【永磁风力发电系统机侧整流器控制及设计分析4800字】

永磁风力发电系统机侧整流器控制及设计分析目录TOC\o"1-3"\h\u16005永磁风力发电系统机侧整流器控制及设计分析 1280231.1永磁风力发电系统的机侧数学模型 1281591.2永磁风力发电系统的机侧控制策略分析 4302511.3本文永磁风力发电系统机侧控制策略分析 91.1永磁风力发电系统的机侧数学模型1.1.1三相不可控整流器的数学模型由于本文采用的是“不可控整流器+Boost升压斩波电路”的永磁风力发电系统机侧拓扑结构，在这种结构下，三相不可控整流器是永磁风力发电系统机侧最重要的组成部分之一。当前，三相不可控整流器在日常生活中具有广泛的应用，在UPS电源、Switch电源、开关电源、EMC放大器、背靠背AC-DC-AC变频器，均可以看到三相不可控整流器的身影。很多情况下，三相不可控整流器将交流电变为直流电，经过电容滤波器滤波后，再经过DC/DC电路，从而提供稳定的直流电源。三相不可控整流器又叫做带有电容滤波的三相不可控整流电路，其结构简单、造价低、纹波输出小，其结构如下图1.4所示。图1.4三相不可控整流器Fig.1.4Three-phaseuncontrolledrectifier依据上图三相不可控整流器的拓扑结构及相关电路原理，三相整流器的变流桥臂总共分为6组，分别为（）、（）、（）、（）、（）、（），无论哪一组桥臂导通，只选择交流侧输入值最大的作为作为直流侧的输出。电容滤波器并联在直流侧，用于滤除直流侧的高次谐波并存储与电容值C相称的一部分电能。当三相不可控整流器发生故障时，电容滤波器可以释放一部分电能，用于直流侧供电，避免了输出阶跃的发生，减少了后续连锁故障的发生。设二极管导通时，线电压的占角为，桥臂（）导通的时刻记为触发零点，则可以得出：（1.14）同时，相电压的表达式为：（1.15）在式（1.14）和（1.15）中，线电压是，相电压是，相电压有效值是，相电压的频率是，导通角是。首先，当桥臂（）导通，，此刻为导通零点时刻，此时，线电压的大小与直流侧的电压的大小相等；进一步的，桥臂（）在下一刻导通，此时，线电压的大小与直流侧的电压的大小相等；再进一步，桥臂（）在下下一刻导通，此时，线电压的大小与直流侧的电压的大小相等；以此类推，六个变流桥臂依次导通为一个循环周期，整个AC-DC过程完成，实现直流输出。依据“不可控整流器+Boost升压斩波电路”，永磁同步电机位于不可控整流器的交流输入侧，交流电通过不可控整流器转变为直流电：（1.16）式中，和分别为直流侧电压和直流侧电流。交流侧线电压的峰值定义为，则直流侧电压为：（1.17）此时可得：（1.18）由此，我们可以得到和的关系为：（1.19）1.1.2Boost升压斩波电路的数学模型Boost升压斩波电路的拓扑结构如图1.5所示。图1.5Boost升压斩波电路Fig.1.5Boostchoppercircuit在图1.5中，开关管IGBT左侧的电感值L和右侧的电容值C均被设为很大的定值，电感L上流过的电流设为，电容C两端的电压设为。当导通开关管IGBT时，由于左侧电感值L和右侧电容值C很大，电感L的电流和电容C的电压不变。开关管IGBT的导通时间设定为，开关管IGBT的关断时间设定为，升压斩波电路的电压输出设定为。当时刻，开关管IGBT导通，此时电感L充电，电能存储在电感L上；当时刻，开关管IGBT关断，此时电感L向直流侧释放电能，能量大小为的电能从电感L馈入直流侧。Boost升压斩波电路的工作原理：电感在一个开关周期T内，在时刻存储能量，在时刻释放能量，其数学表达式如下所示：（1.20）进行移项计算，可得：（1.21）由于式（1.21）可得，由于，因此E的值始终小于的值，这就是此电路叫做“升压斩波电路”的主要原因。引入导通比和，其中，，，可得：（1.22）Boost升压斩波电路中，输入电压的泵升主要依靠电感L存储的电能，电压输出的稳定主要依靠电容C存储的电能，因此，电感L和电容C是实现电路升压斩波的关键。通常设定Boost升压斩波电路的理想状态为：在时刻，开关管IGBT导通，由于电感L和电容C均为很大的定值，因此电压输出稳定不变。在实际的工况下，电感L和电容C都不可能保持一个很大的定值，因此，实际的电压输出的值小于式子（1.22）的计算值。在Boost升压斩波电路中，依据能量守恒，左侧的输入功率等于右侧的输出功率，可得如下计算式： （1.23）将式（1.22）代入（1.23），消去和得到： （1.24）将式（1.22）两边同除以，可以得到： （1.25）将式（1.22）和代入式（1.25）可以得到： （1.26）依据上式（1.26）可以看出，Boost升压斩波电路与直流源连接，可以等效为阻尼为Z的负载电路，此时，“Boost升压斩波器+负载”可以看成大小为的等效阻抗，开关管IGBT的开关占空比与此刻的电路阻尼直接相关。因此，电感上的电流大小可以通过调节开关管占空比来实现，从而实现永磁风力发电系统机侧的最大风能跟踪控制（MPPT）。1.2永磁风力发电系统的机侧控制策略分析1.1.1机侧电功率的计算和最优功率点的获取永磁风力发电系统机侧的整个等效结构图如图1.6所示。图1.6发电系统机侧的整个等效结构图Fig.1.6TheequivalentstructurefigureofPMSGside设为永磁同步发电机端的相电流，为三相不可控整流器的等效电阻，为永磁同步发电机端的相电压，可得计算式： （1.27）由三相不可控整流电路数学模型，可得： （1.28）将式（1.17）、（1.18）、（1.19）带入式（1.27），可以得到： （1.29）发电机的线电流和它的幅值可表示为： （1.30） （1.31）式子中，永磁同步发电机的感应电动势为，且，定义为永磁同步电机的励磁磁通量，为永磁同步电机的一个常量。根据式（1.29）-（1.31），得输出功率为：（1.32）由上式（1.32）可知，通过控制占空比和角速度的大小，即可获得想要的永磁风力发电机的输出功率P，从而实现我们想要的最大功率点输出。由于在永磁风力发电系统中，发电机的转速与风力机的转速相同，所以发电机的转速跟随风力机的转速，随着外界风速的变化而变化。在永磁风力发电系统机侧的控制中，只需控制升压斩波电路的占空比，使之达到最优的占空比为，即可实现最优的功率输出，实现最大功率跟踪控制（MPPT），最大限度地利用风能资源。为此，我们定义下式： （1.33）对求的导数，得到： （1.34）依据式（1.33）和式（1.34），可以得出： （1.35）令,对于占空比，，同时，最优占空比可以通过下式进行计算得出： （1.36）依据式（1.35）和式（1.36），三相不可控整流器输出电压的计算式为： （1.37）同时，斩波电路输出端电压的计算式为： （1.38）将最优占空比的计算式（1.36），分别带入三相不可控整流器输出电压的计算式（1.37）、斩波电路输出端电压的计算式（1.38），进一步得出： （1.39） （1.40）由式（1.40）可得为： （1.41）根据上式（1.41）可以得出如下结论：发电机转速、升压斩波电路的输出端电压和负载电阻是一种函数关系；因此，依据式（1.41），一直某一时刻发电机的瞬时角转速、升压斩波电路的输出端参考电压，即可计算得出当前的负载电阻的取值，以保持直流电压的恒定。式（1.41）说明：为了保持直流电压的恒定和机侧的最大功率跟踪，调节升压斩波电路的输出电流和负载电阻的大小，是一个非常有效的控制手段。1.1.2升压斩波电路的控制方法在本文永磁风力发电系统机侧的电路结构中，由于三相不可控整流器是无法进行开关管控制的，所以实现最大风能跟踪控制（MPPT）的手段主要还是依靠控制Boost升压斩波电路的电感电流值。Boost升压斩波电路中电感电流控制的好，整个系统的控制效果就好，两者密切相关。研究Boost升压斩波电路的控制方法具有十分重要的意义。通常情况下，Boost升压斩波电路以电流闭环控制为主，即电流负反馈控制策略。所谓电流负反馈控制，就是将当前的电流输出值与给定的电流参考值进行比较作差，得到电流的偏差值，然后电流的偏差值经过PI控制器，作用于被控对象，即开关管IGBT，从而控制IGBT的通断。一般情况下，通断IGBT的控制信号是电流的偏差值经过PI控制器后，与正三角波进行比较得到的。电流闭环控制具有很好的动态特性，控制精度高，反映速度快，抗干扰能力强，可以实现无差控制。为了实现永磁风力发电系统机侧的最大功率跟踪控制，必须依据外界的风速数据，给定一个最佳的输入电流参考值，这是控制能否实现的关键。当前，永磁风力发电系统机侧的控制策略主要分为三种。1)转速电流双闭环控制系统图1.7转速电流双闭环控制框图Fig.1.7Thecontrolfigureofspeed—currentdoubleclosedloop转速电流双闭环控制系统的结构如图1.7所示。永磁同步电机的转速为外环的控制量，Boost升压斩波电路的电感电流为内环的控制量。首先，对于转速外环，我们依据外界测量的风速、风力机的数学模型、图1.1和图1.2，可以计算出最优转速，并将其作为转速外环的给定值，以实现最大风能跟踪控制。其次，对于电流内环，最优转速与当前永磁同步电机转速作差，其差值经过PI控制器和限幅环节，产生电流内环的给定值；最后，与当前电感电流作差，其差值再经过PI控制器和限幅环节，产生控制信号。2)电压电流双闭环控制系统图1.8电压电流双闭环控制框图Fig.1.8ThecontrolfigureofVoltage—currentdoubleclosedloop电压电流双闭环控制系统的结构如图1.8所示。首先，对于电压外环，我们依据外界测量的风速、风力机的数学模型和之间的计算关系式，计算出Boost升压斩波电路的指令电压输出值，并将其作为电压外环的给定，以实现最大的风能跟踪；其次，对于电流内环，指令电压输出值与Boost升压斩波电路的输出电压作差，其差值经过PI控制器和限幅环节，产生电流内环的给定值；最后，与当前电感电流作差，其差值再经过PI控制器和限幅环节，产生控制信号。3)转速电流关系表的电流闭环控制系统图1.9转速电流关系表闭环控制框图Fig.1.9Thecontrolfigureoftherelationshipbetweenspeedandcurrentclosedloop转速电流关系表的电流闭环控制系统的结构如图1.9所示。转速电流关系表的电流闭环控制包括如下步骤：首先，通过检测装置检测出永磁同步发电机的转速；然后，依据转速电流关系表，计算出当前转速下的最优电感电流；其次，将最优电感电流作为电流环的给定值；最后，与当前电感电流作差，其差值再经过PI控制器和限幅环节，产生控制信号。此闭环控制系统计算难度小，复杂程度低，大多应用于中小功率的风力发电系统中。1.1.3最大风能跟踪控制算法分析永磁直驱型风力发电系统作为一种变速恒频机组，最大的优点主要包括两个方面：最大风能跟踪控制（MPPT）和网侧三相逆变并网，其可以在最大限度地利用风能的情况下，实现稳定的并网控制。其中，最大风能跟踪控制（MPPT）是永磁直驱风力发电系统机侧控制的核心，网侧三相逆变并网控制是永磁直驱风力发电系统网侧控制的核心。针对上述三种不同的最大风能跟踪控制（MPPT），其应用场合略有区别，转速电流双闭环控制和电压电流双闭环控制主要应用于大功率场合，转速电流关系表的电流闭环控制主要应用于中小功率场合。由于“不可控整流器+Boost升压斩波电路”主要应用于大功率风机，基于转速电流双闭环控制系统，本文选择“最佳叶尖速比法”：首先，利用外界风速和风力机的特征参数，确定最佳的叶尖速比和发电机转速；进一步地，确定最佳的功率负载曲线；最后，控制开关管IGBT，实现最大风能跟踪。依据1.3节的最大风能跟踪原理，对于外界风速和任一风力机，均存在一个最佳叶尖速比，此时可以实现最大风能跟踪控制，最大风能利用系数与对应。最佳叶尖速比法本质上就是调节永磁发电机的转速达到最佳转速，继而获得，实现最大风能跟踪。其控制原理框图如下图1.10所示：图1.10最佳叶尖速比控制原理框图Fig.1.10Theprinciplefigureof