（电力电子与电力传动专业论文）风力发电变流系统多重化升压斩波器的研究.pdf

北糸交迎人硕t ：学忙论文 i 乇e s e a r c ho nm u 【j i p l eb o o s tc o n v e r t e r0 fw i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h et h e s i si sap a no ft h ep r o j e c to fd e v e l 叩i n gm w - l e v e lw i n de n e r g y o d n v e r s i o ns y s t e mw h i c hi sak e y8 6 3p m g r a m ni sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho n m u l t i p i eb o o s tc o n v e m ro f1 2 m wp e 咖a n e m f 眦g i l e ts y n c h r o n o u sw i n dp o w e f g e n e m t i o ns y s t e m 确et h e s i sf i r s t l yp r c m st h ee m e r g e n c ya n dn e c e s s i t yo fw i n dp o w e rg c n e r a t i o n t h e nt h ep 印c re x p l a i n st t l es 仉i c t u l - eo ft h e l 2 m wp 伽m 【i l e n t m a g n e ts y n c h r o n o i l s 、) i ，i n d e n e 唱yc o n v e r t c rs y s 咖蛳di t so p e m t i n gp r i n c i p l e ，觚dd i s c u s s e st t l e b 嬲i c w o r k i n g 州n c i p l eo fb o o s tc o n v e n e ra n dd e d u c e st h ef i p p l er e i a t i o n s h i po ft h eb o o s t c i r c l l i t ，t w o - m u l 卸l eb o o s tc 沁咄锄dt h n - m u i t i p l eb o o s tc i r c u “i nd e t a i lb e s i d e s ，m e t h e s i ss u m m a r i z e st h ef h m i l i a rc o m r o ls t r a t e g i e so f b d 0 s tc o n v e r t e ra n ds i m p l ye x p l a i n s t h es e l e c t i o no f m a i nc i r c u i tp a r 锄e t e r s 粕dc o n t r o ls t m t e g y t h et h e s i sd e v e l o p sl o wp o w e rm r e e r n u l t i p l eb o o s tc o n v e r t c re x p e r i m e n t ，p r e s e n t s m ed e t a i lo fh 勰i w a r ed e s i g no ft h ec o f l t r o lc i r c u i ta n dt h es o 丘w a r ed e s i g f l n l e e x p e r i m e n ti n c l u d e sc o m p a r i s o nb e t w e e nb o o s tc i r c u i ta i l dt h r e e m u l t i p l eb o o s tc i r c u i t m ec 鲫p a r i s o nb e t w e e no p e nc o n t r o ia i l dc l o s ec o n t r o lo ft h ec i r c u i t ，c o m p a r i s o n b e t w e e na v e r a g ec o m r o i 甜l di n s t a n t a l l e o u sc o n 廿o l ， a l l dm ed y l l a m i c r e s p o n s e e x p e r i m e n t 鹪w e l l i l lt h ee n d ，n l et h e s i ss h o w st h cs i r n l u i a t i o no f1 2 m ww i n dg e n e 难t i o nc o n v e n e f s ) r s t e m - 1 1 l es i m u l a t i o i l sm a i n i yc o i l s i s to ft h er c c t i f i e r t l l eb o o s tc o n v e n e r 粕dt h e i n v e n e lt h et 1 1 e s i s p r e s e n t ss o m eo ft h es i m u l a t i o nc i r c u i t s ，i m p o r t a n t c i r c l l i t p a f a r n e t e r sa n dd o e ss o m en e c e s s a r y 锄l y s i s i na d d i t i o n ，t l l em e s i sp r e s e l l tan 0 v e l t h r e el e v e lb o o s lc o n v e r t e r ，a i m i n gt oa d 印tw i t ht 1 1 ew i n dg e n e r a t i o nd e v e l o pt e n d e n c y d e t a i la n a l y s i so fi t sw o r k i n gp f i n c i p l ea n ds i m u l a t i o n 托s u l ta r eg i v e n k e y w o r d s ；w i n dp o w e fg e n e r a t i o n ；b o o s tc o n v e f t e r ；m u l t i p l e ；p ic o n t r o l ； h a 肌o n i c 北京交通人学硕十学仿论文 致谢 本论文的工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的，我非常感谢梁 老师在这三年罩给我的教导和鼓励。梁老师对我们非常友善、宽容，她给学生足 够的信任和支持：她认真为我们制定培养方案，并对学生进行全面的培养。梁老 师有非常缜密的思维、非常颦实广博的专业知识；她为人师表，治学严谨、教导 有方；她关心学生的课题，更关心学生的发展。这三年以来，梁老师不但在专业 方面给予我有力的指导和规划，更重要的是在做人做事上给我树立了榜样，梁老 师的宽容、友善、谦和的为人风格及严谨求实、兢兢业业的对待工作的态度非常 值得我学习。这三年罩，梁老师为我们付出了非常多的精力，我由衷地感激粱老 师。 同时我要感谢我们实验室的熊新师兄，他为我的科研奠定了较好的基础，还 要感谢研究生黄庆新、朱宁，他们在我的试验过程中给予我很多的帮助，另外在 写论文期日j ，张宇星等师弟们也给予我大力的支持和必要的帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的支持使我能够在学校专心完成我的学业。 i 引言 l 引言 1 1 风力发电的背景和形势 能源供应和环境保护是经济持续发展的基本条件，从能源角度说，二十一世 纪我们的能源靠什么? 有许多专家和机构分析，如果不重视可再生能源的丌发， 下一个世纪由于能源资源的匮乏将导致全球的能源危机。从环保角度说，能源消 耗的增长带来的环境问题同益严重，联合国环境署报告“在过去2 0 年，全世界能 源消耗增长了5 0 ，从现在到2 0 2 0 年，全球能源消耗还将比现在增长5 0 到1 0 0 ，由此造成温室效应气体排放将会增加4 5 到9 0 ，从而带来灾难性后果”。 丌发新的可再生能源，利用新能源发电，特别是风力发电同趋受到世界各国 的普遍重视。到2 0 世纪未，风能已成为一种最重要的可再生能源。在政府对风力 发电研究丌发的大力支持下，许多发达国家如德国、月j 麦、美国和瑞典都丌始了 大型风力发电机的研制。2 0 0 6 年世界风电市场继续保持快速增长，新增风电装机 容量达1 5 0 0 力| 千瓦，总装机容量达7 5 0 0 力_ 千瓦，比去年增加2 5 。对于总装机 容量来讲，德国居世界第一位，总装机容量为2 0 6 2 2 万千瓦；美国超过西班牙列 第二位，总装机容量为1 1 9 5 万千瓦；西班牙位居第三，总装机容量为1 1 6 1 5 力千 瓦。对于新增装机容量来讲，美国列第一位，新增装机容量为2 8 0 万千瓦：德国 紧随其后，新增装机容量为2 2 3 3 万千瓦；西班牙屈居第三，新增装机容量为1 5 8 7 万千瓦。到2 0 1 0 年德国新增风电装机容量达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 力千瓦，可满足全国电力需求的l o ，德国1 1 年日j ，j x l 力发 电增长了2 l 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。 月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0 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 北束变通人学硕十学何论文 提供世界电力需求的l o ，世界风电市场将达到2 5 x 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，j x l l 乜成本下降 4 0 ，累计减少c 0 2 排放1 0 9 2 lm t 。 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。我国以煤炭为主的能源结构正面l 临着严重的挑 战。同时我国面临巨大的环境压力，酸晰，酸沉降和煤烟型大气污染十分严重， 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，另一方面， 从能源系统的角度提出要丌发使用新能源，减少对能源矿产的依赖。因此，丌发 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。同世界其他国家一样，风能作为一种重要的可再生能源也成 为我国当| j i 发展的主要方向之一。 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ir 的丌始实 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l o o 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j x l 力发电机应用得最快、最多。进入九十年代，我国政府加大了 风电的丌发力度，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。在组织各方力量研制大型风力发电机的同时，还引进国外生产的技术先进 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。 1 1 2 风力发电技术的研究与发展 8 0 年代初在风电市场上销售的第l 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j x l 电的经济效益， 2 l 引占 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l 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。为降低前位千瓦造价，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，标志着商品机组萨在向大型化发展。 目前，欧洲市场的风电机组，单机容量达2 0 0 0 3 0 0 0 千瓦，成为现在可以系列生 产的最大j x l 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。随着单机容量的进一步增大和技术上更 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。 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。目i j 变速恒频j x l 电技术闩趋成熟并走向商 业化。 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| ) c l 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j x l 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：1 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。2 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。3 ，提高了系统的风 北京交通人! ：；：，侦十中付论文 能利用率。转速【叮以在较大范幽内变化，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。 变速恒频j x l 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诉比于_ i ) ( l 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 保持最大值不变， 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。 目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交一直交系统、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、 丌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。而当今变速恒频_ i ) ( l 力发电系统发展 趋势是双馈发电机系统和永磁同步发电枫系统。 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念，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。 双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联，转子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、同步和楣位控制，以便迅速她并入电网，并网时基本上无电流冲击。对于 无初始起动转矩的风力机( 如达罩厄型风力机) ，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j x l 速及负荷的变化及时作出相应的调整，使风力机 4 l 引= 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问的位置有一个位 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。 在绕线式双馈发电机系统中，发电机采用绕线式感应电机。绕线式感应电机 一般具有电刷和滑坏，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。 在同步发电机交一直交风力发电变流系统中，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。 这种系统与电瞬并联运行的特点是： 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 ) 由于频率变换装霄采用静态自励式逆变器，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。本文讨论的风力发电系统即是直驱型同步发电机交直交风力发电系 北京交通人学硕1 学伸论文 统。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。 l t 3 本论文的主要内容 本文以国家8 6 3 计划项目“m w 级风力发电机组电控系统研制”为研究背景， 介绍了1 2 m w 永磁同步电机变速恒频风力发电系统，重点研究了玖风力发电变流 系统中的大功率三重升压斩波器，对其主电路的工作原理、控制方法进行了深入 的探讨。在研究过程中，工作涉及到了主电路的器件参数的选择，控制电路的原 理仿真、控制电路原理图的设计及p c b 板的绘制，控制系统软件设计和小功率下 三重升压斩波电路实验调试等。我们的理论分析通过仿真及实验得到了验证，为 整个系统更大功率等级的研制奠定了基础。另外，基于当今风力发电的大功率发 展趋势，本文提出了新型的串联b o o s t 拓扑，并进行了理论分析和仿真研究。在 此基础上，进行改进，得到了新型的三电平b o o s t 电路，同时进行了详细的理论 分析和仿真研究。结果表明，新型的三电平b o d s t 电路有良好的工作性能，在大 功率风力发电场合有很好的应用f l 景。 本文第一章绪论介绍了世界风力发电的大背景，分别从全球及国内的能源现 状、新的能源趋势讨论了风力发电的迫切形势及重大前景。并在最后给出了本文 的主要研究内容。 第二章主要论述了风力发电变流系统中三重升压斩波电路的工作原理。简单 介绍了本课题兆瓦级风力发电系统的主电路结构及工作原理，分析了单重升压 斩波器的连续工作模式下的工作特性，重点讨论了三重斩波器的拓扑结构、工作 原理并推导了单重、双重及三重升压斩波电路的电感电流纹波和电路参数的关系。 另外，文章总结了常见的传统的升压斩波电路的控制方法，引出并简单介绍了本 文采用的控制方法。 第三章介绍了小功率三重升压斩波电路控制电路硬件及软件设计。首先分析 了该控制电路要实现的功能，在此基础上进行了控制电路的设计，包括控制芯片 d s p 2 4 0 7 的选择、以及以它为核心的控制电路的总体框架设计。并给出了几个重要 的d s p 外围电路的结构及参数设计。另外，本章分析了该控制电路的软件要完成 的功能，并设计了相应的控制思想和算法。 6 i 引言 第四章介绍了小功率升压斩波电路实验的主要内容。分别给出了开环状态下 的单重、三重升压斩波电路的实验波形；开环控制、闭环控制对比试验波形；平 均值控制、瞬时值闭环控制的试验波形；以及瞬时值控制的稳态、动念波形，同 时对波形进行了简要的总结论证，并在最后简单总结了实验调试过程中的关键问 题。 第五章为风力发电变流主电路的系统仿真。采用了p s p i c e 软件对1 2 姗级风 力发电变流系统进行了仿真，并针对仿真波形进行了简要的分析。仿真主要分三 大部分：整流、斩波、逆变三个环节。整流环节对三相和六相整流进行了对比分 析；斩波环节主要针对不同斩波比进行了纹波比较的仿真以及对三种控制方法进 行了仿真比较。逆变环节主要包括整流状态下的单重、双重电路的仿真及对比， 以及逆变状态的仿真。本章最后给出了整个系统的仿真结果。 第六章针对风力发电向大功率发展的趋势，提出了串联升压斩波电路拓扑， 给出了原理分析；并在此基础上进一步改进结构，得到了一种新型的三电平升压 斩波器，详细分析了它的工作原理，并进行了仿真研究。 最后一章是本文的总结与展望，主要总结了本课题的完成情况，还有待完善 的地方以及下一步的工作计划。 7 北京交通人学硕十学位论文 2 风力发电变流系统三重升压斩波电路理论分析 2 1 风力发电变流系统工作原理 f i 刘峨j 挪删嘲 再l i ； = i ：l - i 啦- 瞧难一世一瞪一帚 雕飙机一雠 懒坡 槲“；j 触； 黼：一拼一 熟 8 2 风力发l 乜变流系统：重升斥斩波i u 路理论分析 范围内，另一方面通过多重化联接还可以减小输入电流中的高频谐波含量，降低 电机转矩脉动。 升压斩波器的作用是将不稳定的直流电压变换成满足并网逆变器要求的稳定 的直流电压。直流电压的确定要依掘并网逆变器的交流侧的变压器的电压等级两 定，直流电压必须大于交流侧电压峰值，保证逆变器讵常工作。本系统的交流侧 的变压器的电压等级为6 2 0 v 。考虑一定的电网电压波动后，在本系统中逆变器直 流侧电压确定为1 2 0 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，功率因数接近予1 ，以减少输送到电 网的谐波和无功含量。采用两重化的目的一是达到电路并联，有效提高系统功率 等级，另外也大大减小了交流电流的谐波含量，满足电网对谐波的要求。滤波电 路及并网变压器革元的作用是商危网输送电流波形尽量接近乖弦，且电压幅值符 合要求的优质电能。 总体上，变流控制系统的工作原理是根掘主控板提供的给定信号，产生变流 系统中的升压斩波器、制动单元和并网逆变器所需的相应控制脉冲并送出，以控 制斩波、逆变电路，使发电机的能量通过整流、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。 2 2 升压斩波器的工作原理 2 2 ，i 电路结构及工作原理 升压变换器又称为b o o s t 变换器，它对输入电压进行升压变换，其电路结构 如图2 2 所示。 i 鳘| 2 2 升乐斩波器电路幽 北柬交通人学硕十学伊论文 f i g u 陀2 。2s t r u c t u mo tb 0 0 s tc o n v e r c e r 通过控制丌关管t 的导通比，可控制升压变换器的输出电j 。电路工作原理 是：设丌关管t 由信号v 。控制，v i 为高电平时，t 导通，反之，t 关断。t 导通时， v = v j o ，i - 增加，电感储能增加，同时负载由c 供电：t 关断时，因电感电流不能 突变，i 通过d 向电容c 、负载供电，电感上储存的能量传递到电容、负载侧， 此时u = v d v i ，因此i 减小，l 上感应电势v v d 根据电感电流是否连续，升压变换器可以分为连续导电模式、不连续导电模 式及i 临界状态三种工作状态。本文重点讨论连续导电模式下的斩波器工作原理。 以下分析中假定输出端滤波电容足够大，保证稳态输出电压似一为常 2 2 2 斩波器基本工作模式 图2 3 给出了丌关管动作时的等效电路，在此过程中，各点的波形如图2 3 瑚；强 t 神( b ) 圈2 - 3 开关管动f j ：时的等效电路( 8 ) 1 导通( b ) t 笑断 f 毽u r e 2 3e q u i v a i c n tc i r c u i t o f d l 仃e r e n ts w i t c h i n gs 诅t u s ( a ) 1 o n ( b ) t o 行 所示。已知此时电感两端的电压在一个周期内的积分为零，则有 0 + ( 屹一圪) f 硝= o ( 2 - 1 ) 等式两边同除同乃整理后得到输出电压与占空比的关系为 善：墨：去 ( 2 2 ) 白l d 。 有上式可知，输出电压与输入电压的比值始终大于等于l ，即输出电压较输入 电压要商，与前面工作原理分析中得到的结论一致。 若假定该电路无损耗，输入功率等于输出功率，即f 只，虼正产厶。故得到平 均输出电流与占空比的关系为 o 2 风力发l b 变流系统二遁卅币斩波电路理论分析 生：l d l4 。巨j 二k ， 。，l ：e 一 幽2 4 基本i ：作波形幽 f g u r e 2 - 4b a s co p e 州n gw a v e f o l l t l s 2 3 多重升压斩波电路纹波分析 ( 2 3 ) 在1 2 删风力发电交流系统中的直直变换电路采用的是三重化升压斩波电路。 即三个升压斩波器输入输出端并联，一方面有效的减少斩波总输入电流的高频纹 波，另一方面可以在相同功率容量下，大大降低主丌关管的电流定额。 下面推导单重、双重及三重升压斩波电路的输入电感电流纹波之问的大小关 系。 图2 5 单重升乐斩波电路电感电流波形幽 f i g u r e 2 5c u m e n tt h r o u g hi n d u c t o ro f b o o s tc i r c u i t 单重升压斩波电路的输入电流纹波公式为： 北束交通人7 z 硕t ：学俯论文 m t ：u j d t l ( 2 - 4 ) 双重升压斩波电路的纹波如图2 6 所示，它是两重电感电流叠加的结果。 圈2 - 6 取型升胩研硬电蹭总输入也沉及再玺电感l 毡沉波形幽 f i g u r e 2 - 6t b t a j i n p u tc u r r e ma n dc u f l _ e n tt h m u g he a c hi n d u c t o ro f t w o - m u l t i p l eb o o s tc i r c u i t 以d o 5 时，总电感电流纹波为： 鸲2 圭u ( 2 d 一1 ) ( 2 7 ) 综上，双重升压斩波电路的总电流纹波与单重升压斩波电路相比有如下关系： o d o 5 时，丝：上丝 缸l d o 5 d l 时，些：丝兰 a l 、d 双重升压斩波电路和单重升压斩波电路的波纹关系可由图2 7 表示。 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 一一一! 墨垄垄皇銮鎏墨堑三霎茎堡堑婆皇堕里堡坌堑 1 ，31 陀 到3 1d 图2 7 双重升压斩波电路和单重升压斩波电路输入电流纹波天系示意图 f 咖r c 2 - 7t h er i p p l er e l a t j o n s h i po f i n p u tc u 玎e n tb e t 、v e e nb o o s t 卸dt w o - m u i t i p l eb o o s tc i r c u i t 三重升压斩波电路的总电流与各重电感电流纹波如图2 8 所示： 幽z _ 8 一重升胜斩玻电路总输入电流及各重电感电流波形图 f i 印2 - 8t o t a ii n p u tc u 晰n ta f l dc u 鹏n tt h r o u 曲e a c h ；n d u c t o ro f t h r e c m u l t i p l eb o o s tc j r c u i t 以d 1 3 为例： 乇时亥0 ， 她2 m + 鸲+ 鸲= 圭u d r 一量( 一u ) d r ( 2 - 1 0 ) 将= 尚代入确 1， 鸲2 主d ，。( 3 一r ) ( 2 一1 1 ) 同理可推得当1 3 d 2 3 时，总电感电流纹波为： l 她2 主q 一。( 3 肛j 高) ( 2 - 1 2 ) 2 3 d 1 时，总电感电流纹波为： 她= 圭d ( 3 一寺 ( 2 - 1 3 ) 综上可得，三重升压轿波电路的总电流纹波与单重升压斩波电路相比有如下 北京交通人学硕+ 学位论文 关系： 刚s 时，等小高 怕似z 删，等小志 z 似蚴时，等小吾 三重升压斩波电路和单重升压斩波电路的波纹关系可由图2 - 9 表示。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 图2 9 三重升压斩波电路和单重升压斩波电路输入电流纹波关系示意图 f 塘u r e 2 - 9t h er i p p l e 化l a t i o n s h i pb e t 、v nb o o s t 柚dt h e - m u l t i p l eb o o s tc i r c u i t 从图2 7 和图2 9 可以看出，无论是采用双重还是三重升压斩波电路结构，电 路中总输入电流纹波都小于或等于单重升压斩波电路，在一定的占空比范围内， 能大大减小电流纹波，因此采用三重升压斩波电路有较好的应用价值。 2 4 升压斩波电路的控制方法 传统的开关电源电路采用的是电压型控制模式，即只对输出电压采样并作为 反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压，它是一种单环控制系统。电压型开关 变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和滤波电感的 电流。二阶系统是一个条件稳定系统，而一阶系统却是一个无条件的稳定系统。 电流型控制器就是在传统电压型控制器的基础上发展起来的。它增加了电流反馈 环作为内环，使其成为一个双环控制系统。这时，电感电流不再是一个独立变量， 从而使开关变换器的二阶模型由于去掉了电感电流而变成了一个一阶系统。与电 压型控制相比，它的电压调整率非常好，回路稳定性好，负载响应快。内环的直 1 4 2 风力发电变漉系统二重升胝斩波电路理论分析 接电流检测技术可以及时、灵敏和准确地检测丌关管中的瞬态电流，从而在电路 出现故障时，保护丌关等器件。并且，它的内环足电流环，如同一个良好的受控 电流放大器，具有良好的并联运行的能力。通常电流控制模式分为以下三种类型： 峰值电流控制、平均电流控铝4 和滞环电流控制。 2 4 1 峰值电流控制 峰值电流模式控制是一种固定时钟丌启、峰值电流关断的控制方法。峰值电 感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。它相当于取样 开关管的信号，但峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应。峰值 电流模式控制p 咖是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时 快速按照逐个脉冲工作的。在该双环控制中，电流内环只负责电感的动态变化， 因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制l c 储能电路。它的工作原理是将实际 检测的电感电流上升沿和电压外环设定的电流值输入p 删比较器进行比较将电感 电流与给定电流值相比较，电感电流达到电流基准以前，丌关一直处与导通状念。 一旦电感电流达到给定值，p 删比较器输出翻转将功率丌关管关断。以后定频时钟 再次接通丌关，重复上述过程。 峰值电流模式控制的优点：暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负 载的变化的瞬态响应均快；控制环易于设计；输入电压的调整可与电压模式 控制的输入电压前馈技术相妣美；简单自动的磁通平衡功能；瞬时峰值电流 限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能；自动均流并联功能。缺点：占 空比大于5 0 的丌环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差：闭 环响应不如平均电流模式控制理想：容易发生次谐波振荡，即使占空比小于5 0 9 6 ， 也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿；对噪声敏感，抗噪声 性差。因为电感处于连续储能电流状态， 开关器件的电流信号的上斜坡通常较小， 与控制电压编程决定的电流电平相比较， 电流信号上的较小的噪声就很容易使得 丌关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡：电路拓扑受限制：对多路 输出电源的交互调节性能不好。 2 4 2 平均电流控制 北京交通人学硕卜学位论文 平均电流控制也是一个电压电流双闭环控制，外环与峰值电流控制类似，即 输出电压经分压后与参考电压比较，经运算放大器输出后的信号作为电流基准， 输入电流被直接检测，和电压外环输出的理想电流给定一起接到一个高增益的电 流误差放大器，其高频分量( 如1 0 0 k h z ) 的变化，通过电流误差放大器，被平均 化处理。误差经电流环补偿网络处理后，进入p w m 发生器和一个大幅值的锯齿波 ( 即振荡器的坡度) 比较。产生主丌关通断控制信号。放大后的平均电流误差与 锯齿波斜波比较后，给丌关t r 驱动信号，并决定了其应有的占空比。于是电流误 差被迅速而精确的校于。 平均电流模式控制的优点是：平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程 信号；不需要斜坡补偿；调试好的电路抗噪声性能优越；适合于任何电路 拓扑对输入或输出电流的控制；易于实现均流。缺点是：电流放大器在开关 频率处的增益有最大限制；双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。 2 4 3 滞环电流控制 滞环电流模式控制通常为变频调制，这是与峰值电流控制及平均电流控制显 著不同的地方。其基本工作原理是：跟踪电感电流的实际值，将它和电流的期望 值在一个浠环逻辑比较器中进行比较，进而控制各个丌关通断，使得实际电流按 照期望电流规律变化。所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流：上限与 下限值。当电感电流达基准下限i m i n 时，丌关t r 导通，电感电流上升；当电感 电流达基准上限i m a x 时，开关t r 关断，电感电流下降。 显然，滞环电流控制的精度与滞环比较器的环宽成反比，要想输出电流准确 跟踪给定电流，环宽应尽可能小，这要受开关器件频率的制约，因为滞坏控制器 中丌关的频率不固定，环宽越小，丌关频率越高，超过器件频率，就将导致丌关 的损坏。电流滞环的宽度决定了电流纹波的大小，滞环宽度对丌关频率和系统性 能影响大，需合理选取。 滞环控制的特点是：控制简单、电流动念响应快、具有内在的电流限制能力； 丌关频率在一个周期中不恒定，引起e m i 问题和电流过零的死区：负载对丌关频 率影响很大，由于丌关频率变化范围大，设计输出滤波器时，要按最低丌关频率 考虑。因此，不可能得到体积和重量最小的设计。 6 2 风力发电变流系统二巫升庠斩波电路理论分析 2 5 本文主电路参数及控制方案的选取 2 5 1 主电路参数选择 升压斩波器的主电路主要包含升压电感、主丌关管、续流二极管及输出滤波 电容器等功率器件。功率丌关管及续流二极管的选择主要依掘系统的功率等级， 计算出流经功率丌关管、二极管的电压电流值，再留取一定的安全裕量，结合市 场上功率丌关器件的等级进行选择。根掘系统功率等级及各个电量指标，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 等级的 s k i i p模块 s k i i p 2 4 0 3 g b l 7 2 ，其额定电流为： t = 1 8 0 0 一媳f 7 0 0 e s i ( i i p 2 4 0 3 g b1 7 2 ) 。此模块的工作电压为1 1 0 0 v ，设定斩波器的 输出电压1 1 0 0 v ，符合器件萨常工作要求同时。 在升压斩波主电路中，除丌关器件外，还包括一部分无源器件，例如升压斩 波器滤波电感、直流侧滤波电容等，其参数设计主要是选择减小并抑制输入输出 侧的电压电流谐波含量及减小系统体积重量的最优值。该风力发电系统属于大功 率系统，变流器i g b t 模块的工作频率与系统损耗及谐波幅值有很大关系，且丌关 损耗随丌关频率的上升而呈比例增加，所以它成为限制丌关频率的主要因素，综 合考虑开关时间与丌关损耗、散热条件以及抗电磁干扰的能力等，我们确定此变 流系统开关管的工作频率为2 5k h z 。由斩波器的纹波公式可求得斩波器在连续导 通临界模式下的电感最小值为o 3 7 5 m h ，实际应用中取值0 3 6 6 m h 。 斩波器输出滤波电容的确定依掘斩波器工作于连续导通模式下滤波电容和电 压纹波的关系。根掘实际的系统的直流电压等级及对直流侧电压的纹波要求，设 计滤波电容值，考虑到实际应用应留有裕度以及逆变器侧负载的要求，最后实际 选用的电容为3 3 m f 。 2 5 2 控制方案选择 本文采用的控制是在深入理解上述三种控制方法的基础上进行的。在1 2 m w 级风力发电变流系统中，三重升压斩波器主要作用有两个：一是基本的升压功能， 即把整流输出电压升高为后级逆变电路提供幅值符合要求的稳定的直流电压：二 北京交通人学硕十学衍论文 是多重化降低总输入电流谐波的作用。变流电路控制系统中，升压斩波电路输出 直流电压的幅值及其稳定性由逆变单元的控制电路实现。三重化升压斩波控制电 路主要功能即针对斩波输入电感的电流进行闭环跟随控制，使该风力发电系统在 不同风速下发出的电能能有效的传递到后级电路并最终电网，同时要是控制输入 滤波电感波形平直，从而减少对发电机的不良影响。因此，斩波器控制只有一个 闭环电流闭环。 本文采用瞬时值控制方法，即综合上述平均值控制、峰值控制，采样电感电 流，保留其高频分量，和给定值比较后经p i 调节器输出，与三角波进行比较，输 出脉冲经驱动电路控制主电路的丌关管。该控制方法出于保留了电感电流的高频 纹波，动态响应较快，因此能够及时抑制输入电压所引入的低频纹波。 3 二重升斥斩波器控制电路埂f 1 及软f ，j 设计 3 三重升压斩波器控制电路硬件及软件设计 3 1 控制电路的硬件设计 3 1 1 主控制芯片的选择 本文顺应如今电力电子电路控制的发展趋势，采用数字控制方案，即用采用 数字处理芯片结合软件实现。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司1 m s 3 2 0 数字信号处理 器家族中的一员，其处理速度为4 0 m i p s ，几乎所有的指令都可在2 5 n s 的单周期 完成。它是专门为电力电予电路、电机控制而设计，在该领域有广泛的应用。为 此本控制板采用d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。l f 2 4 0 7 a 主要具有以下一些特点： 1 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 2 2 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 m ，从而提高了控制器的实时控制 能力； 3 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均包括如下资源：两个1 6 位通用定时 器，8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，当外部引脚p d p i n l x 出现低电平时快 速关闭p w m 通道； 4 1 6 通道的l o 位a d 转换器，具有可编程自动排序功能，4 个启动a d 转换的 触发源，最快a ，d 转换时间为3 7 5 i i s 。8 个或1 6 个多路复用的输入通道、可选 择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入d 转换器或一个1 6 通道输入的 a 仍转换器： 5 可扩展的外部存储器总共有6 4 k 字程序存储器