变，只改变斩波器的导 通时间的控制方法。如图2 7 所示。 图2 7 定颧调宽控制 f 远i i r e 2 - 7m o d u l a t i o nd u 哆w i t hc o n s t 锄tf r e q u e n c y n 他b o n o n 0 定宽调频控制是保持导通时间不变，而改变斩波周期的控制方法 如图2 8 所示： 。卉 k t o r 一t o 叫 ，目萜 j u 卉k “w 一+ t o 2 。自川 皿 图2 8 定宽调频控制 f i g u r e 2 8m o d u l a t i o nf r e q u e n c yw i t hc o n s t 扑td u 妙 调频调宽控制不但改变斩波器的工作频率，而且改变斩波器的导通 时间的控制方法，如图2 9 所示： 图2 9 调频调宽控制 f i g u r e 2 9m o d u l 砒i o nf r e q u e n c y 鞠dd u 廿 本系统就是在给定基准的情况下，通过与实际i g b t 电流的比较， 在定频调宽的时间比控制方式下，通过控制脉宽，使输入电流跟踪给定 电流，实现斩波器的控制。 2 2 3 斩波器电路参数的设定 本系统为1 2 f v a 风力发电系统，其中斩波器的设计需要满足如下 要求： 斩波器额定容量 斩波器输入电压 斩波嚣输出电压 整流器额定容量 整流器输入峰值相电压 整流器输出电压 i 2 m v a 9 4 0 vd c 1 2 0 0 v d c 5 1 2 m v a 4 9 0 v 9 4 0 vd c 由于并网逆变器的交流侧采用6 2 0 v 电压等级的变压器，而六相整 流器输出电压幅值最大不超过9 4 0 v ，要使逆变器正常工作，其直流电 压必须大于交流侧电压峰值，需加入靳波器提升电压幅值，考虑一定的 电网电压波动后，在本系统中逆变器直流侧电压即斩波器输出电压确定 为1 2 0 0 v 。 此风力发电系统为1 2 m v a 额定功率等级则斩波器额定输出电流 为：l = 吾= 等堋o 此风力发电系统中永磁同步电机随风速变化而发出频率和幅值变化 的电压，其最大峰值电压为4 9 0 v ，其正常工作最高电压约为4 5 0 v ，则 经过六相整流电路输出电压即斩波器的输入电压为： 圪= 赤霉厄：s t n 印砌= 要佤乩9 髑。娟缈 由功率公耻吡可得k = 毒= 警州9 5 4 整流器二极管的确定 整流器中整流二极管通过的电流为1 3 9 5 a ，此时其正向平均电流 ：霉n ，：蜉虬，圳。一。因此选用脚。 d d 5 4 0 n 2 2 k 整流二极管，其反向重复峰值电压( 反向浪涌电压) m = 2 2 0 0 矿，正向平均电流屯= 5 4 0 爿。 斩波器开关管的确定 三重斩波器中每个电感流过的平均电流约，：车= 三孚= 4 6 5 a ，电 感上的峰值电流不超过平均电流的两倍，即小于9 3 0 a ，电感上的电流 峰值与i g b t 的峰值电流相同，为保证足够的电流裕量，一般取其峰值 电流的两倍，实际应用中我们选取了额定值为1 8 0 0 a 的i g b t 模块，确 定为s e m i k r o n 公司的1 7 0 0 v 2 4 0 0 a 等级的s k i i p 模块其额定电流为： = 1 8 0 0 彳( 7 0 。c ，s i p2 4 0 3g bj 7 2 ) 。此模块的建议工 x 北京交通久学硕士学位论文风力发也变流系统多霄靳渡器的研究 2 3 斩波器控制框图及p i 调节器设计 2 3 1 斩波器控制框图 图2 1 0 所示为三重升压斩波器电流闭环控制框图。( ) r 为风轮转速， 。为斩波器输入电压检测值，l r e f 为斩波器给定电流，i d c 为单重斩 波器电感电流反馈值，由l e m 模块给出。三重斩波器的控制框图由三 个单重斩波器组成，每个斩波器自成一个系统三个共同协作，完成 了三重斩波器的平均电流控制。 图2 一l0 三重斩波器电流闭环控制框图 f i g u r e 2 - i o b i o c k d i a 酗a mo f t l ec u r r e n t 1 0 c k e d i o 叩f o r m u l ( c i p l eb 0 0 s c j ! 塞塞堕盔堂曼圭堂垒垒苎； 墼垄丝生窆选至錾墨墨堑鎏整盟煎墨 兰重斩波器中的每重斩波器的控制图如下， 图2 一1 1 单重电流闭环控制框图 f i g u n 2 - lls m g l eb i o c kd i a l 即mo f t h ec u 黼l o c k e d1 0 0 p 由图可知，斩波器控制系统检测风轮转速，经过风能曲线图计算出 当时所吸收的风能，然后根据检测到的斩波嚣输入电压值算出参考电 流值取其1 ，3 作为每重斩波器的给定电流值。每重斩波器参考电流值 i r e f 与其电感电流反馈值i d c 做差，输入p i 调节器，再经过p w m 信号发 生器计算给出与输入成比例的脉宽波形，最后送至靳波器开关管，控 制斩波器工作。斩波器触发信号占空比的变化影响到靳波器电感电流 的变化，经l e m 检测反馈给控制系统，从而形成电流闭环控制。 其中每重斩波器负责1 3 电能的传输，其控制信号互差l 3 开关周期， 从而有效地进行了分流，减少了开_ 芙器件的电流应力。 工作原理可以描述为：当直流电流给定值大于实际电流值时，做差 的结果通过p l 调节嚣增大脉冲宽度值，即增大升压斩波器流经i o b t 的 电流。反之，则减小i g b t 的电流，从而达到恒流的目的。 2 3 2 数字p i 调节器 具有比例加积分控制规律的控制器，称p i 控制器，其输出信号m ( t ) 能同时成比例地反映输入信号e ( t ) 和它的积分，即 北常交通人学硕士学位论文眦力发电变流系统多m 斩波器的研究 脚( f ) = k ，p ( f ) + 等f g ( f ) 巩 ( 2 州) 如果把比例一积分控制器与系统不可变部分串联起来，能显著地提 高原系统的型别数，从而提高系统的稳态性能。对于采用比例一积分控 制器与二阶系统串联的形式，若原系统的型别数为i 型，在斜坡信号作 用下，系统稳态误差为常数，当用积分控制后，系统的型别数由i 型变 为i i 型，在斜坡信号作用下，系统稳态误差为零。由于比例一积分控制 在引入一个零极点的同时又引入了一个负实数零点，它可保证系统在引 入积分控制后系统的稳定性，同时达到提高稳态精度的目的。选择p i 控制器为校正元件，其传递函数为： 1 q ( s ) = 群( 1 + a ( 2 1 5 ) ，p 该式表明，刚加入输入时，积分从零开始，此耐控制函数主要由比 例部分起作用，但积分是一直在起作用的，在输入为零时，输出保持不 变，但不为零。可见p i 控制不但保持了积分控 x 动量 坳 y 拥= + v 加 d = d 七d 叫饕c糕 强一嚣【m 一9 掣m 冀誉h h 襄f 懒； 霎j 霆? 奏：兼堑鬻驯季i ：蠹：雾i 雾；雨副型 薛芥l ! ；s i ! 啪赢l | 。i i i 。麓艨节葵偏压囊学复翩型翼潦。m ； 薹3 ；鋈i 耍：妻| 蒂。萎；磊；好is ；i 萋的通态晕枣e 羲 裂髯箪翁辫鏊叫强渣谨j 哺黼鼢而 殛鼗升丢j 盟最匹登 怠羹 j 毫喜毫荔篓岛量 l 鬟m 墓2 璧 囊鑫； 薹| 摹吐囊。 对i g bt 的驱动电路提山以下要求： 1 、由于是容性输入阻抗，因此i g b t 的栅极驱动电路应有一条低阻 抗的放电回路； 2 、在保证i g b t 可靠开通和关断的前提下适当减小i g b t 的开关 损耗； 3刂频缏犯衾耄 x 2 4 3p i 调节器参数的确定 系统的闭环结构框图如图2 - 1 7 4 亓玎驾 p i d c ( s ) 图2 17 由p i 调节器组成的系统闲环结构框图 f i g u r e 2 - 1 7b i o c kd i a g r a mo f t h ec u r r e n t - l o c k e di o o pw i t hp ir e g u l a t o r 图巾g ( s ) 由式( 2 2 9 ) 得到h ( s ) = k p + k l s ，则系统的闭环传递 函数为： = 掣端铲 p ，。， 由稳态条件得：r = o 5 q ；l = 8 m h ：c = 2 2 0 0 uf ；r = 2 5 q ；d = 0 2 5 。 系统的前向传递函数为： f ( s ) = h ( s ) g ( s )( 2 3 1 ) 则可用劳斯判据选定使系统稳定的k p ，k l ，再考虑到系统的调节时 间和超调要求，选定：k p = 1 ，k l = 7 3 。 实验波形图见第五章。 北京交通大学硬士学位论文触力发电变流j ；统多重斩波器的研究 第三章控制系统硬件设计 3 1 控制系统硬件框图 硬件控制电路是以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的控制板。 其主要功能有采样信号的调理，p w m 脉冲的产生，i g b t 的驱动防 止上下桥臂贯穿导通以及i g b t 故障信号检测等部分组成。 风力发电机组的核心控制由主控制系统和变流控制系统共同实现， 其中主控系统的作用是实现整机的控制，包括风速测量、功率计算、变 流系统的指令给定、变速变桨控制、所有接触器的控制等，变流控制系 统的作用是根据主控板提供的给定信号，分别向变流系统中的升压斩波 器、制动单元和并网逆变器发出相应控制脉冲，使发电机的能晕通过整 流、斩波和逆变后送入电网，在保持中间直流电压恒定的同时，使逆变 器输出电流达到电网连接要求。 控制系统硬件框图如图3 - l 所示： 图3 1 控制系统硬件框图 f i g u r e 3 - lh a r d w a r ed i 雌雄mo f c o n 臼口ls y s t e m 北京交通大学职十学位论文 肛l 力发也变流系统多最斩波器的研究 含：2 个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 输出通道；j 个能够快速封锁输出的外部引脚p d p i n t x ( 其 状态可从c o m c o n x 寄存器获得) ；可防止上下桥臂直通 的可编程死区功能；3 个捕捉单元；1 个增量式光电位置 编码器接口。 6 、q 编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。 7 、1 6 通道l o 位a d 转换器，具有- 口j 编程自动排序功能，4 个启动a d 转换的触发源，最快a ，d 转换时间为3 7 5 n s 。 8 、控制器局域网( c a n ) 2 o b 模块。 9 、串行接口s p i 和s c i 模块。 1 0 、基于锁相环的时钟发生器( p l l ) 。 1 1 、4 1 个通用i o 引脚。 1 2 、3 2 位累加器3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ；1 6 位x 1 6 位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；5 个外部 中断。 1 3 、1 1 4 9 卜1 9 9 0 i e e e 标准的j t a g 仿真接口。 1 4 、很宽的工作温度范围，普通级：一4 0 8 5 ；特殊级：4 0 1 2 5 。 d s p 外围电路 晶振电路 图3 2 所示为晶振电路。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有锁相环( p l l ) 功 能，用来从一个较低频率的外部时钟合成片内的时钟。锁相环的倍频可 以通过编程实现。将晶振连接到x t a l l c l k 附和x t a l 2 引脚之间， 内部震荡嚣能被使能，本控制系统采用有源晶振，与无源晶振相比有更 强的抗干扰性。c l k l n ；l o m h z ，和d s p 片内锁相环配合，如果p l l 编程得到的倍频为4 ，那么就可以获得c l k i n 4 = 4 0 m h z 的c p u 时钟。 尽量使用d s p 片内p l l ，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性。图