風(fēng)電系統(tǒng)PWM并網(wǎng)變流器

1、第二章風(fēng)電系統(tǒng)PWM并網(wǎng)變流器2.1直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)概述直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要做全功率的變流器變換"其交/直整流既可以采用IGBTPWM整流器,也可以采用二極管不控整流與升壓斬波"后者使用的大功率IGBT開關(guān)管少,因而性價(jià)比更高"本文研究的MW級風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)采用二極管不控整流,升壓斬波與兩重并網(wǎng)逆變器的功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)"通過控制升壓斬波器的輸入電流以控制有功功率,調(diào)節(jié)無功則通過控制作為電網(wǎng)接口的電壓型PWM變流器"系統(tǒng)變流部分拓?fù)淙鐖D2一1所示"圖2一1直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)采用多極永磁同步電機(jī)"發(fā).出的

2、交流電的電壓幅值與頻率隨風(fēng)速的變化而改變"經(jīng)電容濾波后,六相二極管橋式整流器將幅值與頻率變化的交流電變換為直流"不控整流輸出的卜直流電壓往往不能達(dá)到網(wǎng)側(cè)逆變(PWM變換)對直流側(cè)電壓的要求,需要升壓斬波器提高直流側(cè)電壓"三相電壓型PWM變流器將直流電逆變?yōu)殡妷悍岛皖l率恒定的交流電饋入電網(wǎng)"圖2一1所示的網(wǎng)側(cè)逆變器采用特殊的直流側(cè)中點(diǎn)接地的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)"另外在升壓斬波與網(wǎng)側(cè)逆變器中間有制動單元"一旦電網(wǎng)電壓跌落,制動單元IGBT導(dǎo)通,電阻消耗能量,從而減小并網(wǎng)電流"網(wǎng)側(cè)采用LCL濾波技術(shù)可以有效地濾除PWM變換中產(chǎn)生的高頻諧波&

3、quot;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):1.電機(jī)采用多極永磁同步結(jié)構(gòu):實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn),無齒輪箱:不需勵(lì)磁,無滑環(huán)和電刷;大大減少了系統(tǒng)的機(jī)械維護(hù)成本"2.電機(jī)與整流橋均采用六相結(jié)構(gòu),可減小電壓脈動并降低對直流側(cè)濾波電容量的要求"3.升壓斬波器和并網(wǎng)逆變器采用并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu),一方面分擔(dān)電流;另一方面采用合理的調(diào)制模式可以有效地抑制高頻諧波"4.PWM變流器直流側(cè)中點(diǎn)接地使三相電流獨(dú)立控制,且對多重化結(jié)構(gòu)能抑制環(huán)流,同時(shí)由于對直流電壓中點(diǎn)的箱位降低了對直流母線絕緣性能的要求;而將直流電壓分為兩個(gè)獨(dú)立變量,在控制上必須增加一個(gè)直流電壓控制環(huán)或直流電壓補(bǔ)償器,加大了控制難度

4、,且由于中線的連接,引入了零序電流"5.斬波器輸出之后加入了制動單元"當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí),由于風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械慣性,傳遞功率不變而使并網(wǎng)電流突增"此時(shí)使制動單元IGBT導(dǎo)通,旁路PWM變流器,電阻能耗制動,降低并網(wǎng)電流"待電網(wǎng)電壓恢復(fù)后再斷開制動單元開關(guān)管,系統(tǒng)正常運(yùn)行"6.PWM變流器網(wǎng)側(cè)采用LCL濾波,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電變流系統(tǒng)與電網(wǎng)的隔離:既濾除PWM變換的高頻諧波,又濾除電網(wǎng)尖峰信號對功率變換系統(tǒng)的干擾"變流系統(tǒng)控制主要針對斬波器和逆變器"斬波器通過調(diào)節(jié)輸入電流控制系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?quot;因?yàn)閿夭ㄆ鬏敵鰝?cè)直流電壓由PWM

5、變流器控制恒定,所以控制輸入電流時(shí),調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)管的占空比即控制了升壓斬波器的輸出電流,進(jìn)而控制輸入風(fēng)能的功率"對變速恒頻系統(tǒng),斬波器輸入電壓會隨風(fēng)速的變化而改變"為了控制系統(tǒng)的有功功率,其輸入電流指令也必然會相應(yīng)的改變"所以快速的動態(tài)跟隨性是斬波器的重要指標(biāo)"網(wǎng)側(cè)逆變器有兩個(gè)控制要求,其一要求控制直流側(cè)電壓恒定,其二要求控制并網(wǎng)輸出電流諧波畸變(THD)小,且保持單位功率因數(shù)(unitypowerfactor),以控制系統(tǒng)無功功率為零"當(dāng)然在必要的情況下,也應(yīng)可以向電網(wǎng)發(fā)出需要的感性無功或容性無功"而網(wǎng)側(cè)逆變器由于與風(fēng)輪機(jī)和同步

6、發(fā)電機(jī)隔離,其主要控制目標(biāo)是保持良好的抗擾性能"當(dāng)然在系統(tǒng)指令改變時(shí),PWM變流器也應(yīng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)"2.2PwM變流器的分類及其拓?fù)鋸碾娏﹄娮蛹夹g(shù)的發(fā)展來看,變流器較早應(yīng)用的一種形式就是AC心C變換裝置,即整流器"它的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器(二極管整流)!相控整流器(采用半控開關(guān)器件,如晶閘管)到PwM整流器(采用全控開關(guān)器件,如IGBT)的發(fā)展歷程"傳統(tǒng)的相控整流器,應(yīng)用的時(shí)間較長,技術(shù)也較為成熟,但存在以下問題:圖2一1直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)采用多極永磁同步電機(jī)"發(fā).出的交流電的電壓幅值與頻率隨風(fēng)速的變化而改變"

7、經(jīng)電容濾波后,六相二極管橋式整流器將幅值與頻率變化的交流電變換為直流"不控整流輸出的卜直流電壓往往不能達(dá)到網(wǎng)側(cè)逆變(PWM變換)對直流側(cè)電壓的要求,需要升壓斬波器提高直流側(cè)電壓"三相電壓型PWM變流器將直流電逆變?yōu)殡妷悍岛皖l率恒定的交流電饋入電網(wǎng)"圖2一1所示的網(wǎng)側(cè)逆變器采用特殊的直流側(cè)中點(diǎn)接地的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)"另外在升壓斬波與網(wǎng)側(cè)逆變器中間有制動單元"一旦電網(wǎng)電壓跌落,制動單元IGBT導(dǎo)通,電阻消耗能量,從而減小并網(wǎng)電流"網(wǎng)側(cè)采用LCL濾波技術(shù)可以有效地濾除PWM變換中產(chǎn)生的高頻諧波"并網(wǎng)變流器作用(l)晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓

8、波形畸變;(2)網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染;(3)深控時(shí)功率因數(shù)很低;(4)閉環(huán)控制時(shí)動態(tài)響應(yīng)慢;雖然二極管整流器改善了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),但是仍會產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流而污染電網(wǎng),另外二極管整流的不足還在于直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性差"針對上述不足,PWM整流器已對傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進(jìn)行了全面改進(jìn)"其關(guān)鍵性的改進(jìn)在于用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管,以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流,功能上也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最初的整流,所以名稱也漸漸演變成變流器"PWM變流器可以取得以下優(yōu)良性能:(l)網(wǎng)側(cè)電流近似正弦波;(2)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制(如單位功率因數(shù)控制);

9、(3)電能雙向傳輸;(4)較快的動態(tài)響應(yīng);(5)可進(jìn)行并網(wǎng)逆變;目前已設(shè)計(jì)出多種的PWM變流器,電壓型和電流型是最基本的分類方法"這兩種類型的PWM變流器無論是在主電路結(jié)構(gòu)!PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有著各自的特點(diǎn),并且兩者存在著電路上的對偶性"電壓型的PWM變流器研究和應(yīng)用較多,因此本文主要介紹電壓型PWM變流器(VSR)"1.單相半橋!全橋VSR拓?fù)鋱D2一2分別示出了vsR單相半橋和單相全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I.4>"兩者交流側(cè)具有相同的電路結(jié)構(gòu),其中交流側(cè)電感主要用以濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波"由圖2一2(a)可看出,單相半橋VSR拓?fù)渲?/p>

10、有一個(gè)橋臂采用了功率開關(guān),另一橋臂則由兩電容串聯(lián)組成,同時(shí)串聯(lián)電容又兼作直流側(cè)儲能電容;單相全橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則如圖2一2(b)所示,它采用了具有4個(gè)功率開關(guān)的/H0橋結(jié)構(gòu)"值得注意的是:電壓型PWM變流器主電路功率開關(guān)必須反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管以緩沖PWM過程中的無功電能"比較兩者,顯然半橋電路具有較簡單的主電路結(jié)構(gòu),!1.功率開關(guān)數(shù)只有全橋電路的一半,因而造價(jià)相對較低,常用于低成本!小功率應(yīng)用場合"進(jìn)一步研究表明,在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下,要使單相半橋VSR以及單相全橋VSR獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性,半橋電路直流電壓應(yīng)是全橋電路直流電壓的兩倍,因此單相半

11、橋VSR的直流側(cè)電壓利用率低,功率開關(guān)管耐壓要求相對提高,另外,為使半橋電路中電容中點(diǎn)電位基本不變,還需引入電容均壓控制,可見單相半橋VSR的控制相對復(fù)雜"2. 三相橋式VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2-3為三相橋式VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其交流側(cè)采用三相對稱的無中線連接方式，采用6個(gè)功率開關(guān)管，這是一種最常用的三相電壓型PWM整流器，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的有源濾波和諧波補(bǔ)償，以及作為大功率拖動設(shè)備的前端整流。三相橋式VSR工作原理同單相全橋VSR類似，但是脈沖調(diào)制的時(shí)候是三相調(diào)制 3.三電平VSR拓?fù)鋱D2-4是三電平VSR常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。和二電平VSR相比而一言，三電jVSR的主要優(yōu)點(diǎn)在于:一是對于同樣的

12、基波和諧波要求，它的開關(guān)頻率低得多從而可以大幅度降低開關(guān)損耗:二是它適用于更高的交、直流側(cè)電壓規(guī)模(14這兩點(diǎn)都有利于加大變流機(jī)組的容量。不過三電平VSR的缺點(diǎn)也顯而易見，-方面其主電路拓?fù)涫褂霉β书_關(guān)器件較多;另一方面，它的控制也要比二電一VSR復(fù)雜，尤其需要解決中點(diǎn)電位平衡問題。2.3三相電壓型PWM變流器的工作原理 PWM變流器不同于傳統(tǒng)意義上的AC/DC整流器，具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制、能量雙向傳輸?shù)男阅堋．?dāng)PWM變流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)，當(dāng)PWM變流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，其運(yùn)行于逆變工作狀態(tài)。單位功率因數(shù)控制是指:當(dāng)PWM變流器運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí),網(wǎng)側(cè)電壓!電流同相,當(dāng)P

13、WM變流器運(yùn)行于逆變狀態(tài)時(shí),其網(wǎng)側(cè)電壓!電流反相"進(jìn)一步研究表明,PWM變流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控,因而在風(fēng)力并網(wǎng)變流器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用圖2一5給出了三相電壓型PWM變流器的典型電路結(jié)構(gòu)"圖2一5中共有四個(gè)儲能元件,三個(gè)交流電感L和直流電容C,另外R表示功率開關(guān)管損耗等效電阻與交流電感及網(wǎng)側(cè)等效電阻之和,為PWM變流器交流側(cè)等效電阻"交流電感的主要作用為:隔離電網(wǎng)電動勢與變流器橋臂交流電壓,控制變流器交流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行;濾除交流電流諧波;儲能,實(shí)現(xiàn)變流器與電網(wǎng)傳遞無功功率;使變換器具有升壓變換(Boost)特性"直流電容的主要作用為:緩沖交

14、流側(cè)與直流負(fù)載之間的能量交換,穩(wěn)定直流電壓;使直流側(cè)具有電壓源特性,構(gòu)成電壓型PWM變流器;抑制直流側(cè)電壓諧波"根據(jù)PWM變換電路的原理,直流電壓由直流電壓閉環(huán)控制,橋臂中點(diǎn)電壓通過開關(guān)管的PWM模式控制,類似于同步電機(jī)勵(lì)磁電壓矢量的方向和幅值可控=.6"圖2一6表示電壓型PwM變流器的等效電路圖"根據(jù)正弦調(diào)制和載波比較技術(shù)對功率開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制,可以在橋臂交流側(cè)產(chǎn)生正弦調(diào)制的PWM電壓波形,如圖2-6所示"正弦調(diào)制PWM波含與調(diào)制波頻率相同且幅值成正比的基波分量和與載波相關(guān)的高頻諧波"這些高次諧波會產(chǎn)生電感電流脈動"忽略PWM高

15、次諧波,如下相量方程(2一1)式成立:其中E為電網(wǎng)電動勢相量,U,為橋臂交流電壓"!的基波分量的相量而夕表示線電流基波分量的相量"以電網(wǎng)電動勢為參考,控制橋臂交流電壓相量U!可以控制PWM變流器的運(yùn)行狀態(tài),使其不僅能工作于單位功率因數(shù)的整流或逆變狀態(tài),也可以根據(jù)需要發(fā)出超前或滯后的無功"圖2一7給出系統(tǒng)相量圖"圖2一7a)中U!超前E相角占,而電流夕超前云相角少"這里,90",其有功分量少;與云相位相反,電路工作在逆變狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了能量的回饋;同時(shí)電流無功分量了,超前E相角900,表明其具有超前的無功,呈現(xiàn)容性負(fù)載特性"圖(2

16、一7b)中U!滯后E相角占,而電流I滯后云相角中"這里價(jià)<90",其有功分量2"與云相位相同,電路工作在整流狀態(tài):同時(shí)電流無功分量I;滯后E相角900,表明其具有滯后的無功,呈現(xiàn)感性負(fù)載特性"實(shí)際上由于可以調(diào)節(jié)電流幅值的大小和電網(wǎng)電動勢與線電流之間的相位差,系統(tǒng)既可以控制交直流側(cè)有功功率的傳遞,又可以控制變流器從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無功功率,方便地實(shí)現(xiàn)了四象.限運(yùn)行"由此可見,要實(shí)現(xiàn)PWM變流器運(yùn)行狀態(tài)的控制,關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)線電流的調(diào)節(jié)"一方面可以通過控制橋臂交流電壓來間接控制網(wǎng)側(cè)電流(幅值相位控制);另一方面,也可以通過網(wǎng)側(cè)電流的閉

17、環(huán)調(diào)節(jié)直接控制變流器的網(wǎng)側(cè)電流"2.4三相電壓型PWM變流器的數(shù)學(xué)模型對控制對象的數(shù)學(xué)建模主要是為了提出相應(yīng)的控制策略,設(shè)計(jì)控制參數(shù)并分析系統(tǒng)的動!靜態(tài)特性"本節(jié)建立兩種數(shù)學(xué)模型:一般電路拓?fù)湓谌囔o止坐標(biāo)系(a-b一c)下的數(shù)學(xué)模型(包括低頻和高頻模型),兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d一q)下的數(shù)學(xué)模型"針對圖2一8所示的主電路圖,圖中ea,氣,ec為電源電壓,ia,心,i.為電源電流,嘰,嘰,嘰為整流前端輸出PwM電壓一幾為直流回路輸出電流,瓜為直流負(fù)載電流,紅為直流濾波電容輸入電流,呱為直流母線電壓,UN(,為圖中N點(diǎn)對O點(diǎn)的電壓,尺等效為開關(guān)損耗等效電阻和交流側(cè)電感電阻含量之和,凡.為直流側(cè)等效負(fù)載電阻,幾為直流側(cè)濾波電容值,e:為直流電動勢"各電壓電流量均為瞬時(shí)值,正方向如圖2一8所示"為了簡化分析作如下假設(shè)(l)交流三相電網(wǎng)為理想電壓源,即三相對稱!穩(wěn)定!內(nèi)阻為零;(2)三相回路等效電阻相等,均為尺;(3)各相電感相等,均為入;(4)忽略開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗;(5)忽略分布