（电力电子与电力传动专业论文）风力发电pwm变流器及其控制策略.pdf

a b s t r a c t p w mc o n v e r t e ra n dc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rw i n dp o w e r g e n e r a t i o n a b s t r a c t w i n dp o w e rg e n e r a t i o ni 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 y c r i s i sa n de 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 e u pa n dc o m m e r c i a l d e v e l o p m e n t ap w mc o n v e r t e ra p p l i e dt og r i dc o n n e c t i o no fw 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 tc o n t r o ls t r a t e g i e sa 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 n ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n a d d i t i o n a l l y h a r m o n i cc a n c e l l a t i o nf o r m u l t i p l ec o n f i g u r a t i o ni sa l s oa n a l y z e d t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ea r t o f - 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 si n c l u d i n gd o u b l yf e di n d u c t i o nm a c h i n e s ( d f i m ) a n dt h ed i r e c t d r i v e t o p o l o g y i nt h e1 2 m wd i r e c t - d r i v es y s t e ma d o p t e d ad u a lp w mc o n v e r t e ri s e m p l o y e da sg r i di n t e r f a c e f o l l o w i n gi n t r o d u c t i o no ft h et o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t h eg 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 n o to n l ya r 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 ) f l a m eg i v e nf o r g e n e r a lc i r c u i t s ，b u rt h e ya r ee s t a b l i s h e df o rt h er e a ls y s t e mw i t hn e u t r a ll i n e i n d u p l i c a t i o n ，c o n t r o lf o rh a r m o n i cc a n c e l l a t i o ni ss t u d i e df r o mc u r r e n tr i p p l ea m p l i t u d e a n ds p w mh a r m o n i ca n a l y s i s s i m u l t a n e o u s l yan o v e lh a r m o n i cc a n c e l l a t i o nm e t h o d o fs v p w ms y m m e t r i c a ls p a c ev e c t o rs y n t h e s i si sr e p r e s e n t e db a s e do nt h es p w m c a r d e rs h i f t i n gt e c h n i q u e f o rm o d e l so ft h em a i nc i r c u i t s ，t h r e ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y p a r a m e t e r si nv 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 d d y n a m i ci n v e s t i g a t i o n 1 1 1 ep r i n c i p l ea n dp r o c e s so fi n s t a n t a n e o u sc u r r e n tc o n t r o la r e d e s c r i b e di nd e t a i l f u r t h e rv i at r a n s f o r m a t i o nt oar o t a t i n gf l a m ea n ds m a l l s i g n a l l i n e a f i z a t i o n c o n t i n u o u st i m e - i n v a r i a n tl i n e a re q u a t i o n sf o rp r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o l ( p c f f ) a r ea t t a i n e d ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h es t e a d y s t a t es o l u t i o n sa n dt r a n s f e rf u n c t i o n m a t r i xc o u l db ec a l c u l a t e d m o r e o v e rt h eg e n e r a ld ev 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 r c o m p e n s a t o rf o rt h es y s t e mw i t h n e u t r a ll i n ea r ea l s o d e s i g n e d t h es i m u l a t i o n v e r i f i c a t i o ni sm a d eu s i n gm a t l a bf o rt h el a r g e s c a l es y s t e m t h r e ec o n t r o ls c h e m e sf o rt h ep w mc o n v e r t e ra r et e s t i f i e d e x p e r i m e n t a l l y , f o l l o w i n gd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dd s pp r o g r a m m e so ft h ec o n t r o ls y s t e m 1 1 1 er e s u l t sa n da n a l y s i sf o r s t e a d y s t a t ew a v e f o r m s d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa n d 北京交通人学硕十学何论文 h a r m o n i cc a n c e l l a t i o no fd u p l i c a t i o na 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 d p o w e rg e n e r a t i o na n dv a l i d m i n gt h et h e o r yp r e s e n t e db 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 ；d u p l i c a t i o n ；c u r r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s c l a s s n 0 ： 致谢 本文是在导师梁晖副教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学位的三年罩， 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，梁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、f 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。在临近毕业之际，特向梁老师袁示最诚挚的敬意和感谢! 在此还要特别感谢清华大学杨耕教授、黄立培教授和耿华博士。读研期间， 我数次前往杨教授实验室，参与风力发电、电力电子相关课题的讨论。杨教授的 指导和启发令我在学术上受益匪浅。 特别感m , 寸) j n 拿大r y e r s o n 大学r e s e a r c hc h a i r p r o f b i nw u 。作为固际知名的 教授，他的鼓励和关怀使我非常感动，对我完成课题和进一步舰划人生也都起到 了非常重大的作用。 感谢香港大学p r o f k t c h a u ，m s j u l i ，d r l i n n ij i a n 和清华大学陈基和副教 授。他们在学术上对我的肯定使我对自己充满了信心。同时p r o f k t c h a u 也使 我学会了面对挫折和压力如何调整心念，如何面对生活中的悲喜。 感i 身 郑琼林教授。郑老师对学生的热心，关怀和帮助将使我铭记。 另外还要感谢西安交通大学王兆安教授、刘进军教授、王跃副教授、肖国春 副教授以及李建英副教授。一直以来，他们都关心着我的成长和进步，对我的个 人发展帮助很大。 在平时的理论学习、实验摩研究阶段及撰写沦文期1 h j ，同黄庆新、杨传伟、 陆书文等同学多次讨论，使作者获盏良多，在此向他们表示由衷的感谢；在模拟 控制电路方面，实验室徐凯帮助完成了p c b 图，节省了作者大量的时问；在软件 编程方面借鉴了黄庆新的程序：由于直接秉承了师兄熊新的数字控制系统硬件， 加快了课题的进度：同时还得到了杨震坤、张字星、石威威等同学的帮助，在此 向他们表示感谢。 最后要特别感谢父母，家人。由于要完成课题实验并实现个人的更大发展， 作者在研二春节没有回家，研三春节只回去了三天，使得父母家人在新春佳节还 不得不忍受思念亲人的痛苦，而他们都对我表示了巨大的理解和宽容。f 是他们 的支持使我能够在学校专心完成学q k ，并最终取得成功。 l 绪论 1 1 能源危机与风力发电 1 绪论 随着全球能源危机和环境污染的加剧，风能、光伏发电等可再生清洁能源已 经r 益引起人们的广泛关注。然而，就大功率并网和技术成本而言，风力发电无 疑是目前技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展自订景的发电方式之一 j 。风能利用的效益是综合性的，包括社会效益、环境效益、经济效益和技术效益。 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 2 j 。目前国外一些大公司如v e s t a s ，g e ，s i e m e n s w i n d ，e n e r c o n 已丌发出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 一l 风机单机功率及叶轮直释发展 f i g u r e1 - 1d e v e l o p m e n to fp o w e rr a t i n gp e ru n i ta n dt h eb l a d ed i a m e t e ro fw i n dt u r b i n e s 一直以来风力发电在工业界和学术界都备受关注，极大的推动了风电产业的 发展。近年( 1 9 9 7 年一2 0 0 5 年) 全球风电累计装机容量如图l 一2 所示。据统计在 过去的5 年时间里，世界风电装机容量平均年增长率为2 0 5 。 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，丌拓了高技术能源领域的新热点。从1 9 8 1 年到1 9 9 5 年，风电成本由1 5 8 欧分k w h 下降到5 7 欧分k w h ，减少了2 3 。当自仃的风电成 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。 以丹麦为例，风电成本的变化趋势如下： 些壁必! 塑生三! 盟j 鱼塞 表1 1 丹麦风电成本变化趋势 t a b l e l lt r e n d o f w i n dp o w e r g e n e r a t i o nc o s t i n d e n m a r k 1 9 8 1 年1 5 8 欧分，k w h 1 9 9 5 年 5 7 欧分k w h 2 0 0 2 往 4 0 4 欧分k w h 2 0 1 0 钲 3 欧分l ( w h 2 0 2 0 矩2 3 4 欧分，l ( w h i 鳖| i 2 近年卅界风电累计裟机容堵( m w ) f i g u r ei - 2t o t a li n s t a l l e dc a p a c i t yo f t h ew o r l dw i n de n e r g yb yt h ee n do f 2 0 0 5 ( m w ) 1 2 国内外风电发展现状及趋判3 】 风能作为一种清洁的可再生能源，为全球能源危机和环境污染提供了有效的 解决方案，同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。它从2 0 世纪 7 0 年代中期丌始受到世界各国的重视。当前风电技术已经同臻成熟。最近几年， 世界上形成了一股风力发电热。图1 3 显示了2 0 0 5 年世界风电市场莳十名的国家。 风电规模化丌发推动了本国风机制造业的发展。世界主要风机制造商i j i 1 0 名 中的9 名，以及前1 5 名中的1 2 名，都来自风电装机容量居世界前由位的国家。 掘预测，到2 0 1 0 年世界风电安装年增长1 6 4 ，而未来的增长中心将分别在 北美，印度和中国，欧洲仍将保持很高的需求。跟据图1 3 和l 一4 ，显然我国的风 电产业仍然远远落后于世界先进水平，甚至落后于印度。事实上，中国每年常规 动力容量增长是印度的5 倍；但是在风能方面，中国的新增容量仅足印度的2 5 。 l 绪论 削i - 32 0 0 5 年世界风电市场前十名国家 f i g u r e 卜3t o p1 0g o u n t r i e so nt h ew o r l d w i d ew i n dp o w e rg e n e r a t i o nm a r k e ti n2 0 0 5 七 例如2 0 0 4 年，中国1 8 9 m w ，印度8 7 5 m w ；全世界2 0 个污染最严重的城市中有 1 6 个在中国，中固的风电潜能卸是印度的1 0 倍。中囡风电容鼋的大规模增长是完 全有可能的，而我们在发展民族风电产业方面仍然面临着巨大的压力，有很多工 作等着我们完成。 3 0 0 2 5 d 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o t 矗t a ip o 哺rc a 胂c i t ya d d i t i o ni n i n d i aa n do t i n ao v e r2 0 0 2 - 0 7 ( g w ) 1 , 0 ( 3 0 ( m w ) 800厂 咖 i 鼍4 0 0 口亡口副麓 口刨刖 | 鳖ll - 4 中、印总发电装机容鼙与风电装机容苗对比 f i g u r ei - 4c o m p a r i s o nb e t w e e nt o t a lp o w e ra n dw i n dp o w e rc a p a c i t ya d d i t i o ni nc h i n aa n di n d i a 目前风力发电技术又有了新的发展趋势。除了飙电机组单机容量继续增大， 变桨变速设计以及直驱型风电系统以外，个新的思路是海上兆瓦缎风机系统。 海上风电场能够更充分有效的利用风能，减少噪声污染，对人类生活干扰更小。 j 匕京交通人中硕l 学何论文 1 3 风力发电系统结构比较2 】 【9 】 目i ； 有多种方案可以实现风力发电并网运行。其中一些低技术含量的例如恒 速风机系统将会被逐渐淘汰，而目前新安装的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 】。以下 将简要介绍并比较各种风力发电系统的结构。 1 恒速恒频发电机系统 如图l 一5 所示，其发电机既u ，以采用同步电机也可以采用感应电机。同步发电 机的主要优点是可以向电网提供无功功；蕾，因此蚓1 5 中的无功补偿电容器可以省 去，但同步发电机的结构及控制系统比较复杂，成本较高。恒速风电系统中的感 应电机一般用鼠笼式异步机。由于感应发电机呈感性，故向电网输出有功功率的 同时，又必须从电网中吸收落后的无功功率，所以无功补偿装置不可或缺。另外 因为恒速恒频系统中，电机转速不随风速的变化而改变，因此产生的电能因为相 应的电压、频率条件可直接并网，而不需其他功率变换装置如电力电子等。但是 又由于电压相角的问题，并网会产生冲击，而图1 5 中的软启动电路能有效的抑制 对电网与发电机的电流冲击f 4 1 1 7 l i 3 1 。 一 f ：l c c l 。4 l y 、l 。“： ， t t f f b m c ：f ic t c l ii n f c r f ! ”n： i j l 宣：二_ ：二l 一j 幽i - 5 恒速恒频风力发电并网系统 f i g u r e1 5f i x e ds p e e df i x e df r e q u e n c yg r i d - - c o n n e c t e dw i n de n e r g yg e n e r a t i n gs y s t e m 尽管恒速恒频系统结构简单，控制容易，但随着电力电子与控制技术的进步， 单机大功率的变速恒频风电系统已逐渐取代恒速恒频系统。 2 变速恒频发电系统 与恒速恒频系统相比，变速恒频风力发电系统有很多优势【5 】： 一提高了系统的风能利用率。由于电机转速可以随风速的变化而改变，通过 对最佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在较大的风速范围内均可获得最佳的功 4 i 绪论 率输出。 一大大减小了机械应力。恒速恒频系统中，风速跃升会将巨大的风能通过风 机叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，从而产生很大的机械应力。此过程 重复出现势必引起机械疲劳甚至损坏。而在变速风电系统中，阵风能量会被风机 的转动惯量吸收，减少电机的转矩脉动，进而可以减少网侧馈电的能量脉动和闪 变。风机的加减速调节实际上对风能的阶跃变化起到了缓冲的作用，使风电机组 内部能量的传输装旨承受的应力变化比较平稳，j x l 力发电系统运行平稳安全1 9 j 。 一在低风速下，产生的听觉噪声更小。 可实现变速恒频风力发电的方案总结如图1 6i z 】。 e 重重翌 l “c n a 。n , c 。ae r 。e9 7 掌$ m 。0 00 三圣重重虱 “一ii m 0l 国i 等鲨樊“ii ”邕i | 严”一。暖：。 +量生 + 。 亘圈囱固i a t o u # 。c r 。z , or ，0 i - 同高高高i 。in d | 圄审审审 i $ m a lp l c o n v e f l r 匣重重虱l 僦篙裟嚣。i | ! l1 6 变速恒频风力发电方案总结 f i g u r el 一6s c h e m e so f v a r i a b l es p e e df i x e df r e q u e n c yw i n dp o w e rg e n e r a t i o n 在变速风力发电系统的各种实现方案中，有两种技术在当日u 的风电市场占主 流：直驱同步电机交流直流交流发电技术和双馈风力发电机技术。以下将分别 介绍并比较。 ( 1 ) 双馈风力发电机技术【7 1 1 9 l 双馈发电机结构类似于绕线式感应电机。其定子绕组直接接入电网，转子侧 绕组通过双向变频器，经由变压器接入电网，供给三相低频励磁电流，如图1 7 所示。 当该系统一常运行时，转子绕组中的三相低频电流会形成一个低速旋转磁场。 该磁场的旋转速度( n 2 ) 与转子机械转速( 怫) 叠加。令其等于同步转速惕，即 北京交通人学硕十学何论文 怫h 2 = n i ( 1 - 1 ) 从而在发电机定子绕组感应出工频电压。当风速变化时，电机转速珥随之改变。 根据电机调速的原理通过控制电机转子电流的频率以改变旋转磁场的速度啦， 补偿电机转速的变化，保持定子侧输出频率恒定。 t u r b i n c 幽1 - 7 舣馈风力发电机系统 f i g u r e1 - 7d o u b l yf e dw i n dt u r b i n es y s t e m s 该系统中发电机既可以超f d 步运行( 转予旋转磁场方向与机械旋转方向相反， 为负) ，也可以次同步速运行( 转予旋转磁场方向与机械旋转方向相同，巩为 正) 。对前者，除定予向电网馈送电能外，转予也向电网馈送一部分电能；而后 者，在定子向电网馈送电能的同时，转子需要从电列吸收部分电力。由于电力电 子装置在发电机的转子回路，其容量一般不超过电机额定功率的3 0 。 因此该系统与其他变速恒频风力发电系统相比有如下特点【2 l ： 一具有转速变化范围的限制，一般为额定转速的3 0 + 2 0 ； 一电力电子装置的功率等级较小，故电能损耗和成本都不大； 一既可调节有功功率也可控制无功功率； 一高风速时效率较高； 一与多极同步电机相比，双馈发电机体积小，安装和运输方便； 一需要齿轮箱，增加了机械维护成本： 一转子侧有滑环和电刷，需要一定的维护和柃修。 针对上述最后的问题，目前萨在研究一种无刷双馈发电机。它采用双极定子 和笼型转子。这种电机转子类似鼠笼型电机转予，定子类似单绕组双速感应电机 的定子，有六个出线端：其中三个直接接电网，另外三个通过功率变换装置与电 网连接，不需要电刷和滑环。 ( 2 ) 直驱型多极同步电机交流直流交流风力发电技术 6 1 绪论 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”1 ，如图l 一8 所示。 幽1 8 直驱永磁同步风力发电机系统 f i g u r e1 8d 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 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符限制，且不存在i 刊步电机的 失步问题。该系统特点有1 2 1 f 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，成本办相 应提高 一多极发电机的体积希l 重量大 一相比双馈风力发电机组，低风速时效率更高 鉴于以上两种系统各自的优势和特点，双馈发电机系统和直驱风电系统已成 为大功率m w 级风力发电的趋势。 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，将可再生能源作 为能源领域主题之一列入国家8 6 3 计划。m w 级变速恒频风力发电即是其中之一。 7 北京交通人学硕十学何论文 而据统计，目前大多数科研和生产单位如沈阳工业大学、清华大学等部将双馈发 电机系统作为主要研究对象，研究大功率直驱系统的还比较少。本课题以m w 级 直驱风力发电系统为背景具有较大的现实和理论意义。 1 4 论文主要内容 本文的研究对象是用于m w 级直驱风力发电系统的并联双重化网侧p w m 变 流器。论文主要内容如下： 1 在简要介绍本项目主电路的结构特点和控制要求之后喇述了p w m 变流器 的基本原理；给出了研究对象在低频、高频和旋转坐标系下的数学模型，并且特 别对用于实际项目，直流中点接地的变流器进行了数学建模：从纹波幅值与s p w m 谐波的角度分析了p w m 变流器双重化及其高频谐波抑制作用并提出了双重化 s v p w m 对称矢量合成的谐波抑制方法； 2 对不同数学模型，论述并分析了p w m 变流器的三种电流控制策略：其中 矢量控制根据对动、静念性能的要求阐述了按典型i 型、i i 型系统如何设计控制 参数：介绍了应用于直流中点接地模型的瞬时电流控制的控制原理及过程；通过 坐标变换和小信号模型线性化处理求得描述颅测电流控制( p c f f ) 下系统的连续 时不变线性方程，进而分析其稳念、动态响应以及高频特性；设计了直流电压控 制和针对中点接地系统的电压补偿p i 调节器的参数；以m a t l a b 仿真验证了矢量 控制策略和大功率系统的电压参数设计； 3 介绍了小功率p w m 变流器的实验主电路以及不同控制策略下控制系统的 软、硬件设计； 4 对三种方法控制下的系统进行了实验验证与分析：包括稳态电压、电流波 形和电流谐波分析，系统动念响应以及双重化高频谐波抑制的验证。 论文最后对研究内容作了总结，并展望后续工作。 2 风力发电p 咖变流器 2 风力发电p w m 变流器 本文研究的p w m 变流器以直驱型风力发电全功率变流系统为应用背景。其网 侧逆变器采用并联双重化结构，一方面分担电流，另一方面通过合理的双重化调 制模式可有效的抑制高频纹波。本章除了简要介绍1 2 m w 永磁同步电机变速恒频 风力发电系统的拓扑结构和控制要求外，将t 要研究p w m 变流器：给出其基本工 作原理，不同坐标系下的各种数学模型，分析其双重化及高频谐波抑制作用。 2 1 直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的交流直流交流变换。其交直整流既可 以采用i g b tp w m 整流器，也可以采用二极管不控整流与升压斩波。后者使用的 大功率i g b t 丌关管少，因而性价比更高【6 j 。作为本文背景的m w 级直驱风力发 电项目，变流系统采用二极管不控整流，升压斩波与两重并网逆变器的功率变换 拓扑结构。通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率。调节无功则通过控 制作为电网接口的电压型p w m 变流器( 2 i 。 一系统变流部分拓扑如图2 一l 所示。发电机采用多极永磁同步电机。发出的交流 电的电压幅值与频率随风速的变化而改变。经电容滤波后，六相二极管桥式整流 器将幅值与频率变化的交流电变换为直流。不控整流输出的直流电压往往不能达 到网侧逆变( p w m 变换) 对直流侧电压的要求，需要升压斩波器提高直流侧电压。 三相电压型p w m 变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入 电网。图2 一l 所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构。另外在升 压斩波与网侧逆变器中i 日j 有制动单元。一旦电网电压跌落，制动啦元i g b t 导通， 电阻消耗能量，从而减小并网电流。网侧采用l c l 滤波技术可以有效地滤除p w m 变换中产生的高频谐波。 系统结构具有以下特点： 1 电机采用多极永磁同步结构：实现了电机的低速运转，无齿轮箱：不需励 磁，无滑坏和电刷；大大减少了系统的机械维护成本。 2 电机与整流桥均采用六相结构，可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容 量的要求。 3 升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构，方面分担电流；另一方 面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波。 9 北京交通人学硕十学何论文 幽2 - il ，2m w 商j 妪风力发电变流系统拓扑结构 f i g u r e2 1t o p o l o g yo f t h ei 2m w d i r e c t d r i v ew i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m ( w e c s ) 4 p w m 变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制，且对多重化结构能抑制 环流，同时由于对直流电压中点的箝位降低了对直流母线绝缘性能的要求；而将 直流电压分为两个独立变量，在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压 补偿器，加大了控制难度，且出于中线的连接，弓l 入了零序电流。对该模型的具 体分析与控制见本章2 3 3 节直流中点接地的p w m 变流器数学建模和第三章3 3 节瞬时电流控制策略的研究。 5 斩波器输出之后加入了制动单元。当电网电压突然跌落时，由于风轮机的 机械惯性，传递功率不变而使并网电流突增。此时使制动单元i g b t 导通，旁路 p w m 变流器，电阻能耗制动，降低并网电流。待电网电压恢复后再断丌制动单元 丌关管，系统萨常运行。 6 p w m 变流器髑侧采用l c l 滤波，实现了风电交流系统与电网的隔离：既 滤除p w m 变换的高频谐波，又滤除电网尖峰信号对功率变换系统的干扰。 变流系统控制主要针对斩波器和逆变器。 斩波器通过调节输入电流控制系统传输的有助功率。因为斩波器输出侧直流 电压由p w m 变流器控制恒定，所以控制输入电流时，调节i g b t 开关管的占空比 即控制了升压斩波器的输出电流，进而控制输入风能的功率。对变速恒频系统， 斩波器输入电压会随风速的变化而改变。为了控制系统的有功功率，其输入电流 指令也必然会相应的改变。所以快速的动念跟随性是斩波器的重要指标。 网侧逆变器有两个控制要求，其一要求控制直流侧电压恒定，其二要求控制 0 承 。 越y叱矾z 2 风力发电p w m 变流器 并网输出电流谐波畸变( t h d ) d 、，且保持单位功率因数( u n i t yp o w e rf a c t o r ) ，以控制 系统无功功率为零。当然在必要的情况下，也应可以向电网发出需要的感性无功 或容性无功。而网侧逆变器由于与风轮机和同步发电机隔离，其主要控制目标是 保持良好的抗扰性能。当然在系统指令改变时，p w m 变流器也应具有快速的动念 响应。 2 2p w m 变流器工作原理【1 0 j 图2 2 给出了三相电压型p w m 变流器的典型电路结构。 图2 - 2 二三相电压喇p w m 变流器的典型电路结构 f i g u r e2 - 2t y p i c a lc i r c u i to f at h r e ep h a s ev o l t a g es o u r c ep w mc o n v e r t e r p w m 变流器可以实现能肇的双向传输，在采用电流闭环控制时，具有可控的 功率因数，低电流谐波畸变以及快速的动念响应等特点j 。图2 2 中共有四个储能 元件，三个交流电感l 和直流电容c ，另外r 表示功率歼关管损耗等效电阻与交 流电感及网侧等效电阻之和，为p w m 变流器交流侧等效电阻。 交流电感的主要作用为：隔离电网电动势与变流器桥臂交流电压，控制变流 器交流侧电压实现四象限运行；滤除交流电流谐波；储能，实现变流器与电网传 递无功功率；使变换器具有升压变换( b o o s t ) 特性。 直流电容的主要作用为：缓冲交流侧与直流负载之问的能量交换，稳定直流 电压：使直流侧具有电压源特性，构成电压型p w m 变流器：抑制直流侧电压谐波。 根据p w m 变换电路的原理，直流电压由直流电压闭环控制，桥臂中点电压通 过丌关管的p w m 模式控制，类似于同步电机励磁电压矢量的方向和幅值可控旺1 。 图2 3 表示电压型p w m 变流器的等效电路图。 匕京交通人学硕十学位论文 j 扩 f 月 i 鳘| 2 - 3 电压刑p w m 变流器的饰效电路 f i g u r e2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f av o l t a g es o u r c ep w m c o n v e n e r 根据i f 弦调制和载波比较技术对功率开关管进行p w m 调制，可以在桥臂交流 侧产生币弦调制的p w m 电压波形，如图2 3 所示。j 下弦调制p w m 波含与调制波 频率相同且幅值成币比的基波分量和与载波相关的高频谐波。这些高次谐波会产 生电感电流脉动。忽略p w m 高次谐波，如下相量方程( 2 1 ) 式成立： e = u s + ( j c o l + r ) ，( 2 - 1 ) 其中为电网电动势相量，u 、为桥臂交流电压“的基波分量的相量而，表示线电 流基波分量的相量。 以电网电动势为参考，控制桥臂交流电压相量u 、可以控制p w m 变流器的运 行状，奈，使其不仅能工作于单位功率因数的整流或逆变状念，也可以根据需要发 出超前或滞后的无功。图2 - 4 给出系统相量图。图2 - 4a ) 中u ，超前e 相角j ，而电 流，超前e 相角舻。这晕p 9 0 。，其有功分量，与相位相反，电路工作在逆变 状态，实现了能量的回馈；同时电流无功分量，。超前e 相角9 0 0 ，表明其具有超前 的无功，呈现容性负载特性。图2 - 4b ) 中u 。滞后e 相角万，而电流，滞后相角妒。 这罩妒 对称规则采样法 f i g u r e2 - 5s p w m m o d u l a t i o na n dw a v e f o r m so f t h es w i t c h i n gf u n c t i o n a ) n a t u r a l l ys a m p l e db ) s y m m e t r i c a lr e g u l a rs a m p l e d 丌关函数民可表示为： 铲。谦鬈芝：氅 s k = 1( 1 一矾) 万c o ，f ( 1 + 矾) 万 其中缈，= 2 万z ，为p w m 丌关频率；d k 为p w m 占空比， 关周期内的平均值，故 口0 = 互1 。j 【f l l * d r ，( 叫) = 矾 a 。= 0 玩= ( - 1 ) ” s i n ( n d k n - ) ( 2 1 6 ) 即丌关函数在一个开 ( 2 1 7 ) & 。矾+ 善( 卅”去8 i 吣以咖。s ( 州) ( 2 - 1 8 ) 。荟h 。& 2 。荟。矾+ 善【。萎h 。( 一矿去8 i n ( 喊丌) 】c 。s ( 竹州) ( 2 - 1 9 ) t 4 t = h = i1 2 u c ， 将式( 2 1 8 ) 年d ( 2 1 9 ) 代a ( 2 1 1 ) 得 a = 4 + 以 ( 2 2 0 ) 其中4 表示低频分量，以表示高频分最( 大于等于丌关频率) 式中 五= j t 室交堕? 进堕t 梦垃哆文 一只00 oro 00一r d 。dhd 。 a = 一k 一 破1 kj ：h 一( 以一撬矾) 一d _ 1 。荟 一l 尺， 000 以4 000 a h 4 0 00 4 4 a 4 。a 4 a 4 。0 ( 2 - 2 1 ) f 2 2 2 ) 4 t 一喜”寺s i n ( 呦) 一量荟，叫咖) 】c o s ( 删 ( 2 - 2 3 ) 如= 砉”三n n s i n ( 慨咖。s ( 州) 】 ( 2 - 2 4 ) ( t = d ，b ，c ) 相应地，状态变量x 也可分解为低频分量和高频分量既 x = x i + xhq 一2 5 ) 则得三相p w m 变流器连续的数学描述为 z ( x ，+ x ) = ( a i + a h ) ( 一十x j , ) + b e( 2 - 2 6 ) 该数学模型由两部分组成：小于，r 关频率的低频模型： z x ，= 名，x ，+ b e( 2 - 2 7 ) 和开关频率以上的高频模型： z x h = a h x i + a i xh + a h x h t 2 - 2 8 ) 为了表述方便。下文的论述中省略低频模型的下标j ，则( 2 2 7 ) 式可改写为 z x = a x + b e t 2 - 2 9 ) 高频模型( 2 2 8 ) 中，高次谐波分量也远小于低频谐波分量z ，故可省略( 2 2 8 ) 式中的( 爿+ 以) 项，得到近似高频模型 z x = a x ( 2 - 3 0 ) 式( 2 2 9 ) * 1 ：1 ( 2 3 0 ) 给出了三相静止坐标系( n b c ) 下p w m 变流器的低频与高频数 学模型。由于将离散的丌关函数以f o u r i e r 级数表示，可根据浚模型在不同的控制 策略下求解低频段与高频段内的封闭解，进而分机系统的动、静态特性。若忽略 其高频模型，即可获得占空比表示的连续数学描述，特别有利于简化p w m 变流器 6 2 风力发电p 删变流器 控制系统的设计与分析。 2 3 2 两相旋转坐标系向t ，下的数学模型i 旧1 1 ”i 三相静止坐标系一b c ) 下数学模型物理意义清晰、直观，但式( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 给出的是连续时变非线性系统模型，仍然不利于控制系统的设计。通过坐标变换 将三相对称静止坐标系( a b f ) 转换为以电网电压基波频率同步旋转的两相旋转坐 标系( d - q ) ，从而使三相静止坐标系中的基波正弦变量转换为同步旋转坐标系中的 直流量，变时变系统为时不变系统，以进一步简化控制系统的设计。 从三相静止坐标系( n b c ) 变换到两相旋转坐标系( d - q ) 可经过两个步骤：先从三 相静止坐标系( 拧一乱c ) 到两相静止坐标系( 拉j 国，再从两楣静止坐标系( d 一所到两相旋转 坐标系( d - q ) 。以下将分别求出其变换矩阵，进而得到两相旋转坐标系( d - q ) 下的数 学模型。 1 三相静止坐标系( c l b c ) f l i i 相静止坐标系( 吐厕变换 在两相静止坐标系( 吐扔中，8 轴与a 轴重合，而b 轴超前a 轴9 0 0 相角，两坐 标系的位置关系见图2 - 6 。 幽2 - 6 二相静i r 坐标系( 口一6 c ) 剑两相静l r 屯标系( 口扔变换 f i g u r e2 - 6s t a t i o n a r yf r a m e ( a - b - t o ( 仅国a x e st r a n s f o r m a t i o n 由功率不变变换准则，得c l a r k e 变换矩阵为 令零轴分量 k 矿延 1 一三一三 22 o 巫一巫 22 lll 压压压 ( 2 3 1 ) 些互! 茎塑丝里主竺! 塑羔 = 西1 ( + + t ) ( 2 - 3 2 ) 实际系统中，不计零轴分量，可得相量从三相静止坐标系( 口- b c ) 到两相坐标系( n j 回 下的c l a r k e 变换式为 相应地，其反变换为 l一土 一三 22 o巫一鱼 22 叶 l0 l 3 22 l 3 2 2 ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) 2 两相静止坐标系( a j 国两相旋转坐标系( d - q ) 变换 两相同步旋转坐标系( d - q ) 以电网电压基波角频率脚逆时针旋转。根据瞬时无 功功率理论l 。6 1 ，将两相旋转坐标系( 正g ) 中q 轴按电网电动势矢量定向，则q 轴表 示有功分量，而d 轴表示无功分转。假设某时刻，d 轴与口轴- 火角为护，静止坐标 系( 吐勒与同步旋转举杯