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高速动车组主要零部件损伤规律及维修周期的研究 北京交通大学硕士学位论文高速动车组主要零部件损伤规律及维修周期的研究姓名:王彩霞申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:宋永增201206中文摘要摘要:海上作为风力发电的理想场所近年来得到了广泛的关注。在离岸距离超过的远海处建立风电场,高压直流传输是唯一的传输方式。传统的.和.由于需要采用庞大笨重的工频变压器升压结构因而不利于海上风电场的建设,基于 的海上风电场拓扑结构采用高压大容量直直变换器替换了原有的笨重庞大的工频变压器从而使得系统更加轻便,并提高了系统的效率,是目前海上风电场的建设研究的热门选题。本文从以下几个方面对基于 的海上风电场进行了分析和研究:.分析和总结了目前海上风电场的发展状况与并网方式,尤其对基于的海上风电场的拓扑结构和适用于基于 的海上风电场的直直变换器进行了详细叙述。.提出了基于 的海上风电场的控制策略,就系统各个部分变流设备的原理进行了阐述:详细论述了永磁同步风机的数学模型、控制策略以及最大功率追踪算法,并分析了通过永磁同步电机控制策略实现最大功率的办法。对两电平和三电平的空间矢量脉宽调制理论进行了详细说明。分析了海上风电场中常用的大功率.变换器的特点,尤其对全桥?变换器的工作原理和控制策略进行了详细的论述,提出了机侧及离岸.变换器的控制策略,提出了岸端逆变器的控制策略。.用/软件建立了基于 的海上风电场的系统仿真模型,包括风速模型,永磁同步风机模型,机侧模型,机侧及离岸.变换器模型和岸端逆变器模型等。对所提出的系统控制策略和拓扑结构进行了仿真验证。.在原有基于两电平系统的基础上在机侧和网侧对系统进行了三电平结构优化,并就两种结构的谐波特性进行了分析比较。关键词:海上风电;全桥.变换器;分类号:, . . 丽 ,? . :.鲥 ; . .: ,?. . . / . , ,. 缸】. ?. ; .:; ;:.:】致谢本论文中的所有工作是在我的导师葛宝明教授的悉心指导下完成的,葛宝明教授科学的工作方法和严谨的治学态度给了我很大的影响和帮助。在此衷心感谢两年来我的导师葛宝明教授对我的关心和指导。清华大学的姜新建副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向姜老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间,清华大学的博士研究生高聪哲师兄、硕士研究生靳乐冰同学还有北京交通大学的博士研究生刘硕师兄对我论文中的研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。绪论.海上风电场的发展现况风力发电是目前受到全世界广泛关注的发电方式之一。风能作为一种清洁能源,同传统的火力发电方式相比,没有二氧化碳及有毒物质的排放,是理想的绿色能源,风力发电作为近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目之一,发展速度非常的快,全球风电装机容量年均增长率达.%。在目前能源危机的大背景之下,风能取之不尽用之不竭,能够缓解目前能源过分紧张的局面,并且安全无污染有利于生态环境的保护。目前陆地上的风电发展已经进入比较成熟的阶段,人们开始把目光投向更加适合风力发电的海上。海上风况优于内陆,在内陆中,风流遇到过于粗糙的地表和障碍物时,风速和风向都会产生改变,而海上不存在这样的问题,离岸的海上风速通常比沿岸的内陆高四分之一。海上的主导风向稳定性比陆地更好,具有较低的风湍流强度,风机所承受的机械负荷低,从而工作寿命更长;风切较小,所以搭架可以较低。在海上建设风电场,不用考虑产生噪音的问题,电磁波和鸟类干扰的问题也得到了解决。海上幅员辽阔,无居民居住,所以没有陆地上的征地限制。尤其对于人口密度大,内陆面积小的临海国家地区,非常适合发展海上风力发电。海上风电场环保价值高,没有任何大气污染和有害物质的排放。这些都使得海上成为风力发电的最佳场所【】。世界上许多国家都十分重视风电的开发和利用,并早已着手建设海上风电场,丹麦等欧洲国家的海上风电场建设处于世界领先的水平。年月,世界上第一个大型海上风电场在丹麦的北海海域建成,总装机量容量,随后丹麦的、和等大中型风电场相继建成。世界各国都在更加高效、大规模地发展风电,海上风电技术已经成未来风电发展的必然趋势【。我国沿海地区的海上风能资源丰富,如广东、海南、浙江、福建、和辽宁等。如果对于这些海上风能加以有效利用,就能够对目前我国东部电力供应紧张的局面起到很好的缓解作用。我国的海上风电场发展正处于新兴的阶段,风场的技术指标和运营策略都面临很大的挑战需要不断探索。目前我国正在进行着上海东海大桥海上风电场的建设,在台湾地区也已经有实际的海上风电场项目正在进行【。.海上风电场的并网方式海上风电场的一般配置包括,风机组,能量收集点,传输系统,和并网接口。如下图.所示【】:图.海上风电场的一般配置.传统的海上风电场的并网方式主要有两种:高压交流传输,高压直流传输,而高压直流又分为基于传统晶闸管变流设备的.和新型的基于的?。他们之间主要的区别在于风场的规模和离岸距离。高压交流传输:交流并网方式一般适用于规模较小并且距离海岸较近的海上风电场,通过交流电缆并入陆地上的电网。这种并网方式的结构一般包括:风场侧变压器装置,高压交流海底电缆,陆上变压器,还有交流电缆两端的采用晶闸管进行控制的电抗器。另外,交流并网的电压水平比较低,一般在.,这样不利于大型远距离海上风电场的并网,会带来很多的线损,为了提高传输效率必须提高传输的电压等级。交流输电并网的优点是系统结构简单,成本低。但是缺点也是显而易见的,因为交流电缆产生的充电电流的原因,交流系统的传输距离和传输容量都不够理想。高压直流传输:?:为了有效的利用海上风能,海上风电场有规模越来越大,离岸距离越来越远的趋势。在这种情况下,就必须采用高压直流技术的并网方式。当风电场额定容量超过之后,使用基于晶闸管结构的直流传输并网方式有比较大的优势。采用直流传输并网方式需要提高建设成本的地方在于增加了换流站部分。另一方面直流电缆的成本又降低了。综合考虑,相比交流传输方式并不会增加过多的经济成本。.:和传统的基于晶闸管换流设备的 相比。新型的基于.在很多方面上得到了长足的进步。采用了新型全控型开关器件,比如绝缘栅型双极晶体管和门极可关断晶闸管。并且结合了脉宽调制技术。可以同时进行有功功率和无功功率的独立调节,提高了电能质量的同时解决了传统.中的换相失败问题。但是与此同时,成本相比其他两种并网方式较高,并且由于开关管功率的限制,风电场的容量不如基于.的海上风电场大。此三种接入方式的比较如下表所示【:表高压传输接入方式比较.已建,更大的传输容量 最大已有 采用海底电缆可至容量在研究中已经建立,可达到,正在研究电压等级 和正在 可达到开发黑启动有 无 有能力支持电网 无,需要来提供 无,需要电容组和提供有,具有无功调节能力能力 无功功率 无功海上有 无 一般在石油平台上变电站变电站最小 最大 中等规模建站成本小,基奉上 建站成本高,包括变压器、 比技术的还要高,因为比晶闸管的花费高,成本 是变压器的花费,但 晶闸管、电容器组和滤波器,是电缆成本高 但是电缆成本低 电缆也更昂贵总的来说,传输的接入方式结构简单,成本较低,但是容量也较小,传输距离也最近,所以适合小容量、近距离的海上风电场;.的传输方式不受到距离的限制并且容量大,但是换流站的成本高,适合于特大型海上风电场;.有灵活控制,谐波小等等优点,很适合海上风电场并网,但是由于开关管的功率限制,并且换流站成本高,目前只能应用于中小型海上风电场的并网【,。.基于的海上风电场传统.的发展已经是一种比较成熟的技术。无论是公司的轻型直流输电,还是西门子公司的新型直流输电还是我国专家提出的柔性直流输电 ,都已经取得了可观的成绩。基于?的海上风电场系统如下图.所示【.】:图.基于.的海上风电场拓扑.传统的高压直流传输方式如上图所示,由图可以看出,这种拓扑的工作原理是首先由风机发出交流能量,再经过背靠背变流器变频,最后经过升压变压器升压到高压等级再通过离岸整流,经过直流传输后再经过岸端逆变器逆变最后并入电网。在这种拓扑下,无论是小范围的进行拓扑优化还是对控制策略进行进一步改进,都依然要面临一些己知的问题:比如效率不够高,庞大笨重的离岸变电站设备加大了运输安装以及维护的成本等。虽然基于的传输相比传统的 改善了谐波,并且能够进行有功和无功的同时控制,但是无法解决的问题是:无论是基于晶闸管还是基于的传输方式,都始终无法在离岸端避免使用庞大笨重的低频变压器,这对于条件艰苦,环境恶劣的海上风电场来讲是非常大的一个弊病。,简单基于以上的问题,人们提出采用 的并网方式。所谓的来讲,就是以.升压变换器代替升压变压器和海上。各个海上风机机组通过可控或者不控整流连接在直流母线上,再由大功率高电压.升压变换器升高到适合传输的高压等级,经过直流电缆传输到岸上,再经过岸上逆变器的逆变后并网。这样做的好处很多,最为关键的一点就是减小了海上变电站的体积和重量,省去了庞大笨重的低频变压器,在.变换器中采用了小巧轻便的高频变压器,在使得系统变得更加轻便的同时减少了变压器的损耗还提高了系统的效东【】。一的海上风电直流传输系统的拓扑结构一般有一下三种:目前,基于第一种方式如图.所示,各个风机输出交流后经过整流为直流,先通过?升压变换器升压到中压水平,再同时并联在直流母线。能量被收集在直流母线上之后再级?升压变换器升到适合传输的高压等级传输能量,经岸端逆变器逆变并网。此拓扑的优点在于在风机输出能量后电压立即得到了升高,这样在直流母线上的损耗就降低了,另外各个部分的电压都能得到独立的控制,缺点在于在风机侧就需要增加额外的.升压装置,增加了成本和变流器上的开关损耗。第二种方式如图.所示,和类似,只是去掉了风机上的。环节,整流后直接在直流母线并联。这样对离岸.变流器要求很高,要能有足够大的占空比才能将电压升高到理想的传输等级。采用这种结构的省去了机侧.变流器,对于大的风电场来讲,具有很好的经济性。但是这样做的结果使得原本的三个电压等级变成了两个电压等级,所以电压传输等级很大程度上要受限于风机的输出电压。当风机的输出电压不够高时,离岸.升压变换器也无能为力。同时直流母线之前的线损会增大。第三种方式如图.所示,每个风机后面都配备了.升压装置,与相似的问题,电压等级只有两级。传输的电压等级受到了风机输出电压的限制。但是由于提前将电压升高,所以直流母线上的损耗会减小。但是同相比,.变流器的个数又增加了,建设成本相应的提高了许多【】。图三种基于 的海上风电直流传输系统的拓扑结构.这三种拓扑结构各有各自的优缺点,应当根据实际情况的不同的分别选用。在无法使用超高压风机或者对电压传输等级要求较高的时候应当采取的拓扑,如果能够有超高压风机支持,或者电压传输等级不高的时候,应该优于考虑,同样是两级的结构,结构相比结构更简洁更具有经济性,从损耗的角度来讲,的损耗也是最小的。由于系统采用直流的升压模式,在风机后面不用背靠背变流器的结构进行变频。一般在风机都设计来进行整流和风机控制,由风机输出电压等级的不同采用两电平和三电平皆可。直直变换器是基于 的海上风电场的核心设备,目前理论中所采用的高电压大容量变换器多为采用高频变压器的隔离.变换器,如全桥变换器,变换器和变换器,其中又以变换器最为常见,另外还有研究新型高电压大容量直直变换器旨在通过并联,多重化或谐振的方法省去高频变压器环节,从而使得直直变换器更加简单轻便并且进一步减少损耗【】。在岸端逆变器的选择上,一般可以采用传统的基于晶闸管电路的逆变器或者采用新型的基于和技术的。两者相比晶闸管电路更加经济,并且损耗较小,而基于和技术的成本更大并且开关损耗较大。在性能上,则远远优于基于晶闸管的逆变器,能够同时进行有功无功调节,并且具有黑启动能力,控制策略多样化更加的只能,且能够改善谐波质量,优化电网。在具体的选择上应当根据实际需求和经济情况多方面考虑进行选择。在基于 的海上风电场的控制策略方面,总体来讲一般有两种:.变换器可控的控制策略和.变换器不可控的控制策略,在.变换器不可控的控制策略中,.变换器作为一个黑匣子只起到升压作用,整个系统的控制基本上都交由风机侧对风机侧的控制模块和岸端逆变器来进行,这样做的好处在于系统的控制策略简单,各个环节的控制策略不会出现过多的耦合情况。但是缺点也是显而易见的,在如此大的系统当中,每个部分相隔的距离都很远,采用这样简单的控制策略降低了系统的可靠性。在.变换器可控的控制策略中,?变换器也承担起了一定的控制作用,对机侧直流电压进行稳定和对直流母线电压进行稳定,这样增加了系统控制的复杂性但是做到了系统每个部分都处于可控状态之中,使得系统的可靠性得到了提高,并且对于各级直流电压的控制可以使能量更加有效的进行传输,降低了电缆的损耗。在本文的建模当中,也采用各个部分可以控制的系统控制策略。.本论文的研究目的和主要内容在全球能源危机的大背景之下,风力发电作为最重要的一种清洁能源正在蓬勃有力的发展,而海上风电由于其自身优势是目前全世界各国极力发展和推崇的一种风力发电方式,是目前的研究热点。相比于其他基于直流传输的海上风电场设计,基于 的海上风电场具有很强的适用性,并且目前没有实际的工程范例,无论是其拓扑结构还是控制策略正处于理论研究的层面,所以这种研究有非常大的必要性,在如此大的风电场设计和投资中,只有在充分的理论研究下实际的工程才能有所进展。本文查阅了大量文献,对于基于直流传输的海上风电场拓扑和控制策略进行了详细分析。尤其对于基于 的海上风电场的拓扑和控制策略进行了单独的分析论证。本文主要进行了以下的工作:就目前的基于直流传输的海上风电场研究进行了总结和分析。对目前基于 的海上风电场研究成果进行了综述。建立了基于 的海上风电场系统模型,包括风速模型,永磁同步风机模型,机侧模型,机侧及离岸.变换器模型和岸端逆变器模型等。提出了基于 的系统的控制策略,包括机侧变流器控制策略,机侧及离岸.变换器控制策略和岸端逆变器控制策略。在/软件中进行了控制策略和系统拓扑可行性的仿真验证。对三电平在海上风电场上的应用进行了分析,在原有的系统基础上对系统进行了三电平结构优化并对比了谐波特性。永磁同步风机及机侧工作原理.空气动力学相关.风速模型为模拟风电机在风速变化时的响应,需对风速进行建模。一般将风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量。基本风在仿真中认为一直保持不变。其余分量如下所述:阵风风速突然变化的特性叫做阵风特性。在风力发电系统的仿真运行中,通常可以用它来表明系统在很大风速干扰下的动态情形。它的数学表达如式.所示。正式.%。 石互【其中%嘲/一万/乙一一互/?;巧、%一分别对应阵风开始时间,结束时间和阵风最大值。渐变风渐变风是用来描述风速的渐变特性的,数学表达式如式.所示:正正互圪御% %懈 互一互一互吃叩式.其中吃叩%一?/石】,。咿%一【互一/互】,%咖;,互,正分别为渐变风风速最大值、开始时间、结束时间、上升时间和下降时间。随即噪声风随即噪声风用来反映风速的随即特性,如式所示:式./品国】/兰鱼:竺 .仍是之间均匀分布其中哆一互?缈,品哆,哆/“】/的随机变量;是地表粗糙系数;指扰动范围;是平均风速;国为频率间距。.风机输出特性与最大功率追踪风机输出特性如下所示:式.只.,。名,其中己为输出功率,为空气密度磁/】,为风机叶片半径,为风速/,。为风能利用系数,旯是叶尖速比与桨叶节距角的函数。当桨距角为恒定时,。只与叶尖速比兄有关,在不同桨距角下的相互关系如下图.所示,可以看出在不同的桨距角下对应着一个最佳叶尖速比使得风能利用最大。簌静霄叶尖速比.图.风机功率特性.叶尖速比兄是风机叶片半径,风机转速%和风速的函数。关系式.所示:式.兄,%在最佳叶尖速比死,下,风机转速和风速成正比。此时,风力机轴上输出的机械功率为:式.。却.。,竽瓦由上式两侧同时除以风机转速%,可得风机输出的机械转矩为:式.础。,。国己由以上式子可知,在不同的风速下,总有个特定的风机转速能够对应最佳叶尖速比从而使得风能利用系数最优从而使得风机的输出功率最大。实现这样的转速追踪的过程叫做最大功率追踪。最大功率追踪的算法有很多种,比较常见的有叶尖速比控制、功率信号反馈以及爬山法控制【。爬山法是实际应用中最常见的方法,本文系统建模采用的算法即为爬山法的控制算法,该方法的实现办法是通过小范围的改变转速给定值来判断功率是否朝着增大的方向,如果功率处于增大的趋势,就继续增大转速给定,如果功率处于减小的趋势了,就朝着相反的方向给定转速,算法的原理图如下所不:图.基于爬山法控制算法框图.为了捕获最大风能,在进行最大功率跟踪的时候,桨距角一般都保持不变。然而,在风速超过额定的情况下,由于风电机组机械强度、发电机及变流器容量的限制,必须降低风轮的能量捕获,使功率输出保持在额定值附近,避免强风对风机造成损害。比较常见的桨距控制方法有失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种方式。.风机发电机组的发展状况风力发电机组由早期常用的恒速恒频机组发展到了目前常用的变速恒频率机组。基于笼型感应发电机的机组是早期恒速恒频机组的代表。使用这种机组时,由于电网的频率是恒定的,感应电机转差的波动范围小,所以无论在何种风速下发电机的转子转速接近定值。笼型感应电机功率因数较低,启动电流也比较大,因此在网侧必须配备无功补偿电容和软启动装置。另外风机的转速一般比较低,因而电机和风机之间需要加设齿轮箱。恒速恒频率的机组的优点在于电机可靠性高,控制策略简单,电气成本低。缺点也是显而易见的,最关键的是电机无法根据风速的情况及时调节转速,无法最大效率的对风能进行捕获。转速的恒定还带对机组的机械应力带来了不利的影响,风速的变化直接会反映到机械转矩上,同时还造成并网功率的不稳定,影响了电网的稳定性。另外不具备连续的无功控制能力,并网电能质量低。为了改变这种情况,更加高效的捕获风能。变速恒频机组得到了不断地发展。在不同的风速下,通过变流器对发电机的转速进行控制就能使风机最大限度的捕获风能。变速恒频机组的成本相比恒速恒频机组成本较高,而且控制相比更加复杂。但是其优点非常多且非常重要。一方面能够通过变流器对电机的控制实现最大功率追踪,另一方面能够同时进行有功和无功调控,提高电能质量,除此之外减少了机械部分的机械应力,同时减少了噪声。常见的变速恒频风力机组有双馈异步风机和直驱式永磁同步风机。在双馈异步风机中,风机与电机通过齿轮箱连接。转子绕组由背靠背变流器连接到电网。双馈发电机可以在超同步、次同步和同步三种状态下运行,具有较宽的转速调节范围,通过调节转差功率可以实现这种切换。因为仅仅需要传递转差功率,所以变流器在容量选择上可以依照机组总容量的%到百分之%进行,具有很高的性价比。由于双馈变频风机的以上优点,双馈变频风机在世界上取得了广泛的应用。进入二十一世纪之后,双馈型风机成为了市场上主流机型,占据了大规模并网风机的主要市场。但是,双馈性风机在有其缺点和局限性。首先,必须要使用昂贵的齿轮箱,且存在始终难以妥善解决的漏油问题,这些都是系统可靠性和效率转换的提高的不利因素;另外,双馈风机中电刷还有滑环必须定期进行检修,维护繁琐,维护量大,也不利于提高机组的可靠运行。由于双馈异步风机的以上缺点,人们开始关注直驱和无刷化的风机。基于桨距调节、变速运行、低转速、高功率因数和高效率的永磁同步风机是目前的研究热点。直驱式永磁同步风机使用永磁体励磁,没有励磁损耗,在实现无刷化的同时提高了效率;直驱式永磁同步风机运行时,不需要从电网吸收无功功率来建立磁场,这样就改善了电网的功率因数。直驱式运行没有齿轮箱,这样提高了发电机组的可靠性和效率并且减少了噪声污染,与此同时,设备的维护量大大降低。这些优点尤其是可靠性和低维护使得直驱式永磁同步风机在气候和环境条件恶劣的海上风电场上具有非常好的适用性。本文系统建模中所采用的的风机也为直驱式永磁同步风机。.永磁同步电机的基本原理永磁同步电机由定子、转子和端盖等部件构成,定子和绕线式同步电动机基本相同,转子用永磁体代替了绕线式同步电机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,故称为永磁同步电动机。永磁同步电机的结构如下:糸俄鹱予瓤轴图.永磁同步电机截面图.蜀?曛图.嵌入磁钢的永磁同步电机结构图 . 永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的基本方程包括电动机的电压方程、磁链方程和转矩方程等,这些方程是永磁同步电动机数学模型的基础。永磁同步电机运转时其定子和转子处于相对运动状态,永久磁极和定子绕组、定子绕组和绕组间的相互影响,导致永磁同步电动机内部的电磁关系十分复杂。再加上此路饱和等非线性因素,给永磁同步电动机的数学模型建立带来了困难。在不影响研究效果的前提下需要简化永磁同步电机的数学模型,通常做以下的假设【】:忽略磁路中铁芯的磁饱和,不计铁芯的涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组,永磁体也没有阻尼作用;永磁铁在气隙中产生的磁势为正弦分布,无高次谐波,即定子的空载电势为正弦波;永磁材料的电导率为。基于以上假设得到的永磁同步电机的各个方程如下:永磁同步电机定子电压方程:“一足%式.“口%【甜%式中为定子每相绕组电阻;儿口为三相绕组交链的磁链;/为微分算子永磁同步电机的磁链方程如下:沙月 口 栩互式爿 口 国“砌艮爿 .咕. 伽伽励 .,. 伽伽励 占 .七. 倚%式中匕、为定子各相自感;、%、为定子各相之间的互感,%,为励磁磁场链过,绕组产生的磁链。由于三相绕组对称,则认为互感也为对称则有口,毛,厶。永磁同步电机的转矩方程如下所示:式.。一./钆乇既一等/ 既等.永磁同步电机的坐标变换坐标变换是用新的坐标系统替换原来的坐标系统,使得原来坐标系统的各个变量及其相互关系变换成在新坐标的变量及其相互关系。为了对永磁同步电机进行矢量控制,就必须将坐标系换算到旋转的坐标系下。三相静止坐标转换两相旋转坐标系的转换矩阵如下所示: ?,、: “一等擀删一等由上式司得永磁司步电机在两相旋转坐标系的数学模型如:电压方程:卜岛厶鲁一式.卜厶鲁盼磁链方程:%厶吩【%厶盼电磁转矩:式.死丢吩厶一厶屯.永磁同步电机的矢量控制方法永磁同步电机的矢量控制方法一般有弱磁控制、最大转矩/电流控制和控制。其中控制称为转子磁场定向控制。其本质是实现轴和轴两轴电流解耦,使定子电流中只有交轴分量。在电流中只有交轴分量的同时,定子电流矢量位于轴,无轴分量,该控制方法简单,计算量小,没有电枢反应对电动机的去磁问题,应用比较广泛,在本文的系统建模中,永磁同步电机的控制策略也采用的控制策略。将带入电磁转矩方程可得:式.三吩在屯的控制策略下,忽略定子铜耗和铁耗,发电机输出有功与电磁功率相等,可表示为:式.乞.吩缈通过上式可知,在电机转速缈已知的情况下,通过直接控制轴电流分量,就能对电机的电磁转矩进行控制,进一步控制发电机输出的有功功率,最终实现整个系统输出有功功率的调节。从上式.可以看出,发电机定子、轴状态变量中存在着耦合关系,为了设计独立、轴电流和控制器,必须对、轴电流和进行解耦控制。解耦方法是分别将直轴电压%和交轴电压分解成两个分量:一个分量是“和“二,由电流控制器输出;另一个为解耦得到的血耐和血。则有:订杪 一国国七髓篡芝羞霉.电机侧控制策略电机侧的控制策略框图如下图.所示。电机侧的主要控制目的在于控制电机使得风机能够实现最大功率追踪,另外在系统中要起到整流的作用。控制策略上采用速度外环,电流内环双闭环控制方式,实现无静差控制。依照常用的永磁同步电机控制策略,系统采用了的控制策略,其本质是实现轴和轴两轴电流解耦,使定子电流中只有交轴分量。在电流中只有交轴分量的同时,定子电流矢量位于轴,无轴分量。,该控制方法简单,计算量小,没有电枢反应对电动机的去磁问题,应用比较广泛,本文中系统建模也采用了这种控制策略。其中外环发电机转子速度参考值缈是由风能最大功率点跟踪算法得到的最优转速值,通过与实际发电机速度相比较,得到一个转速差再经过比例积分控制器得到有功电流参考值二。即发电机通过调节实际转速值跟随最优转速给定值国来调节轴电流一进而控制电磁转矩来控制电机转速跟随风速的变化实现最大功率追踪。依照控制策略无功电流参考值。在电流内环中,根据解耦控制可以得所需要的发电机定子、轴调制电压“、,再经反变换得到两相静止坐标系下定子参考电压“、。,然后采用电机侧变流器进行控制最终实现控制目的。系统通过对、轴电流和,。的解耦控制,可以独立控制电机的有功和无功电流,进而独立控制发电机的输出的有功功率和无功功率。空间矢量脉宽调制法对图.机侧控制策略框图.两电平的拓扑结构和原理.两电平的拓、结构两电平的简化拓扑结构如下图所示:图.两电平拓扑结结构.图为两电平的拓扑结构。定义咒,分别为从右至左三个桥臂的开关函数。当时,桥臂上管通下管断,当时,桥臂上管关断下管开通,咒和以此类推。.两电平的原理即空间电压矢量脉宽调制。它和传统的电压不同,它是从电机的角度出发的调制方法。帮助电机获得恒定的圆形旋转磁场即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准,用不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态,形成波形。由于这样的系统把变流器和电机看成一个整体来处理,模型简单方便,目前在各个控制系统中都得到了广泛的应用。假设电机的输出电压为理想正弦,则其方程为:式.%【,缈卜丁/铲嘞争按照合成矢量电压的定义由变换,其中口棚式.“%口%将上式带入带入式.,得到电压的合成矢量为:一脚式.即任意给定的三相基波电压瞬时值,都会有唯一的相应的空间矢量与之对应。空问矢量的分布如下图.所示:?口图.空间矢量分布. 由图.的两电平的拓扑结构和。,的定义可知。两电平的开关状态一共有种。在每种开关状态下各相的电压如下表.所示:表.两电平各个开关状态下的相电压. 矢量名称 圪. ./ ?/吃 一吃/ 一 吃/ 一吃/ 加吃/ 吃/ 吃/ %一%/ 一圪/ 圪/ %/ 铷 吃/ ?/吃 %/ 吃/ .分析表.我们不难发现,三相在不同的开关组合下的交流侧电压可以用一个模为办/空间电压矢量表示在复平面上。由于各个桥臂一共有八种开关状态,因此一共有相对应的八条空间矢量分布在复平面上。如图.所示,显然,某一开关时刻就相应有一条空间矢量与之对应,该开关状态下对应的三相电压即为该空间矢量在,三轴上的投影。其中和的模为零,代表着上管全部开通的时候下管同时关断和下管全部开通的时候上管同时关断这两种状态的矢量。以上的分析表明,复平面上的空间矢量共有条,除了条零矢量之外,其他的条非零矢量依次对称均匀的分布在复平面上。对于一个任意给定的空间矢量矿,均可以被条空间电压矢量来合成。对于目标矢量,必然存在于复平面的某个区域当中,个非零的开关状态矢量将复平面分成了六个等大小的扇区,所以在合成矢量之前首先要对目标矢量进行扇区判断,确定其处于六个扇区中的某个位置后再选取所需要的矢量即各种开关状态进行合成。接下来介绍合成的方法,首先将目标向量分解到两相静止坐标系:图.目标向量分解示意图.各个扇区的判断方法如下:如果%,%,撕%一圪,目标矢量在扇区如果,%,%一,目标矢量在扇区如果,%。,%一%,目标矢量在扇区如果,吃,撕%一%,目标矢量在扇区如果,吃。,一。,目标矢量在扇区如果。,吃圪,吃一圪。,目标矢量在扇区在判断完矢量所在的扇区后,就可以进行矢量的合成了,两电平矢量合成的方法一般有三种:第一种方法是将零矢量均匀的分布在矢量矿的两头,然后依次由三角形法则合成矢量,如下图.所示,这是最普通的方法。图.矢量合成方法一. 第二种方法和第一种方法的不同之处在于。除了零矢量之外,矿依次由旁边的两个矢量合成。并且从目标矢量矿中点分出来两个三角形,如图.所示。.图.矢量合成方法二.第三种方法将零矢量周期分成了三段,其中矿的起终点上均匀的分布着零矢量,并且在矿的中点处还分布了矢量,并且零矢量和。的持续时间相同。除了零矢量方面,其他类似方法二。如下图.所示:图.矢量合成方法三 .这三种方法的优缺点主要表现在开关损耗,简洁性简便性和谐波上。其中方法二的谐波分量最小,该方法中开关损耗以及谐波都比较低。但是从算法的简单性上来看,第一种方法比较好。以上各个方法图中的目标向量为例,目标向量位于第一扇区,其中互和互分别为和%两个矢量作用的时间,即为这两种开关状态所持续的时间。?.,为两个模为零的向量的持续时间,为开关周期。则有如下方程:巧墨互磊,卜事呼%令矿和。之间的夹角为,由正弦定理有:且一到一盟,/ /由于%/,联立以上两式有:钏钏式.五互瓦严咀村哆 , 互 。其中为的调制系数,并且:鱼扩%下图给出第二种合成方法的开关函数波形:图.方法二开关函数波形. 则在此周期内开关应随着此顺序进行动作。最终合成目标矢量,实际就是达到预定的电气目标。由以上的分析可以知道,调制方法顺序应该是:获取目标给定电压矢量判断扇区位置选定基本矢量实质为开关状态后运算出每个开关状态的持续时间。按照合成的方法将由算法运算出的开关状态持续时间转换为占空比从而转换为开关信号给定到开关上。结合电机侧中的图.可知,在经由控制策略运算出了给定的电压矢量之后,将其发送到模块当中再转换为开关信号给定到电路中,就能够使得控制目的实现,让系统去不断追随控制策略的算法给定转速从而实现最大功率追踪【】。.三电平的拓扑结构和原理.三电平的基本特点风电规模化大功率化发展会很大程度上降低风力发电成本,并且目前海上风电的发展趋势要求风力发电朝着更大功率和规模来发展。随着这种功率等级的提高,相应的变流设备的功率等级也随着提高。在目前开关器件功率等级的限制下,凭借改变变流设备的拓扑结构可以有效的提高功率等级,提高风力发电场的整体容量。在大容量高电压的情况下,两电平的结构开关管一般都采用串并联的方式,这样对串并联的开关管提出了必须同时开通关断的要求,所有参与串并联的开关管特性必须要一致,这样对于器件匹配提出了更高的要求同时导致开关器件的利用率降低了。多电平的拓扑结构就是在基于这种需求的情况下提出的。通过变流器自身拓扑的改变,从而降低每个开关管所需要承担的电压,并且能够改善谐波问题。三电平结构作为多电平结构的最简单情况,是多电平结构的基础,一般认为多电平的结构都是在三电平的理论上衍生而来的。虽然电平越多,就能够获得更加理想的波形。但是由于硬件以及控制上的困难,并不是单一的追求越多的电平就越好。以三电平的结构比较实际,目前对三电平结构的研究已经进入了实用的阶段,对于基于 的海上风电场来讲,无论是机侧的还是岸端逆变器使用三电平结构都能够缓解因为功率开关的压力造成的问题并附加改善波形。三电平相对于两电平来讲,优势有很多,但是缺点在于控制策略和结构上都相对更复杂,在实际的应用过程中应酌情选择。二极管箝位式三电平的拓扑结构如下图.所示:图.二极霄箝位式三电平的拓扑结构 .和两电平的拓扑一样,我们也定义三个桥臂的开关函数为,莲,以逻为例的开关函数的意义如下式:芝,。,:导通同时,。关断,:,导通同时?。关断疋一,。导通同时。,:关断则每个桥臂有三种输出状态,在开关函数为,.时分别对应的输出为%/,和一心/,将此三种状态分别称为,。三电平算法和两电平算法在调制的原理上是一致的,都是通过对目标参数矢量化,再选择各种矢量下对应的开关状态进行拟合的过程。不同点在于三电平逆变器的开关状态相比两电平的更加多,所以需控制的矢量比两电平的也更多,不仅要进行大扇区判断还要进行小扇区的判断,在矢量合成上要做的工作更多,所以算法也更加复杂。三电平变流器的算法一般包括判断参考矢量所在的扇区和工作模式、选择优化开关矢量、计算开关矢量的作用时间、确定所选矢量的作用顺序。三电平逆变器每一相有三种开关状态,因此在整个三电平逆变器中总共有种开关状态组合。我们可以由两电平逆变器矢量构成原理推导出三电平逆变器的各个矢量输出状态和原理图矢量图。三电平各个开关状态下对应的矢量情况和矢量分类及其幅值如下表.所示。其中大矢量和中矢量各六个,每个矢量实际对应两个矢量即两个开关状态,共个,另外零矢量三个,分别对应了,三种开关状态。零矢量,小矢量,中矢量和大矢量分别对应着的幅值是,吃/,吃/和吃/,其中吃为变流器直流侧电压。表.三电平各个开关状态下相电压空间基本矢量 开关状态 矢量分类 矢量幅值?一零矢量圪 、 、型 型一, 尸%.?以。 小矢量吃/?,一.?一 以,圪圪.?一 ,圪圪.?一班?圪?一中矢量压%/烈 。?一。 。一:?一,?一。?。一,.?大矢量吃/。,?一。三电平各个空间矢量的分布如图.中所示,三电平逆变器共有组非零矢量和组零矢量。这些矢量依照空间角度平均分布在圆形区域中并将空间划分为个小区间。与三相两电平不同,三电平逆变器的空间矢量可以分为大矢量,中矢量,小矢量和零矢量。其中个零矢量、个小矢量、个中矢量,以及个大矢量。刚 入 /附。/全移一/,虿跫一刚鬯弋、满。一一力念/一图.三电平矢量图.在矢量调制过程中,要实现三电平逆变器的可以简单的概括为如下几个步骤:.参考矢量所在扇区的判断:.根据最近三矢量原则确定输出矢量:.计算各个矢量作用的时间:.优化输出矢量的开关顺序。.参考矢量扇区判断参考矢量的判断首先要进行的是大扇区的判断:如下图所示,扇区被划分为六个部分:图.三电平大扇区划分示意图.首先将目标向量分解到两相垂直静止坐标系上:图.三电平大扇区矢量判断不意图.和两电平结构的相似,扇区判断采用如下的方法:如果,.,%一,目标矢量在扇区如果。,%,%一圪,目标矢量在扇区如果%。,吃%,%一%,目标矢量在扇区如果,吃,%一,目标矢量在扇区如果圪,%,%一。,目标矢量在扇区如果,吆,%一,目标矢量在扇区在进行大扇区的判断之后,再进行小扇区的判断,小扇区的判断方法如下图.所示,每个大扇区被分为了四个等大的三角形,分别为,。假设目标电压矢量为矿,当它的终点落在哪个三角形内,就用构成那个三角形定点所对应的矢量来合成它,如下图目标电压矢量矿落在了三角形中,它的合成矢量就应当、 一 一 一为%,心:黑唬图.三电平小扇区判断示意图? . 圪万刁%舌矿咖目式.则在此大扇区内的小扇区的判断以及相应的合成矢量如下:么扇区:圪三%,% 出,圪%;%,输出的电压矢量由或,玩,唬合成出,输出的电压矢量由或,露,巧合成扇区:圪三%,%如,输出的电压矢量由露,露,唬合成扇区:圪三%,%三吃,圪%出,输出的电压矢量由唬,露。,露合成扇区:圪%,%另外五个大扇区的小扇区电压矢量位置信息可以依照此方法进行扇区判断,现在我们就得到了关于输出电压矢量所有的位置信息,接下来要确定的是每个合成矢量所作用的时间以及顺序。. 输出电压矢量所作用时间给定方法首先进行一个通用公式的推理,在下图中,起点和终点相同的任意方向的三个矢量露,唬,巧,的终点连接成起来组成一个三角形,矢量而的起始点于这三个矢量相同,结束点落在三角形的区域当中,下面说明如何用露,唬,或,来表示而。图.三电平矢量合成方法示意图. 选择壤矢量为基准,由上图可以看出:历圪异设,:为矢量丘,丘的模的长度,为露一露的模长,为唬一或的模长。则蜃,丘可以分别被表示为:蜃半旧丘半所以而可以被表示为:而等玩罢唬一詈一詈,成。式.,由此分析延伸到三电平的,当参考电压矿在某时间段落在任意的小扇区当中,假设参向量其模长为,开关管的开关周期为,而,分别为三个合成矢量的作用时间,由磁通的等效原则有以下的关系:圪?正巧?蛭?丁【正弓式.由以上的公式推导可以得到:五互一丝乞卜互一 耽一乞式其中, 出,设调制比为挚,可以推出在各个扇区内每个基本向量的作用时间,同样,以扇区为例分析出在,四个扇区内各个基本向量的作用时间如下:如果参考向量在区时则有:厂丁.磊磊万一舱 衄 秒石压压互一去,詈如果参考向量在区时,则有:掣丁一万肌詈互一去:一口互万聊丁如果参考向量在区, 则有:石一万,秒/一 一麒玎虹 秒墨.一.吼瓦一;矿巧 生似悟则有:如果参考向量在区,互击/;一口?瓦一 .葺巧压压秒似恬以上的分析以第扇区为例分别说明了参考矢量位于第扇区内的四个部分时,矢量作用时间的计算公式和方法。在其他的五个大扇区当中,只要将角度的值进行替换就可以依同理计算出相应的开关状态和持续时间。接下来给出空间矢量作用顺序的方法。.三电平空间电压矢量作用顺序的确定通过以上分析可知,给定频率以及调制比,按照所给定的参考电压及相应的相位角,判断出参考电压矢量所在的大扇区及所处的小扇区,计算出每个开关周期内三个电压空间矢量的作用时间。再根据每个扇区的电压空间矢量的选择作用顺序,即可产生相应的波。开关顺序的确定有以下原则:.为了优化开关频率,减少开关的损耗,应