變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變換器畢業(yè)論文

《變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變換器畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變換器畢業(yè)論文（47頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢業(yè)論文 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙 PWM變換器 1、 摘要 2 2、 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變換器概述 3 2.1研究背景 3 2.3創(chuàng)新點 4 2.4技術領域 4 2.5技術優(yōu)勢 5 2.6技術關鍵和主要技術指標 6 2.7使用說明書 7 3、 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側變換器控制 12 3.1基于Pi控制器的電網(wǎng)電壓定向控制 12 3.1.1網(wǎng)側變換器數(shù)學模型 12 3.1.2控制系統(tǒng)構成 14 3.1.3 仿真與結果分析 15 3.2網(wǎng)的變換器PR控制 17 3.2.1 PR 控制器 17 3.2.2 PR控

2、制系統(tǒng)構成 19 3.2.3 仿真與結果分析 20 4、 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側變換器控制 25 4.1基于PI控制器的定子磁鏈定向矢量控制 25 4.1.1雙饋電機控制系統(tǒng)構成 26 4.1.2仿真與結果分析 27 4.2自適應PR控制 29 4.2.1自適應PR控制系統(tǒng)構成 30 4.2.2無靜差理論驗證 31 4.2.3仿真與結果分析 32 5、應用前景和適用范圍 36 5.1應用前景 36 5.2適用范圍 37 6附件 38 19 1摘要 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)具有變速運行范圍寬、 系統(tǒng)運行效率 高

3、、功率變換器容量小、成本低等優(yōu)勢，在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣 泛的應用。在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子交流勵磁變換器的控制是關鍵。本文的 研究工作主要是圍繞著變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙 PWM變換器的 控制展開. 在對網(wǎng)側變換器的研究中，通過分析網(wǎng)側變換器數(shù)學模型和 PR控制器特性，提出了網(wǎng)側變換器PR控制策略，與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI 控制相比，該策略能夠充分發(fā)揮 PR控制器在靜止坐標系下實現(xiàn)交流 輸入信號無穩(wěn)態(tài)誤差的特點及其在諧波補償方面的優(yōu)勢，無需坐標旋 轉(zhuǎn)變換，省去易受溫度及電路參數(shù)影響的耦合項及前饋補償項， 從而 減小了控制算法的實現(xiàn)難度，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，并且有利于 電能質(zhì)量的改善；在對轉(zhuǎn)

4、子側變換器的研究中，針對基于 PI控制器 的定子磁鏈定向矢量控制策略下系統(tǒng)控制性能易受電機參數(shù)影響的 問題，提出了自適應PR控制策略。在此基礎上，對1.5MW變速恒頻 雙饋風力發(fā)電機組自適應 PR控制系統(tǒng)的性能進行了仿真驗證. 此外，為解決變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行中轉(zhuǎn)子側功率的頻 繁變化所引起的直流母線電壓波動劇烈等問題， 對雙PW踱換器協(xié)調(diào) 控制進行了研究，提出了一種雙PWM交換器聯(lián)合控制策略一負載電流 前饋控制，并進行了仿真研究。結果表明，該策略能夠有效抑制直流 母線電壓波動，有利于降低電解電容的容量，提高機組的可靠性。 關鍵字：變速恒頻；風力發(fā)電；雙 PW變換器；PR控制 2

5、、變速恒頻雙饋風力發(fā)電變換器概述 2.1研究背景 當前，人類發(fā)展所共同面臨的兩大問題：一是能源枯竭，如 煤炭枯竭、石油和天然氣等常規(guī)能源儲量日益減少； 二是生態(tài)壞境的 惡化?；谏鲜龅膬纱髥栴}，開發(fā)和利用可再生無污染能源對人生存 環(huán)境的改善意義重大，人們開始把目光投向風能這種取之不盡、 用之 不竭的清潔能源。如果把全世界風能理論蘊藏量的百分之一用于發(fā) 電，即可為當今世界經(jīng)濟發(fā)展提供強大的動力支持。 風能是最清潔的 能源之一，風力發(fā)電是大規(guī)模利用風能最經(jīng)濟的方式。 地球上的風能 大大超過水流的能量，也大于固體燃料和固體燃料的總和。 目前世界 每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供能

6、量的三分之 一。因此，國內(nèi)外都很重視風能的開發(fā)利用。在這種大環(huán)境中，為了 提高風力發(fā)電轉(zhuǎn)換的效率，本團隊研發(fā)了 “變速恒頻雙饋風力發(fā)電變 換器” 2.2設計目的和基本思路 設計目的：隨著風電機組容量的不斷增大，提高機組運行效率成 為風力發(fā)電技術研究的重要內(nèi)容?？蓪崿F(xiàn)最大風能追蹤的變速恒頻雙 饋風力發(fā)電系統(tǒng)成為研究開發(fā)的熱點——變速恒頻雙饋風力發(fā)電變 換器應運而生，為風力發(fā)電提供更加可靠的保障。 基本思路：本變換器以雙PWM變換為基本原理，包括網(wǎng)側變換器 的常規(guī)矢量控制和PR控制、轉(zhuǎn)子側變換器的常規(guī)矢量控制和自適應 PR控制以及雙PWM變換器聯(lián)合控制，并分別進行了仿真分析和驗證。 2.

7、3創(chuàng)新點 ?米用矢量控制技術 ?多重化PW控制技術 ?無源整流與PW整流可選 ?采用DS作為核心控制芯片，具有較高的實時性 ?壓接工藝的IBGT技術，有效抗振動 ?變換電路與控制電路獨立設計，完全隔離，絕緣等級高，操作安全 ?主動的無功控制，可以根據(jù)需求進行超前或滯后補償 ?高效率，本產(chǎn)品具有＞96%勺變換效率 ?零沖擊并網(wǎng)，自動軟并網(wǎng)和軟解列控制 ?隨機風速下的電功率平滑控制 2.4技術領域 風力發(fā)電，是面向未來最清潔能源之一。變速恒頻雙饋風力 發(fā)電變流器，是為風力發(fā)電機與電網(wǎng)之間建立的橋梁和紐帶， 它是一 種將多變的風力電能變換成穩(wěn)定的電能饋入電網(wǎng)的裝置。 同時，

8、它可 以為同類發(fā)電系統(tǒng)提供穩(wěn)定高效的變流作用。 此裝置必將有廣闊的應 用空間 2.5技術優(yōu)勢 1. 三相電壓型PWM變換器是三相變換器中最常用的一種，因 此，關于它的研究是最充分的，控制技術是最成熟的，相關的文獻和 可利用的資料最多。 2 。許多功率器件的生產(chǎn)商專門針對這種結構的變換器設計了 功率模塊，并已大批量生產(chǎn)。因此，與需要特殊設計的功率器件的其 它形式的變換器相比較，功率器件的成本會節(jié)省很多。 3. 其主電路簡單，性能可靠，有現(xiàn)成的控制方案可供借鑒，硬 件、軟件的開發(fā)周期短。 4. 在這種交一直一交的結構中，兩個變換器之間的直流母線電 容使兩個變換器實現(xiàn)了解藕，這使得兩個變

9、換器可以獨立地分開控制 而不會相互千擾。如果電網(wǎng)側出現(xiàn)輕度故障時，可以通過有效地控制 網(wǎng)側PWM變換器保持直流母線電壓不變，這樣不至于影響轉(zhuǎn)子側變換 器的控制，反之，DFIG轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不正常運行的情況，只需要通過對 轉(zhuǎn)子側的有效控制即可，對網(wǎng)側PW變換器而言只是相當于一個負載 擾動。這種結構使得這種變換器自身具有對電網(wǎng)故障有較強的適應能 力。 5. 由于這種變換器的網(wǎng)側變換器采用的是 Boost升壓電路，所 以，只要選取合適的電路參數(shù)，直流母線電壓可以達到很大，但實際 上往往根據(jù)器件的容量、耐壓、 DFIG運行要求及整個系統(tǒng)的損耗等 因素綜合決定直流母線電壓的大小。所以電壓型雙PWM變換器的

10、電壓 傳輸比高，對轉(zhuǎn)子側輸出電壓的控制能力強，這是 DFIG在電網(wǎng)故障 F不間斷運行所希望的 2.6技術關鍵和主要技術指標 技術關鍵：交直交變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài) 性能，其系統(tǒng)輸入輸入功率因素可調(diào)，可以有效地控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機 輸出電功率，并且可以避免發(fā)電機并網(wǎng)和解列過程對電網(wǎng)和風輪機造 成電氣與機械沖擊，尤其適合于功率超過兆瓦的大型風力發(fā)電裝置。 主要技術指標： ?額定功率1250kW；功率因數(shù)從0.97感性到0.9容性； ?無功功率545 kVA ;額定轉(zhuǎn)速1100rpm; ?額定電壓690V 士 10%; ?電網(wǎng)頻率50Hz 士 1Hz ?直流電壓：1

11、100V最大功率：1610 (10s); ? 650ms時間內(nèi)電壓下陷至額定電壓的 60%，由變換器控制調(diào)節(jié)， 不停機； ?控制方式：采用全數(shù)字化控制； ?電磁兼容性能：可抗2000V脈沖干擾； ?加熱裝置：有；冷卻方式：水冷； ?絕緣標準：GB 3859/93。 2.7使用說明書 產(chǎn)品用途 用于帶齒輪箱的交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)。為雙饋風力發(fā)電用型 采用PW整流+ PW逆變方式，電壓等級400V 690V,適合發(fā)電機 組功率從600kW^ 5MW 基本原理 雙饋發(fā)電機在結構上與繞線式異步電機相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為 三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)導入，發(fā)電機的定子接入電網(wǎng)；

12、 而電網(wǎng)通過四象限交直交變流器向發(fā)電機的轉(zhuǎn)子供電， 提供交流勵磁 電流。通過變流器的功率僅為電機的轉(zhuǎn)差功率， 功率變流器將轉(zhuǎn)差功 率回饋到轉(zhuǎn)子或者電網(wǎng)，雙饋電機的交直交功率變流器由于只通過轉(zhuǎn) 差功率，其容量僅為電機額定容量的1/3，因此大大降低了并網(wǎng)變流 器的造價，網(wǎng)側和直流側的濾波電感、支撐電容都相應縮小，電磁干 擾也大大降低，也可方便地實現(xiàn)無功功率控制。 應用環(huán)境 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變換器，可廣泛應用于平原風電場、高原 風電場、近海風電場等環(huán)境，具備較強的防塵、防濕、防鹽霧能力。 能夠適應長距離輸配電的要求，具有較低的諧波污染，更不會對電網(wǎng) 產(chǎn)生共振。 ?應用在平原或高原風電場

13、?應用在島嶼和近海岸風電場 ?應用在咼溫或咼寒風電場 主要技術特征 ?額定功率1250kW； ?功率因數(shù)從0.97感性到0.9容性； ?無功功率545 kV ? A; ?額定轉(zhuǎn)速1100rpm; ?額定電壓690V 士 10%; ?電網(wǎng)頻率50Hz 士 1Hz ?直流電壓：1100V最大功率：1610 (10s); ? 650ms時間內(nèi)電壓下陷至額定電壓的 60%，由變換器控制調(diào)節(jié), 不停機； ?控制方式：采用全數(shù)字化控制； ?電磁兼容性能：可抗2000V脈沖干擾； ?加熱裝置：有；冷卻方式：水冷； ?絕緣標準：GB 3859/93。 使用和操作 1.準備工作

14、 在外界環(huán)境條件下采取相應措施 散熱(Cooling ) 功率模塊必須采用水冷散熱結構，并滿足以下條件： ?冷卻介質(zhì)水/乙二醇比率取60/40到80/20 ? 流率滿足每分鐘39升 -標稱壓力1.5 bar(Pa) ?最大工作壓力3 bar ?壓力損失△ p最大0.8 bar （39升/分鐘，20C） ?在沒有功率減小的情況下，水入口溫升可達 35C ?水入口溫升到36C?38C時，系統(tǒng)總功率250kW ?水入口溫升到39C?41C時，系統(tǒng)總功率150kW從42C起， 變換器被切除； ? IGBT模塊部分應具有自動溫度保護裝置，當監(jiān)控到溫度異常時, 需采取相應的措施。

15、 ?當冷卻液溫度上升到 45C以上且沒有降低趨勢時，需要啟用 備用冷卻液儲罐。 加熱（Heating ） ?為了使IGBT模塊熱應力最小，與變換器功率部件相連部分的冷卻 循環(huán)系統(tǒng)被電加熱。 ?這樣就能夠保證變換器只在冷卻介質(zhì)溫度高于 5度時被激活。它 的控制與監(jiān)視由WEC控制（部分）進行。 ?開關柜內(nèi)也需安裝加熱回路，以保證在潮濕環(huán)境和機艙環(huán)境溫度低 于-20 C條件下設備正常運行。 2. 使用操作 -讀出警告和錯誤信息 -讀出運行計時器數(shù)據(jù) -顯示和調(diào)整負載特征曲線 ?顯示測試和設置點數(shù)據(jù)： ?電網(wǎng)電壓 ?發(fā)電機電壓 ?內(nèi)部電路電壓 ?發(fā)電機電流 ?速度 ?電網(wǎng)

16、功率 ?時間和日期的改變 （二）測試 以下是必須測試項目： ?絕緣電阻測量，根據(jù)DIN, VDE標準 ?接地電阻測量，根據(jù)DIN, VDE標準 ?冷卻介質(zhì)導管壓力測試，最小 3.5 bar ?測量變換器損耗。其中電網(wǎng)側變換器、發(fā)電機側變換器以及 電網(wǎng) 或（和）發(fā)電機扼流器損耗曲線應分別用圖表描述。 ?測量系統(tǒng)在額定負載和一半額定負載情況下的諧波 ?變換器從10分鐘內(nèi)兩次最大功率變?yōu)?0秒鐘內(nèi)兩次 ?測量功率模塊工作前后的溫度偏差 ?測量實際功率輸出與特征曲線之間的調(diào)節(jié)偏差 ?測量速度變化時速度調(diào)節(jié)量 ?測量單位功率因數(shù)時的無功功率 檢查在系統(tǒng)容差范圍內(nèi)不同速度下變換

17、器的關機和重啟情 況 ? 在指定范圍內(nèi)仿真快速電壓變化 ?電壓窗模擬，（60% Un,最大650mS ?用戶界面測試，以及查詢功能測試 錯誤情況下的測試： ? 部分負載和正常負載時的電壓失效 ?部分負載和正常負載時的電網(wǎng)監(jiān)測繼電器釋放 ?在超同步和亞同步狀態(tài)的轉(zhuǎn)子短路 ?位置編碼器失效 ?電網(wǎng)兩相短路 ?電網(wǎng)三相短路 ?散熱能力下降 ? 檢查內(nèi)部配線和設備 ?檢查工作設備和線標記 ?至少1/4正常負載下的功能測試 ?電路斷路器功能測試 ?電網(wǎng)監(jiān)測繼電器功能測試 ?電線電纜連接點扭矩測試 3、變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側變換器控制 在變速恒頻雙饋風力發(fā)電系

18、統(tǒng)中，雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過爽 PWM 變換器進行勵磁，實現(xiàn)風電機組風能捕獲和定子輸出功率的調(diào)節(jié)。 其 中網(wǎng)側變換器在能量雙向傳遞的過程中擔負著維持直流母線電壓穩(wěn) 定以及調(diào)節(jié)網(wǎng)側的功率因數(shù)的控制人物，確保整個風力發(fā)電系統(tǒng)功率 的靈活調(diào)節(jié)。 由于PR控制器能在靜止坐標下對交流信號進行無穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié) 并且易于實現(xiàn)低次諧波補償，將其引入到雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側變換 器電流調(diào)節(jié)之中，無需坐標旋轉(zhuǎn)變換即可實現(xiàn)對交流輸入信號的無穩(wěn) 態(tài)誤差跟蹤，而且不存在耦合項和前饋補償項， 不依賴系統(tǒng)參數(shù)的精 確估計，能夠提高系統(tǒng)控制的魯棒性喝電能質(zhì)量。 3.1基于Pi控制器的電網(wǎng)電壓定向控制 3.1.1網(wǎng)側變換器

19、數(shù)學模型 網(wǎng)側變換的拓撲結構圖如圖3-1所示 圖3-1網(wǎng)側變換器拓撲結構 圖中，ea、耳、ec為交流側三相電壓源；i a、i b、i c為三相交流側電流：Vdc為直流測電壓；L和R分別為盡顯電感及其等效電阻；G 為直流濾波電容；0為電網(wǎng)中點；N為輸出濾波電容的中點；同時將 轉(zhuǎn)子側和雙饋點擊看作直流側負載，iL為負載電流，即流向轉(zhuǎn)子側變 換器電流。 假設電網(wǎng)三相電壓對稱穩(wěn)定，并且不考慮器件換相所需要的時 間，網(wǎng)側變換器的數(shù)學模型為 (3-1) L警+ R& ■耳一 %片一 ％ Gt - —% + hsb 4 i/d 式中VNo為N 0兩點電壓；S為開關函數(shù)，其表達式為

20、 =1, F相橋臂上管導通，下管關斷 =0, f相橋臂下管導通.上管關斷 經(jīng)坐標變換，可得同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的模型為 務=iRJd + 叫 +E』7d 也d+E宀 (3-2) 由上式可以看出，d、q軸電流除受控制電壓量Vd、Vq影響外，還 受耦合項wLiq、wLid和電網(wǎng)電壓擾動 曰、Eq的影響。單獨對d、q軸 電流作反饋無法清除d、q軸之間的電流耦合，鼻血利用狀態(tài)反饋實 現(xiàn)d、p軸電流間的解耦。 3.1.2控制系統(tǒng)構成 電網(wǎng)電壓定向于d軸后，Eq=0代入式（3-2），則 且=_R i _曲_耳 I dt t q d { (3-3)

21、 由于可建立基于Pi控制器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制系統(tǒng)結構，如 圖3-2所示。 圖3-2網(wǎng)側變換器Pi控制系統(tǒng) 圖中，電壓反饋控制為外環(huán)，電流反饋和電流 Pi調(diào)節(jié)構成內(nèi)環(huán)。為 實現(xiàn)d、q軸電流的解耦，提高系統(tǒng)的抗擾動能力，圖中引入了電流 狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓作為前饋補償。 3.1.3仿真與結果分析 在Matlab/Simulink 平臺搭建了圖3-2所示的控制系統(tǒng)，并進行 了仿真研究。 主要參數(shù)為：電網(wǎng)額定電壓為 220V;額定功率為50Hz進線電 感及等效電阻分別6mH 0.01 ?;直流母線電容為2.4mF。 假設iq*在1s時發(fā)生階躍變化，由0變?yōu)?10A，

22、直流母線電壓 Me*恒定為550V,仿真結果圖3-3所示。 (a)直流母線電壓 O ---q1 T *■*-*- id i — ■ 1 V- 1 095 1 1.05 1,1 O O (b)直流響應 ―.4 相電壓 104 (C)電網(wǎng)相電壓和相電流 圖3-3網(wǎng)側變換器Pi控制系統(tǒng)仿真 圖中，圖3-

23、3 (a)為直流母線電壓波形，可以看出直流母線電 壓的到了很好的調(diào)節(jié)，且在ip*階躍變化時，未對直流母線電壓的穩(wěn) 定調(diào)節(jié)造成影響；圖3-3 (b)為電流i d和i q響應波形，可以看出電 流內(nèi)環(huán)有較快的動態(tài)響應，對i q獨立控制時，不影響i d (Vdc)的調(diào)節(jié), 進而可對系統(tǒng)的無功功率獨立調(diào)節(jié)；圖 3-3(c)為電網(wǎng)相電壓和相電 流波形，可以看出，1s以前系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。 仿真結果表明，網(wǎng)側變換器賽用基于 Pi控制器的網(wǎng)側電壓定 向矢量控制策略時，能夠獲得較好的控制性能。 3.2網(wǎng)的變換器PR控制 3.2.1 PR控制器 PR控制器由比例和廣義積分(Gi)環(huán)節(jié)組成，其傳遞

24、函數(shù)為 (3-4) 式中KP、K分別為比例常數(shù)和積分時間常數(shù)；？ 0為諧振頻率。 圖3-4為PR控制器的波特圖，其中 &=1, Kf = 100, ? 0=50*2 n rad/s。 1 19 ; ■ j 1 J a . / I j ! I 」 J__ 軸頻舉［i) 10 1 . j 一一/ J 1 ) . -.. 1”一【 f ! 10 3 10 角頗率【raw計 10 圖3-4 PR控制器的波特圖 由圖中可以看出，在角頻率？ 0周圍相當窄的頻率帶對應的幅值增益 遠高于其他頻率處的幅值增益。當給定交流信號的角頻 ？

25、 0時，s=j ? 0,代入式（3-4）可得，Gr的幅值變得無限大，即可實現(xiàn)交流輸入 信號的無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。這樣只需要設置？0為電網(wǎng)電壓的基波角頻 率即可對網(wǎng)側變換器電流可進行控制。 修改式（3-4 ）廣義積分項中的？ 0為h ? ? 0 （h=3,5,7 ）可得諧波 補償項 （3-5） 由于這些諧波補償項只對頻率在 h ? ? 0附近的信號響應，所 以可在PR控制器基礎上疊加某次諧波的補償項，即可實現(xiàn)對 h次諧 波的補償，并且在電網(wǎng)電壓不平衡時，可同時對正負序諧波進行補償。 為了便于PR控制器在數(shù)字系統(tǒng)中的離散化實現(xiàn)，將廣義積分項 分解為兩個簡單的積分環(huán)節(jié) $ 1 , 咻)=

26、一5 y(s) (3-6) 上式可由圖3-5所示框表示，廣義積分項分解為兩個簡單積分環(huán)節(jié), 使得PR控制器的數(shù)字實現(xiàn)更加容易。 圖3-8 PR控制下的電網(wǎng)電壓和電流 25 圖3-5廣義積分項分解示意圖 322 PR控制系統(tǒng)構成 圖3-6為網(wǎng)側變換器PR控制系統(tǒng)的結構。  由圖中可以看出，只需要將檢測得到的三相交流電流化到兩相靜 止坐標系下，與給定信號的偏差作為 PR控制的輸入，PR空制器的輸 入，PR控制器的輸出為電壓控制指令，該指令電壓空間矢量脈寬調(diào) 節(jié)(SVPWM后生成開關信號送到變換器主電路，產(chǎn)生實際所需的交 流控制電壓，使電流跟隨參考值變化。 與雙

27、閉環(huán)Pi控制策略對比可以看出，網(wǎng)側變換器PR控制方式省 去了電流及電壓控制指令的左邊旋轉(zhuǎn)變換，省去了耦合項 ？Liq、？Lid 和前饋補償項Ed,從而消除了電流參數(shù)和電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)控制的影 響，減小控制算法實現(xiàn)的難度提高系統(tǒng)魯棒性。 3.2.3仿真與結果分析 1) PR控制系統(tǒng)網(wǎng)側變換器功能實現(xiàn) 圖3-7為網(wǎng)側變換器控制下的電流響應波形 o 0.05 0J5 (a)參考電流和反饋電流 0 (<淑瞬曄費 - 一一」 [— 毎竺1 ——error I 時問(s) O 005吋俺⑼J 0-15 (b)社流謀差 ———— — (c)電流誤差

28、 圖3-7 PR控制下的電流響應 有圖中可以看出，電流反饋值能夠迅速跟蹤參考值的變化， 實現(xiàn) 對電流內(nèi)環(huán)給定電流的跟蹤控制。 仿真中令無功電流給定iq *=0，得到圖3-10所示電網(wǎng)相電壓和相 電流波形 -200 — D.05 <<爭萼4)<>叵爭眾凌曲 相筆壓 --J ■相電貢 0.1 0,15 時間待)  由圖中可以看出，電網(wǎng)電流波形為正弦且電壓、電流相位一致，實現(xiàn) 了網(wǎng)側變換器輸入電流正弦和功率因數(shù)調(diào)節(jié)的控制任務。 依照圖3-6所示的控制系統(tǒng)，直流側電壓給定值 Vdc*=550V，仿 真得到的直流母線電壓波形如圖 3-9所示。 >)H欄SS時崽W 0

29、 0.05 0J 0.15 02 0.25 0.3 時間(S) 0 圖3-9 PR控制下的直流母線電壓 由圖中可以看出，之母線電壓短暫調(diào)節(jié)后達到穩(wěn)定， 實現(xiàn)了網(wǎng)側 變換器直流電壓穩(wěn)定的控制任務。 2)PR控制器諧波補償性能 為驗證PR控制系統(tǒng)中的諧波補償優(yōu)勢，分別對不含諧波和帶有 補償兩種情況進行仿真。取不含諧波補償?shù)姆€(wěn)態(tài)電網(wǎng)電流，并對其進 行FFT分析，得到圖3-10所示的電流和頻譜。 OJ5 0.155 0.16 0.165 0.17 0*75 時問<> (a)電網(wǎng)電流 (b)電網(wǎng)電流頻譜 圖3-10不換諧波補償?shù)腜R控制系統(tǒng)電網(wǎng)

30、電流及其頻譜 由圖中可以看出，電網(wǎng)電流波形有一定的畸變，并且所含的 3、5、7 次諧波進行補償，得到圖3-11所示的電流和頻譜。 20 0.15 0155 0.16 0165 0.17 0175 0.10 時間＜&) (a)電網(wǎng)電流 45 0.8- 6 OB J I. I I 11111 1111.1 5 10 15 20 諧波次數(shù) (b)電網(wǎng)電流傾港 與圖3-10對比可以看出，翻涌諧波補償后，電流畸變減小且 3、5、 7次諧波得到了較好的抑制 4. 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側變換器控制 在雙PWM變換器中，

31、網(wǎng)側變換器的主要功能是控制直流電壓的 穩(wěn)定和獲得良好的輸入性能，不直接參與對雙饋電機乃至整個風力發(fā) 電系統(tǒng)的控制。雙饋電機以及整個風力發(fā)電系統(tǒng)都是通過轉(zhuǎn)子側變換 器來實現(xiàn)的。因此轉(zhuǎn)子側變換器的控制有效與否直接決定了整個變速 恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的性能。 由于轉(zhuǎn)子側變換器的控制任務主要是實現(xiàn)對雙饋電機的有功、 無 功功率的解耦控制，所以下面駐澳圍繞雙饋電機解耦控制進行展開， 對目前常用的基于PI控制器的定子磁鏈定向矢量控制及自適應 PR控 制策略進行說明。同時對1.5MW的風力發(fā)電機組進行仿真。 4.1基于PI控制器的定子磁鏈定向矢量控制 由于雙饋電機具有高階、非線性、強耦合的特點，直接

32、對其進行 控制難度很大。通過矢量變換可簡化電機內(nèi)部各變量間的耦合關系， 簡化了控制，理論上可以使交流電機在某些方面具有和直流電機一樣 的控制效果。 在雙饋電機中，共有七個基本矢量：定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子 電流、轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈和氣隙磁鏈。選擇不同的矢量 定向，將會獲得不同的控制效果。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中常用的定 向矢量有氣隙磁鏈矢量、定子電壓矢量、定子磁鏈矢量。當采用氣隙 矢量定向時，電機的端電壓矢量與參考軸之間會有一定的相位差， 電 流的有功分量和無功分量的計算比較復雜。 考慮到雙饋電機在工頻下 運行，尤其是兆瓦級的大功率電機，定子電阻上的壓降遠比定子電壓 之間正好相差9

33、0度，因此，在實際應用中通常采用定子電壓定向或 定子磁鏈定向。在電網(wǎng)電壓發(fā)生較大波動時，定子電壓定向矢量控制 效果不太理想。考慮到定子磁鏈觀測比較方便，而且誤差相對較小， 本文采用定子磁鏈定向。 4.1.1雙饋電機控制系統(tǒng)構成 根據(jù)式（4-1）構建了基于PI控制器的轉(zhuǎn)子側變換器解耦控制系 統(tǒng)，如圖4-1所示。 電網(wǎng) 圖4-1 PI控制下轉(zhuǎn)子變換器解耦控制系統(tǒng) 由于最大風能捕獲控制與無功電流無關，無功電流給定給定值ird 可以根據(jù)電網(wǎng)對風電系統(tǒng)的無功要求計算得出，或者從最小的電機銅 耗、減少雙PWM變換器損耗等角度考慮。利用定子輸出無功功率Q1與 ird的關系確定，二者關系為

34、: (4-1) 對于圖中定子磁鏈觀測器的實現(xiàn)， 采用基于定子電壓和同步轉(zhuǎn)速 的U-w/1法。該方法原理簡單，實現(xiàn)比較容易，誤差也比較小，是變 速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中采用較多的磁鏈觀測方法。 圖4-2基于定 子電壓和同步轉(zhuǎn)速的U-wfi法的定子磁鏈觀測器結構圖。 圖4-2定子磁鏈觀測器結構圖 圖中，Usa、Usb、Usc分別為電網(wǎng)三相電壓；Us：.、Us\分別為三相電壓 經(jīng)過靜止坐標變換后的〉、［軸分量；％為定子電壓矢量的相角；刃 為定子磁鏈矢量的相角. 4.1.2仿真與結果分析 在Matlab/Simulink 下，建立了圖4-1所示的仿真模型，對1.5MW勺

35、 風電機組進行仿真. 主要參數(shù)如下： 風力機參數(shù)：風機類型為水平軸，上風向；額定功率為. 1.5MW; 切入風速為3.5m/s;葉輪直徑為70m:齒輪箱傳動比為95:空氣密度為 1.225 kg/m3。 雙饋電機參數(shù)：丫幾聯(lián)接，兩對極；額定功率為1.5MW額定頻 率為50HZ:定子額定電壓為690V;定子電阻和自感分別為 0.0025“、 0.0045H，轉(zhuǎn)子電阻和自感分別為 0.0028「、0.0046H:互感為0.00446H: 機組轉(zhuǎn)動慣量為77,96 kg/m2（參數(shù)均已折算到定子側）. 因為系統(tǒng)的機械慣性很大，可以認為仿真中機組轉(zhuǎn)速不變（設定風速 為5m/s），所以仿真中未

36、設置功率外環(huán)控制，對轉(zhuǎn)子電流指令突變下 系統(tǒng)的運行情況進行了分析.在第 9s時刻，轉(zhuǎn)子電流毋由分量指令 由-400A突變?yōu)?00A;在9.5s時刻，轉(zhuǎn)子電流g軸分量指令由300A 突變?yōu)?00A,可得到轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量響應波形，如圖4-3所示。 800 600 400 200 -200 *600 10 時間⑹ 圖4-3轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量 由圖中可以看出，轉(zhuǎn)子電流的q軸分量指令發(fā)生階躍變化，其d 1.5 X 10* 85 8 * 9.5 10 軸分量ird保持不變，獨立調(diào)節(jié)有功功率：當風速恒定，轉(zhuǎn)子電流的 d 軸分量指令發(fā)生階躍變化時，其q軸分量ird保持不變，獨

37、立調(diào)節(jié)無功 功率。相應的定子輸出有功功率和無功功率波形如圖 4-4所示。 -1.5 圖4-4定子輸出有功功率和無功功率波 仿真結果表明，采用基于 PJ控制器的定子磁鏈定向矢量控制策 略，可以實現(xiàn)雙饋電機有功功率與無功功率解耦控制。 4.2自適應PR控制 基于Pl控制器的定子磁鏈定向的矢量控制策略很好地實現(xiàn)雙饋 電機有功功率與無功功率解耦控制，但是電機在運行中由于磁路飽和 將會引起電感的變化，溫升將會引起電阻的變化，電機參數(shù)的變化將 會引起補償項不準確，從而影響了系統(tǒng)的控制精度。本文提出一種自 適應PR控制策略，該策略利用PR控制器能夠在靜止坐標系下對其諧 振頻率的交流信號進行無靜差調(diào)

38、節(jié)的優(yōu)勢，應用于轉(zhuǎn)子側變換器電流 控制中，無補償項，無需電機參數(shù)的精確估計，可提高系統(tǒng)的控制性 厶匕 冃能 421自適應PR控制系統(tǒng)構成 在變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風速的隨機性和不確定 性，轉(zhuǎn)子電流頻率在不斷變化，且為轉(zhuǎn)差頻率 ws。由于PR控制器能 夠在靜止坐標系下對其諧振頻率的交流信號進行無靜差調(diào)節(jié)，因此, 可使諧振頻率wo =Ws，即可對轉(zhuǎn)子電流進行自適應調(diào)節(jié)。 圖4-5為PR 控制下轉(zhuǎn)子變換器解耦控制系統(tǒng)框圖 圖4-5 PR控制下轉(zhuǎn)子變換器解耦控制系統(tǒng) 由圖4-1和圖4-5對比可以看出，基于PI控制器的定子磁鏈定 向矢量控制系統(tǒng)引入了與電機參數(shù)相關的前饋

39、補償項， 且需要兩次坐 標旋轉(zhuǎn)變換：而自適應PR控刮系統(tǒng)不舍與電機參數(shù)相關前饋補償項， 減少了坐標旋轉(zhuǎn)，從而減小了控制算法實現(xiàn)的難度， 提高了控制系統(tǒng) 的魯棒性. 422無靜差理論驗證 用傳遞函數(shù)來表示圖4-5所示的PR電流控制系統(tǒng)模型，得到圖 4-6所示的結構。 (4-2) (4-3) 圖4-6轉(zhuǎn)子側變換器電流控制系統(tǒng)框圖 由于開關頻率比較高，為分析方便，忽略功率變換單元延遲和采 樣延遲，PWM變換器用一個簡單的增益環(huán)節(jié)kpwm來代替.由圖4-6可 得，電流參考信號與實際值之間的傳遞函數(shù)為 D八ba⑹（） KPWMGPR（Si $叫 +R「+K

40、p 伽 (f) 如果并令s=jw且Wo設置為轉(zhuǎn)差頻率，得到 斥伽）二-—廠下 伽）0 Wo） _ KPWMKb ^Jw0）_ | 由上式可以看出，PR控制器的諧振頻率等于被控對象的頻率時, PR控制器能夠?qū)崿F(xiàn)被控對象的無靜差控制，且不受控制參數(shù) Kp Ki 和電機參數(shù)Lr、和Rr的影響。 (4-4) 類似地，可以得到干擾電壓和給定電流之間的傳遞函數(shù)為 _ 13—七 Ry) l-KPWMGpR (s)/(strLr+Rr) 由于擾動量與被控量有相同的頻率，因此可令代入上式得 (4-5) W 一 = :—二 0 KpwMKi 伽 ) 上式表明，PR控制

41、器可完全抑制同頻率的正弦擾動，且同樣不受 0 控制魯數(shù)和電機參數(shù)的影響。 423仿真與結果分析 PR 仿 根據(jù)圖4-5所示的自適應PR控制系統(tǒng)結構，本節(jié)對自適應 控制策田變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的性能進行了數(shù)字仿真研究。 真中，轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量指令由功率外環(huán)給定，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最 大風能捕獲。 圖4-7為轉(zhuǎn)子側變換器在自適應PR控制下轉(zhuǎn)子電流的動態(tài)響應 0 005 0,1 0,15 MIQ(b) {一買探爭 (a)電流給定 <一B遐瞎巒 0 0.05 OJ 時間仿｝ (b)電流反饋 O.!5 gr釜至曲 o 4 0.05 (c)電流誤

42、差 ■L _ . i -— 丄 一亠一 0.02 0Q4 OOB M 0.12 時 rHj(s) (d)電流誤差 圖4-7轉(zhuǎn)子電流動態(tài)響應 由圖中可以看出，轉(zhuǎn)子電流反饋值能夠迅速跟蹤給定值的變化 在10s時刻風速由5m/s階躍變化為8m/s,在16s時刻無功功 率給定值由0階躍變化為-400000var，得到圖4-8所示的定子有功、 無功功率的響應波形 -■>■誓疋屛 *6昌* 圖4-8定子有功功率、無功功率的階躍響應 由圖中可以看出，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在自適應 PR控制策略下能 夠?qū)崿F(xiàn)有功、無

43、功功率的解耦控制。 圖4-9為系統(tǒng)由亞同步到超同步過渡過程中轉(zhuǎn)子相電流的變化 過程。 # ■ T 10 10.5 11 11.5 12 1Z5 時間僅） 圖4-9從亞同步到超同步的過渡過程中轉(zhuǎn)子相電流 由圖中可以看出，在電流頻率發(fā)生變化時， PR控制器仍能保持 較好的控制效果，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流的平穩(wěn)過渡，證實了 PR控制器的 自適應性。 圖4-10為系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制時的定子相電壓和相電流波 形。在無功功率給定為0的情況下，系統(tǒng)實現(xiàn)了較好的功率因數(shù)調(diào)節(jié) 圖4.10 PR控制下的定子相電壓和相電流 仿真結果表明，在自適應 PR控制策略下，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)

44、態(tài) 和動態(tài)性能 5、應用前景和適用范圍 5.1應用前景 近年來，新能源產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在新能源開發(fā)中，變速恒頻變 換器技術以其特有的結構優(yōu)勢在風電、 水電、潮汐發(fā)電等新能源開發(fā) 方面有著巨大的應用潛力。在一定的調(diào)速范圍內(nèi)對于風機、泵類負載, 變換器的使用可以顯著降低電機的負載容量，減少前期投資。另外， 在次同步速下，通過轉(zhuǎn)子側變換器對轉(zhuǎn)差功率的饋出達到了節(jié)能調(diào)速 的目的。 變換器技術蓬勃發(fā)展，變速恒頻變換器技術以快速實用，其單機 容量已經(jīng)達到兆瓦級，迅速成為風電首選技術。變速恒頻雙饋風力發(fā) 電變換器技術的發(fā)展為風力發(fā)電技術向容量更大、效率更高方向的發(fā) 展奠定了基礎，變換器技術和風力發(fā)電

45、技術的有機結合也將會使風力 發(fā)電的成本更低。可以肯定變換器技術將會在今后發(fā)電技術發(fā)展過程 中發(fā)揮越來越重要的作用。 近二十年來，變速恒頻雙饋風力發(fā)電變換器技術取得了許多非常 有意義成果，我國變換器產(chǎn)業(yè)化上也取了很大進展。 我們相信雙饋變 速恒頻風力發(fā)電技術必將未來相當長一段時間領域扮演非常重要角 色。 5.2適用范圍 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變換器，可廣泛應用于平原風電場、高原風 電場、近海風電場等環(huán)境，具備較強的防塵、防濕、防鹽霧能力。能 夠適應長距離輸配電的要求，具有較低的諧波污染，更不會對電網(wǎng)產(chǎn) 生共振。 ?應用在平原或高原風電場 ?應用在島嶼和近海岸風電場 ?應用在咼溫或咼寒風

46、電場 6附件 參考文獻 [1] BYS. MOLLER, M.DEICKE, RIK W.DE DONCKERDoubly fed in ducti on gen erator systems for wi nd turb in es, IEEE In dustry Applicatio ns Magzi ne, 2002: 26-33 [2] Anca D.Hansen, Florin lov, Poul Sorensen, et al, Overall con trol strategy Of variable speed doubly-fed in ducti on gen

47、 erator wind turb ine, Nordic Wind Power Co nfere nee, 2004: 1~7 [3] 常進 張曾科Cha ng Jin Zha ng Zen gke 感應電機恒功率因數(shù) 控制 的研究 Research on constant power factor control of induction machine [J] 中國電機工程學報 Proceedings of the CSEE 2002 22(11) 70-74 [4] Clements J , Julija M , Thomas A. International compa

48、ris on of requireme nts for conn ecti on of wi nd turb ines to power systems [ J ] .Wind Energying, 2005 , 8 ( 3 ) :295 - 306. [5] Johan M , Sjoerd W H. Short circuit curre nt of wind turbines with dlouhly fed induction generator[ J ] IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007 , 22 ( 1 ) :174 -

49、 180. ⑹ 向大為,楊順昌,冉 立.電網(wǎng)對稱故障時雙饋感應發(fā)電機不脫 網(wǎng)運行的勵磁控制策略[J ]. 中國電機工程學報,2006,26⑶： 1642170. [7] Ma noj R R , Ned M. A novel robust low voltage and fault ride through for wind turhi ne applicatio n operati ng in weak grids [ c ] //The 31st Ann ual Co nference of the IEEE In dustrial Electro nics Society.U

50、SA , 2005 :2481 - 2486. [8] 李時杰,李耀華,陳 睿.背靠背變流系統(tǒng)中優(yōu)化前饋控制策 略的研究[J ]. 中國電機工程學報，2006,26 (22) :74279. [9] 胡家兵,孫 丹,賀益康,等.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風力發(fā) 電機建模與控制[J ]. 電力系統(tǒng)自動化,2006 ,30 (8) :21226. [10] 劉其輝，賀益康，張建華，交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電機的運 行控制與建模仿真，中國電機工程學報，2006,26(5):43-50 [11] 夏長亮，宋戰(zhàn)鋒，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)自抗擾控制，電工電能新 技術，2007,26( 3)： 11-14

51、 [12] 宋戰(zhàn)鋒，變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)自抗擾控制： [碩士學位 論文]，天津；天津大學，2006 [13] Flannery P S, Venkataramanan C. Evaluationof voltage sag ride through of a doubly fed in ducti on gen erator wind turb ine with series grid side conv erter[ C ]//IEEE Power Electr onics Specialists Co nferen ce. USA ,2007 :1839 - 1845. [

52、14] Chong H N, Li R, Jim B.Cnbalaneed grid fault ride through con trol for a wi nd turbi ne inv erter[ J ] . IEEE Tran sacti ons on In dustrial Electro nics, 2008,44 (3 ) :845 - 856. [15] 李建林，許洪華風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術 [M]北京：機械 T業(yè)出版社，2009 [16] 倪安華，我國海上風力發(fā)電的發(fā)展與前景，安徽發(fā)電，2007,24 （2）： 64-68 [17] 王素霞，國內(nèi)外風力發(fā)電現(xiàn)狀

53、及發(fā)展趨勢，電氣時代， 2007:20-22 [18] 楊俊華，李建華，吳捷，無刷雙饋風力發(fā)電機組的模糊自適應 控制，電機與控制學報，2006,10（ 4）: 346-350 [19] Markus E, Philippe M, Alexa nder F. Full size vollage conv erters for 5 MW offshore wi nd power gen erators [ EB/OL]. http:// www. abb. com/wi ndpower, 2010 - 04 - 30. [20] 趙棟利，胡書舉，趙 斌風力發(fā)電機、變流器及其低電壓穿越

54、 概述[J ]變頻器世界，2009（2） : 35 -40 [21] 施躍文，高輝，陳 鐘特大型風力發(fā)電機組技術現(xiàn)狀與發(fā)展 趨勢[J ]神華科技，2009, 7（2）: 34 - 38 [22] 王義峰，金新民，用DSP實現(xiàn)高功率因數(shù)PW整流器的控制。 電源技術應用，Vo1.6，No.5,2003（ 5）： 30-32 [23] 趙振波，李明和，PWM6流器PI參數(shù)設計。華北電力大學學 報，Vo1.30, No.4,2003（2）： 34-37 [24] 沈紅星，點濾波用整流器運行故障及分析。 2003（2）： 35-36 [25] 王相中（Wang Xiangzhong）變

55、速恒頻異步風力發(fā)電機系統(tǒng)特 性分析與研究：[碩士學位論文]北京：清華大學2003 [26] Nargari. Performanee investigation of a current con trolled voltage regulated PWM rectifier in rotati ng and stati onary frames [ J ]. IEEE Tran sacti ons on In dustrial Electro nics, 1993,42 ( 5 ) :396 - 401. [27] Choi J W , Sul S K. Fast curre nt co ntroller in three phase AC/DCboost converter using d - q axis crosscoupling[ J ]. IEEE Tran sacti ons on In dustrial Elect on ics, 1998 , 13 (1 ) :179 - 185. [28] 沈沉，吳佳耘，喬穎等，電力系統(tǒng)主動解列控制方法的研究[J] 中國電機工程學報，2006，26 (13) : 1-6.