變速恒頻風力發(fā)電PWM整流及其控制策略的仿真研究

1、變速恒頻風力發(fā)電PWM整流及其控制策略的仿真研究    摘 要： 整流器是風力發(fā)電系統(tǒng)中有著不可或缺的作用，對三相升壓型PWM整流器的拓撲結構、數(shù)學模型、控制策略、主電路參數(shù)的設計進行研究，在系統(tǒng)模型分析的基礎上，隨后使用Matlab/Simulink軟件構建三相VSR的仿真平臺，對仿真實驗波形和數(shù)據(jù)進行分析，仿真結果表明，文中所述的三相VSR控制系統(tǒng)設計方法可以實現(xiàn)高功率因數(shù)整流、低諧波輸入電流和維持直流電壓的要求。關鍵詞： 風力發(fā)電；PWM整流器；控制；仿真中圖分類號：TM303 文獻標識碼：A 文章編號：16717597（2011）12100750

2、21 概述近幾年我國風力發(fā)電裝機容量保持了快速的增長，截至2010年年底，中國全年風力發(fā)電累計裝機容量達到4182.7萬千瓦。中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會和國際環(huán)保組織綠色和平發(fā)布的中國風電發(fā)展報告2010預測：2020年，中國風電累計裝機可以達到2.3億千瓦，相稱于13個三峽電站；總發(fā)電量可以達到4649億千瓦時，相稱于取代200個火電廠。風力發(fā)電系統(tǒng)一般由風力發(fā)電機組、整流器、蓄電池組、逆變器和控制器等構成。其中變速恒頻風力發(fā)電的特點是風輪和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率，不僅可高系統(tǒng)的風能利用率，適應電網并網需求，同時更平穩(wěn)安全、噪音小。本文在參閱國內外

3、大量文獻的基礎上，針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的整流電路進行研究，建立三相PWM電壓源型整流器的一般數(shù)學模型，并且對PWM整流器的參數(shù)和控制系統(tǒng)進行分析和設計，最后通過Matlab仿真軟件進行仿真，分析仿真結果，改進方法。2 PWM整流電路拓撲隨著PWM整流器技術的發(fā)展，現(xiàn)已設計出多種PWM整流器，盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將PWM整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為電壓型、電流型PWM整流器，無論是在主電路結構、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。電壓型PWM整流器直流輸出電壓高于電網電壓，具有升壓的特性；而電流型PWM整流器

4、直流輸出電壓可低于電網電壓，具有降壓的特性，兩者在應用方面具有互補特性。本次仿真研究僅對具有升壓特性的三相電壓源型PWM整流器電路拓撲為基礎進行詳細研究，主電路拓撲結構如圖1所示。圖1 三相半橋VSR結構圖3 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型本次主要采用開關函數(shù)描述VSR的一般數(shù)學模型1 ，建立三相VSR dq模型，同時將模型線性化。改進后的數(shù)學模型為：4 雙閉環(huán)三相VSR控制系統(tǒng)設計將雙閉環(huán)控制器設計方法用于PWM整流器，只需要經過為數(shù)不多的幾步簡單計算，就可以確定控制器的參數(shù)，特別適合控制器參數(shù)的現(xiàn)場整定。雙閉環(huán)控制的另一個優(yōu)點也是它特有的優(yōu)點是：由于電流內環(huán)的存在，只要使電流指令限幅，可

5、以使整流器工作于恒流狀態(tài)，自然實現(xiàn)了對裝置的過載保護。5 三相PWM整流器的仿真分析Matlab的Simulink庫中，具有多種電力電子器件，比較適合于面向結構仿真。本次將采用SimPowerSystems庫搭建模型進行仿真，對上述的理論分析進行了驗證。5.1 三相VSR仿真參數(shù)仿真模型中的參數(shù)計算選取三相交流電壓有效值220V、直流側初始電壓538V、交流側電感8mH、電流內環(huán)參數(shù) =50、 =250，直流側電容6mF、電壓外環(huán)參數(shù) =20、 =250、直流側參考電壓800V、開關頻率10kHz、負載電阻=100 、采樣時間5e-6s。5.2 PWM整流器的simulink仿真搭建為了表述清

6、晰，將仿真模型搭建為三大模塊，分別是主電路模塊、控制系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)測量分析模塊。主電路模塊用于實現(xiàn)整流器所主回路的能量流通，主要由交流側電感、功率開關器件（IGBT模塊）、直流側濾波電容以及電阻負載組成。此外，主電路中還包含了三相交流電壓、電流測量模塊（Three-Phase V-I Measurement）、SPWM調制模塊（Discrete PWM Generator）和直流電壓測量模塊（VoltageMeasurement）。數(shù)據(jù)測量分析模塊為外部示波器輸出四個量，分別是交流a相電壓、交流a相電流、交流側有功無功PQ以及直流電壓 。而交流側電流多接一個示波器則是為了進行對交流側電流的諧波

7、分析。5.3 VSR控制系統(tǒng)仿真結果分析直流側輸出電壓 如圖2所示， 在系統(tǒng)運行時從510V開始，這是因為與IGBT反并聯(lián)的二極管存在，使得在PWM整流不工作的情況下也會產生一個值為線電壓1.35倍的直流電壓，在仿真環(huán)境中對電容C的起始電壓進行了設置。 在起始階段會產生較大的過電壓，這是由于比例積分控制的超調引起的，在0.3s后穩(wěn)定在了800V。在圖中，我們可以在這張動態(tài)響應圖上可以看到其動態(tài)指標如下：以上這些動態(tài)性能指標可以體現(xiàn)一個系統(tǒng)動態(tài)過程的特征。其中，和 反應了一個系統(tǒng)響應的初始快速性； 可以反應一個系統(tǒng)的總體快速性；而超調量 描述了系統(tǒng)響應的平穩(wěn)性或系統(tǒng)的阻尼程度。由上可知，系統(tǒng)在不

8、到0.1s就第一次達到穩(wěn)定值，并且達到峰值，在0.3s后達到穩(wěn)定值，且超調量較小，初步達到了系統(tǒng)控制的三個條件：快速性、準確性和快速性。圖2 直流側輸出電壓波形圖由于是三相對稱系統(tǒng)，選取a相電壓和電流，其穩(wěn)態(tài)時的波形仿真結果輸入電壓和電流同相位，滿足整流器系統(tǒng)的單位功率因數(shù)要求。這樣一個仿真結果是可以滿意的，電流波形接近正弦波，從而避免了傳統(tǒng)晶閘管整流對電網造成的諧波污染，且運行在一個較高功率因數(shù)下。圖3是電網輸入的有功無功變化曲線，從圖中可以清晰看到，在進入穩(wěn)態(tài)階段后，有功P維持在6500W這樣，而無功Q維持在0，這從另一個角度證明了整流器工作在單位功率因數(shù)下，與設計要求符合。圖3 電網輸入

9、的有功功率和無功功率波形圖圖4 交流輸入端電流條狀頻譜運用仿真系統(tǒng)提供的FFT分析，從Matlab的工作空間中對存儲的交流a相電流運算，可以得到圖5所示的PWM整流器交流輸入端電流條狀頻譜。觀察可以發(fā)現(xiàn)，在整流器進入穩(wěn)態(tài)后（分析從0.6s至2s期間的電流值）交流輸入端的電流諧波成分主要集中在5次諧波，THD值僅為2.57%。6 結論經過20多年的研究與探索，PWM控制技術已經成功應用于整流器的設計之中，使整流器獲得了前所未有的優(yōu)良性能。與傳統(tǒng)的整流器相比，PWM整流器不僅獲得了可控的AC/DC變換性能，而且可實現(xiàn)網側單位功率因數(shù)和正弦波電流控制，甚至能使電能雙向傳輸。本文討論了三相PWM整流器

10、的拓撲分類，在基于電壓型三相PWM整流器拓撲結構的基礎上，建立了其在三相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系的一般數(shù)學模型，并討論了主電路中交流側電感L和直流側電容C的設計理論，為本論文的各種控制策略和算法提供了實驗平臺。在電壓電流雙閉環(huán)控制器的基礎上，對PI參數(shù)的設計進行了推導，并給出了dq坐標系下的解耦方程和參數(shù)設計的理論依據(jù)。最后在MATLAB/SIMLINK環(huán)境下，建立了三相VSR的控制的仿真模型，并進行了仿真，仿真結果顯示該模型能達到要求值，驗證了控制系統(tǒng)的正確性。參考文獻：1張崇巍、張興，PWM整流器及其控制M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.2李玲玉，電流型PWM整流器及其控制策略的研究D

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