雙饋風力發(fā)電機雙PWM變換器控制及實現

1、風為我控，引領未來風為我控，引領未來二九年九月十四日李 輝雙饋風力發(fā)電機雙雙饋風力發(fā)電機雙PWM變流器的控制及實現變流器的控制及實現風為我控，引領未來風為我控，引領未來主要內容主要內容一、雙饋發(fā)電一、雙饋發(fā)電機工作原理機工作原理二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲三、轉子側三、轉子側PWM變流器及對變流器及對DFIG控制控制四、網側四、網側PWM變流器及其控制變流器及其控制五、五、SVPWM變換技術原理變換技術原理六、雙六、雙PWM變流器的變流器的DFIG系統(tǒng)及設計系統(tǒng)及設計七、結論和討論七、結論和討論風為我控，引領未來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機

2、工作原理1.1.什么是雙饋發(fā)電機什么是雙饋發(fā)電機雙饋發(fā)電機雙饋發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator: DFIG)的基本的基本結構與繞線式感應電機類似，其定子側接電網，轉子上由變結構與繞線式感應電機類似，其定子側接電網，轉子上由變頻電源提供對稱交流電勵磁，且勵磁電壓的幅值、頻率、相頻電源提供對稱交流電勵磁，且勵磁電壓的幅值、頻率、相位、相序都可以根據要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機勵位、相序都可以根據要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機勵磁磁場的大小、相對轉子的位置和電機轉速。磁磁場的大小、相對轉子的位置和電機轉速。風為我控，引領未來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工

3、作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理2.2.雙饋發(fā)電機特點雙饋發(fā)電機特點具有較好的轉速適應能力，能實現變速恒頻發(fā)電具有較好的轉速適應能力，能實現變速恒頻發(fā)電具有獨立的有功、無功調節(jié)能力具有獨立的有功、無功調節(jié)能力具有深度進相運行能力具有深度進相運行能力具有良好的穩(wěn)定運行能力具有良好的穩(wěn)定運行能力12r風為我控，引領未來風為我控，引領未來亞同步轉速運行亞同步轉速運行(定、轉子電流同相序定、轉子電流同相序)同步轉速運行同步轉速運行超同步轉速運行超同步轉速運行(定、轉子電流反相序定、轉子電流反相序)一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理3.3.雙饋發(fā)電機運行狀態(tài)雙饋發(fā)電機運行狀態(tài)12r21ff1r20

4、f 1r1r調節(jié)輸入轉子的電調節(jié)輸入轉子的電流相序和頻率時，流相序和頻率時，雙饋電機便可以運雙饋電機便可以運行在亞同步、同步行在亞同步、同步及超同步狀態(tài)。及超同步狀態(tài)。21ff風為我控，引領未來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理4.4.雙饋發(fā)電機等效電路和穩(wěn)態(tài)方程雙饋發(fā)電機等效電路和穩(wěn)態(tài)方程風為我控，引領未來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理5.5.雙饋發(fā)電機能量流動關系雙饋發(fā)電機能量流動關系風為我控，引領未來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理5.5.雙饋發(fā)電機能量流動關系雙饋發(fā)電機能量流動關系風為我控，引領未

5、來風為我控，引領未來一、雙饋發(fā)電機工作原理一、雙饋發(fā)電機工作原理5.5.雙饋發(fā)電機能量流動關系雙饋發(fā)電機能量流動關系發(fā)電機轉子能量是在電網和電機之間雙向流動的，這也是雙饋發(fā)電機轉子能量是在電網和電機之間雙向流動的，這也是雙饋發(fā)電機中發(fā)電機中“雙饋雙饋”的本質的本質。此外，接轉子回路的變流器，即發(fā)。此外，接轉子回路的變流器，即發(fā)電機轉子勵磁的電源必須是一個能量能夠電機轉子勵磁的電源必須是一個能量能夠雙向流動的變流器雙向流動的變流器。風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲1.1.雙饋發(fā)電機用變流器的要求雙饋發(fā)電機用變流器的要求網側變流器要求轉子

6、側變流器要求風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲1.1.雙饋發(fā)電機用變流器的要求雙饋發(fā)電機用變流器的要求風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲2.2.雙饋發(fā)電機用變流器的形式雙饋發(fā)電機用變流器的形式兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器多電平雙多電平雙P W M 變流器變流器 晶閘管相控交交直接變流器晶閘管相控交交直接變流器矩陣式雙矩陣式雙PWM變流器變流器鉗位諧振雙鉗位諧振雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要

7、求及拓撲兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器由兩個完全相同的兩電平電壓型三相由兩個完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過直變流器通過直流母線連接而成，通常為背靠背變流器，英文為流母線連接而成，通常為背靠背變流器，英文為back-to-back PWM converter由于在雙饋風力發(fā)電運行中，兩個變流器的工作狀態(tài)時刻由于在雙饋風力發(fā)電運行中，兩個變流器的工作狀態(tài)時刻發(fā)生變化，因此通常不按整流或逆變來區(qū)分，而是按照其發(fā)生變化，因此通常不按整流或逆變來區(qū)分，而是按照其位置稱為位置稱為轉子側變流器轉子側變流器和和網側變流器網側變流器。風為我控，引領未來風為我控，引領未來兩電平電壓型雙

8、兩電平電壓型雙PWM變流器變流器二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲風為我控，引領未來風為我控，引領未來兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器網側網側PWM變流器任務變流器任務風為我控，引領未來風為我控，引領未來轉子側轉子側PWM變流器任務變流器任務兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來雙雙PWM變流器運行狀態(tài)變流器運行狀態(tài)兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來優(yōu)點優(yōu)點兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙P

9、WM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來優(yōu)點優(yōu)點兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來優(yōu)點優(yōu)點兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器Voltage and currents風為我控，引領未來風為我控，引領未來缺點缺點兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器 中間直流側電壓的波動。如果增加直流母線電容值，電容體積龐中間直流側電壓的波動。如果增加直流母線電容值，電容體積龐大，隨著時間的增加電容值減少，影響壽命。目前通常采用功率平衡大，隨著時間的增加

10、電容值減少，影響壽命。目前通常采用功率平衡控制方式來解決?？刂品绞絹斫鉀Q。風為我控，引領未來風為我控，引領未來缺點缺點兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器 中間直流側電壓的波動。如果增加直流母線電容值，電容體積龐中間直流側電壓的波動。如果增加直流母線電容值，電容體積龐大，隨著時間的增加電容值減少，影響壽命。目前通常采用功率平衡大，隨著時間的增加電容值減少，影響壽命。目前通常采用功率平衡控制方式來解決。控制方式來解決。風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲多電平雙多電平雙P W M 變流器變流器為了滿足風力發(fā)電對高壓、大功率和高品質

11、變流器的需求，多電平變流技術得到廣泛應用。采用多電平變流技術后，可以在常規(guī)功率器件的耐壓基礎上，提高電壓等級，獲得更高級（臺階）的輸出電壓，使波形更接近正弦。諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。典型的多電平拓撲結構有：二極管箝拉型、飛越電容型，級聯H橋型、混合箝拉型等。隨著電平數增加，箝拉器件的數目也增加，導致系統(tǒng)實現困難。通常以三電平、五電平變流應用居多。風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲三電平雙三電平雙P W M 變流器形式變流器形式風為我控，引領未來風為我控，引領未來二極管箝位三電平雙二極管箝位三電平雙P W M 變流

12、器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來當由于功率器件的容量受制造水平的限制時，多電平變流器最主要的優(yōu)點是能夠實現較大容量的電能轉換。和兩電平相比：三電平變換器輸出三個電壓等級，減小了波形的諧波含量；在相同直流母線電壓下，輸出的dv/dt 減小了一半，同時也有利于電機或濾波器的絕緣和安全運行，降低了濾波器的設計難度。三電平變換器主電路中的每個開關器件僅承受一半的直流側電壓，且無需動態(tài)均壓電路，開關損耗小，為兩電平的25%。中點箝位三電平雙P W M 變換器成為目前最為適合在高壓大容量場合的雙P W M 電路拓撲結構。目前在2MW以上的風電機組中已采用。優(yōu)點優(yōu)點二極管箝位三電平雙二極管箝位三

13、電平雙P W M 變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來和兩電平相比：功率器件和電容增加1倍，額外增加了箝位二極管。整流側由兩個完全一樣的電容串聯而成。電容中點作為變流器的箝位點，由網側變流器保持直流側兩個電容的電壓均衡。如果電平數超過三，一般會出現電壓平衡問題。( 電容值、死區(qū)時間和負載不平衡)缺點缺點二極管箝位三電平雙二極管箝位三電平雙P W M 變流器變流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來二極管箝位三電平雙二極管箝位三電平雙P W M 變流器變流器Voltage and currents風為我控，引領未來風為我控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及

14、拓撲變流器比較及發(fā)展趨勢變流器比較及發(fā)展趨勢主功率元器件數量：盡管交-交變流器和矩陣變流器無需中間直流環(huán)節(jié)，但是主功率器件比兩電平變流器多。電壓型兩電平雙PWM變流器具有優(yōu)勢。兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器多電平雙多電平雙P W M 變流器變流器晶閘管相控交交直接變流器晶閘管相控交交直接變流器矩陣式雙矩陣式雙PWM變流器變流器鉗位諧振雙鉗位諧振雙PWM變流器變流器電壓傳輸比：電壓型PWM變流器高。效率：諧振變流器高，其次是多電平。諧波和濾波問題：多電平最好。對電網故障適應能力：無中間環(huán)節(jié)，輸出和輸入直接耦合，因此有中間環(huán)節(jié)的變流器具有較好的故障適應能力。風為我控，引領未來風為我

15、控，引領未來二、雙饋用變流器的要求及拓撲二、雙饋用變流器的要求及拓撲變流器比較及發(fā)展趨勢變流器比較及發(fā)展趨勢控制復雜程度：兩電平變流器方案簡單、可靠，技術最成熟。轉子側：電氣傳動領域的電壓型PWM逆變器控制；網側：PWM整流器。兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器變流器多電平雙多電平雙P W M 變流器變流器晶閘管相控交交直接變流器晶閘管相控交交直接變流器矩陣式雙矩陣式雙PWM變流器變流器鉗位諧振雙鉗位諧振雙PWM變流器變流器主電路實現的難易度和成熟度：最易實現的是兩電平變流器，其次是多電平變流器。目前2MW以下都采用的兩電平變流器方式；同樣額定功率器件采用多電平方式可應用到大功率場合，2

16、MW以上通常采用，已有商品化模塊。兩電平電壓型雙兩電平電壓型雙PWM變流器是雙饋用最具有優(yōu)勢的一種變變流器是雙饋用最具有優(yōu)勢的一種變流器，而多電平和軟開關的結合將是雙饋風電機組變流器的流器，而多電平和軟開關的結合將是雙饋風電機組變流器的發(fā)展趨勢。發(fā)展趨勢。風為我控，引領未來風為我控，引領未來三、轉子側三、轉子側PWM變流器及對變流器及對DFIG控制控制1. 轉子側轉子側PWM變流器功能變流器功能雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制主要是對DFIG的控制雙PWM轉子側變流器對DFIG實現有效控制，決定運行性能網側PWM變流器功能獨立，控制直流母線電壓穩(wěn)定和好的輸入特性。風為我控，引領未來風為我控，引領未來三、轉

17、子側三、轉子側PWM變流器及對變流器及對DFIG控制控制2. 轉子側變流器控制目標轉子側變流器控制目標通過對DFIG轉速或有功功率控制，實現最大風能追蹤和功率控制對DFIG定子輸出無功功率的控制DFIG有功、無功功率和轉子電流密切相關雙PWM轉子側變流器對其電流控制DFIG是控制對象，轉子側變流器是控制指令的執(zhí)行者風為我控，引領未來風為我控，引領未來三、轉子側三、轉子側PWM變流器及對變流器及對DFIG控制控制3. 轉子側變流器控制思路轉子側變流器控制思路轉子側變流器控制應以DFIG的數學模型為基礎來設計DFIG三相坐標系下的數學模型為高階、非線性系統(tǒng)借助坐標變換，應用矢量控制技術，將轉子電流

18、分解為有功和無功分量，實現DFIG的有功和無功的解耦控制，實現其控制目標。坐標變換原理、DFIG數學模型推導在下一步算法開發(fā)中詳細進行介紹風為我控，引領未來風為我控，引領未來三、轉子側三、轉子側PWM變流器及對變流器及對DFIG控制控制4. 電網電壓恒定下電網電壓恒定下DFIG簡化電壓方程簡化電壓方程并網DFIG的電壓幅值、頻率和相位恒定定子磁鏈恒定，即忽略定子勵磁電流的動態(tài)過程PI調節(jié)參數設計依據可控量是轉子電壓、直接被控的對象是轉子電流。轉子電壓和電流是矢量控制環(huán)設計的基礎。不同的矢量定向就有不同的控制方案。常用的定子磁鏈和定子電壓定向。消除交叉耦合補償項依據風為我控，引領未來風為我控，引

19、領未來DFIG定子磁鏈定向控制定子磁鏈定向控制通常采用低通濾波器代替純積分器。定子磁鏈觀察器算法風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子磁鏈定向控制定子磁鏈定向控制采用定子磁鏈定向后，實現了DFIG定子有功和無功功率解耦。風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子磁鏈定向控制定子磁鏈定向控制轉子電流閉環(huán)設計轉子電流閉環(huán)設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子磁鏈定向控制定子磁鏈定向控制轉子電流閉環(huán)設計轉子電流閉環(huán)設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制采

20、用定子電壓定向后，實現了DFIG定子有功和無功功率解耦。風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制轉子電流閉環(huán)設計轉子電流閉環(huán)設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制轉子電流閉環(huán)設計轉子電流閉環(huán)設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制DFIG的功率控制的功率控制風為我控，引領未來風為我控，引領未來DFIG定子電壓定向控制定子電壓定向控制風為我控，引領未來風為我控，引領未來四、網側四、網側PWM變流器及其控制變流器及其控制1. 網側網側PWM變流器實際是三相電壓型變流器實際是三相電壓

21、型PWM整流器整流器風為我控，引領未來風為我控，引領未來2. 雙饋用雙雙饋用雙PWM變流器關系變流器關系風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. 網側變流器的數學模型網側變流器的數學模型風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. 網側變流器的數學模型網側變流器的數學模型網側變流器可看做是可控的三相交流電壓源。單位功率因數整流運行單位功率因數逆變運行非單為功率因數運行當直流側電壓恒定時,通過PWM控制，可調節(jié)變流器輸入電壓ur幅值、相位，從而調節(jié)輸入電流大小及其和電網電壓相位。風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. 網側變流器的數學模型網側變流器的數學模型風為我控，引領未來風為我控，引領未來3.

22、 網側變流器的數學模型網側變流器的數學模型風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. 網側變流器的數學模型網側變流器的數學模型每相輸入電流均由三相開關函數共同控制，強耦合的高階非線性系統(tǒng)，需要進行坐標變換。風為我控，引領未來風為我控，引領未來4. 同步旋轉坐標下的網側變流器數學模型同步旋轉坐標下的網側變流器數學模型風為我控，引領未來風為我控，引領未來5. 網側變流器功率流網側變流器功率流風為我控，引領未來風為我控，引領未來5. 網側變流器功率流網側變流器功率流風為我控，引領未來風為我控，引領未來5. 網側變流器功率流網側變流器功率流風為我控，引領未來風為我控，引領未來6. 網側變流器控制技術網側

23、變流器控制技術風為我控，引領未來風為我控，引領未來6. 網側變流器控制技術網側變流器控制技術凡是用于PWM逆變器供電的交流電機的控制方法，大都可以用于網側PWM變流器的控制。電流內環(huán)的控制方法,如預測控制、非線性控制、直接功率控制等。風為我控，引領未來風為我控，引領未來7. 基于電網電壓定向的網側變流器控制基于電網電壓定向的網側變流器控制風為我控，引領未來風為我控，引領未來7. 基于電網電壓定向的網側變流器控制基于電網電壓定向的網側變流器控制風為我控，引領未來風為我控，引領未來風為我控，引領未來風為我控，引領未來7. 瞬時功率直接反饋的網側變流器控制瞬時功率直接反饋的網側變流器控制風為我控，引

24、領未來風為我控，引領未來五、五、SVPWM變換技術原理變換技術原理1. PWM技術概述技術概述所謂PWM(Pulse Width Modulation)技術，就是在交流傳動中利用半導體器件的開通和關斷把直流電壓變?yōu)橐欢ㄐ螤畹碾妷好}沖序列，以實現變頻、變壓，以實現有效控制和消除諧波的一門技術?？刂萍夹g：正弦PWM；優(yōu)化PWM；隨機PWM實現方法：模擬式和數字式控制特性：開環(huán)式和閉環(huán)逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，諧波成分少；電流波形受負載電路參數的影響。經典的SPWM 電流跟蹤控制 電壓空間矢量控制SVPWM輸出電流是否按正弦變化。跟蹤圓形旋轉磁場來控制PWM電壓，磁鏈跟蹤控制。而磁鏈軌跡通過電壓

25、空間矢量相加得到風為我控，引領未來風為我控，引領未來2. SVPWM技術優(yōu)點技術優(yōu)點五、五、SVPWM變換技術原理變換技術原理風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. SVPWM技術原理技術原理風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. SVPWM技術原理技術原理不同開關組合的交流側電壓可用一個模為2/3Vdc的空間電壓矢量在復平面表示。8個開關狀態(tài)對應8個基本輸出電壓空間矢量，其中2條為0矢量。對于任意給定的電壓空間矢量V*，均可用其8條基本電壓空間矢量合成。風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. SVPWM技術原理技術原理6個基本電壓電壓矢量端點的運動軌跡是一個正六邊形利用8個基本電壓的矢

26、量的線性組合，獲得和基本空間矢量相位不同的電壓空間矢量，構成等幅不同相的電壓空間矢量，逼近圓形磁場(SVPWM特點)。任意電壓參考矢量可以由該矢量所在扇形區(qū)域的兩邊電壓矢量合成。風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. SVPWM技術原理技術原理確定每個電壓矢量的作用時間確定每個電壓矢量的作用次序。風為我控，引領未來風為我控，引領未來4. SVPWM實現實現DSP硬件配合軟件產生(死區(qū)和零矢量集中插入方式)純軟件方式參考電壓矢量所在扇區(qū)各矢量作用的時間7段式電壓空間矢量PWM波，其中3段零矢量4段非零矢量， 3段零矢量位于PWM波的開始、中間和結尾。一個PWM周期，每個橋臂動作兩次。風為我控，

27、引領未來風為我控，引領未來4. SVPWM實現實現將參考電壓兩投影到兩相坐標系確定參考電壓向量所在的扇區(qū)計算該扇區(qū)兩個相鄰相量和零相量個自所占的時間給三個全比較單元的比較寄存器分別賦值成。風為我控，引領未來風為我控，引領未來5. SVPWM仿真仿真全控橋輸出相電壓0,1/3Vdc和2/3Vdc電壓脈沖風為我控，引領未來風為我控，引領未來六、雙六、雙PWM變流器的變流器的DFIG系統(tǒng)及設計系統(tǒng)及設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來1. 雙雙PWM控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)硬件設計風為我控，引領未來風為我控，引領未來1. 雙雙PWM控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)硬件設計風為我控，引領未來風為我控，引領

28、未來1. 雙雙PWM控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)硬件設計由于實驗系統(tǒng)功率小，網側和機側變流器的功率器件都采用日本三菱公司的智能模塊IPM，集成了驅動和保護電路，如PM100CSA060和PM150CVA060等。六合一封裝形式，內部含六只獨立的IGBT。通常只需要PN引入直流側，UVW引入交流側。除了自身保護外，在DSP程序中也設置保護。風為我控，引領未來風為我控，引領未來2. 網側網側PWM控制硬件結構控制硬件結構風為我控，引領未來風為我控，引領未來3. 雙雙PWM控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)軟件設計軟件結構：模塊化主程序和各種中斷服務程序。軟件體系具有5個優(yōu)先等級，其中定時器中斷是實現DFIG實時控制任務，是軟件核心。主程序執(zhí)行狀態(tài)顯示，可被任何使能的中斷打斷。風為我控，引領未來風為我控，引領未來初始化變量，屏蔽中斷，封鎖觸發(fā)脈沖，通過反并聯二極管給直流側電容充電，充電后才開始進行PWM控制。風為我控，引領未來風為我控，引領未來DS