变速恒频双馈风力发电系统双PWM变换器毕业论文.docx
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变速恒频双馈风力发电系统双PWM变换器毕业论文
毕业论文
变速恒频双馈风力发电系统双PWM变换器
1、摘要2
2、变速恒频双馈风力发电变换器概述3
2.1研究背景3
2.3创新点4
2.4技术领域4
2.5技术优势5
2.6技术关键和主要技术指标6
2.7使用说明书7
3、变速恒频双馈风力发电系统网侧变换器控制12
3.1基于Pi控制器的电网电压定向控制12
3.1.1网侧变换器数学模型12
3.1.2控制系统构成14
3.1.3仿真与结果分析15
3.2网的变换器PR控制17
3.2.1PR控制器17
3.2.2PR控制系统构成19
3.2.3仿真与结果分析20
4.变速恒频双馈风力发电系统转子侧变换器控制25
4.1基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制25
4.1.1双馈电机控制系统构成26
4.1.2仿真与结果分析27
4.2自适应PR控制29
4.2.1自适应PR控制系统构成30
4.2.2无静差理论验证31
4.2.3仿真与结果分析32
5、应用前景和适用范围36
5.1应用前景36
5.2适用范围37
6附件38
1、摘要
变速恒频双馈风力发电系统具有变速运行范围宽、系统运行效率高、功率变换器容量小、成本低等优势，在风力发电系统中得到了广泛的应用。
在该系统中，转子交流励磁变换器的控制是关键。
本文的研究工作主要是围绕着变速恒频双馈风力发电系统双PWM变换器的控制展开．
在对网侧变换器的研究中，通过分析网侧变换器数学模型和PR控制器特性，提出了网侧变换器PR控制策略，与传统的双闭环PI控制相比，该策略能够充分发挥PR控制器在静止坐标系下实现交流输入信号无稳态误差的特点及其在谐波补偿方面的优势，无需坐标旋转变换，省去易受温度及电路参数影响的耦合项及前馈补偿项，从而减小了控制算法的实现难度，提高了控制系统的鲁棒性，并且有利于电能质量的改善；在对转子侧变换器的研究中，针对基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制策略下系统控制性能易受电机参数影响的问题，提出了自适应PR控制策略。
在此基础上，对1.5MW变速恒频双馈风力发电机组自适应PR控制系统的性能进行了仿真验证．
此外，为解决变速恒频双馈风力发电系统运行中转子侧功率的频繁变化所引起的直流母线电压波动剧烈等问题，对双PWM变换器协调控制进行了研究，提出了一种双PWM交换器联合控制策略一负载电流前馈控制，并进行了仿真研究。
结果表明，该策略能够有效抑制直流母线电压波动，有利于降低电解电容的容量，提高机组的可靠性。
关键字：
变速恒频；风力发电；双PWM变换器；PR控制
2、变速恒频双馈风力发电变换器概述
2.1研究背景
当前，人类发展所共同面临的两大问题：
一是能源枯竭，如煤炭枯竭、石油和天然气等常规能源储量日益减少；二是生态坏境的恶化。
基于上述的两大问题，开发和利用可再生无污染能源对人生存环境的改善意义重大，人们开始把目光投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。
如果把全世界风能理论蕴藏量的百分之一用于发电，即可为当今世界经济发展提供强大的动力支持。
风能是最清洁的能源之一，风力发电是大规模利用风能最经济的方式。
地球上的风能大大超过水流的能量，也大于固体燃料和固体燃料的总和。
目前世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。
因此，国内外都很重视风能的开发利用。
在这种大环境中，为了提高风力发电转换的效率，本团队研发了“变速恒频双馈风力发电变换器”。
2.2设计目的和基本思路
设计目的：
随着风电机组容量的不断增大，提高机组运行效率成为风力发电技术研究的重要内容。
可实现最大风能追踪的变速恒频双馈风力发电系统成为研究开发的热点——变速恒频双馈风力发电变换器应运而生，为风力发电提供更加可靠的保障。
基本思路：
本变换器以双PWM变换为基本原理，包括网侧变换器的常规矢量控制和PR控制、转子侧变换器的常规矢量控制和自适应PR控制以及双PWM变换器联合控制，并分别进行了仿真分析和验证。
2.3创新点
·采用矢量控制技术
·多重化PWM控制技术
·无源整流与PWM整流可选
·采用DSP作为核心控制芯片，具有较高的实时性
·压接工艺的IBGT技术，有效抗振动
·变换电路与控制电路独立设计，完全隔离，绝缘等级高，操作安全
·主动的无功控制，可以根据需求进行超前或滞后补偿
·高效率，本产品具有>96%的变换效率
·零冲击并网，自动软并网和软解列控制
·随机风速下的电功率平滑控制
2.4技术领域
风力发电，是面向未来最清洁能源之一。
变速恒频双馈风力发电变流器，是为风力发电机与电网之间建立的桥梁和纽带，它是一种将多变的风力电能变换成稳定的电能馈入电网的装置。
同时，它可以为同类发电系统提供稳定高效的变流作用。
此装置必将有广阔的应用空间。
2.5技术优势
1.三相电压型PWM变换器是三相变换器中最常用的一种，因此，关于它的研究是最充分的，控制技术是最成熟的，相关的文献和可利用的资料最多。
2。
许多功率器件的生产商专门针对这种结构的变换器设计了功率模块，并已大批量生产。
因此，与需要特殊设计的功率器件的其它形式的变换器相比较，功率器件的成本会节省很多。
3.其主电路简单，性能可靠，有现成的控制方案可供借鉴，硬件、软件的开发周期短。
4.在这种交一直一交的结构中，两个变换器之间的直流母线电容使两个变换器实现了解藕，这使得两个变换器可以独立地分开控制而不会相互千扰。
如果电网侧出现轻度故障时，可以通过有效地控制网侧PWM变换器保持直流母线电压不变，这样不至于影响转子侧变换器的控制，反之，DFIG转子出现不正常运行的情况，只需要通过对转子侧的有效控制即可，对网侧PWM变换器而言只是相当于一个负载扰动。
这种结构使得这种变换器自身具有对电网故障有较强的适应能力。
5.由于这种变换器的网侧变换器采用的是Boost升压电路，所以，只要选取合适的电路参数，直流母线电压可以达到很大，但实际上往往根据器件的容量、耐压、DFIG运行要求及整个系统的损耗等因素综合决定直流母线电压的大小。
所以电压型双PWM变换器的电压传输比高，对转子侧输出电压的控制能力强，这是DFIG在电网故障下不间断运行所希望的。
2.6技术关键和主要技术指标
技术关键：
交直交变速恒频双馈风力发电系统具有良好的动态和静态性能，其系统输入输入功率因素可调，可以有效地控制和调节发电机输出电功率，并且可以避免发电机并网和解列过程对电网和风轮机造成电气与机械冲击，尤其适合于功率超过兆瓦的大型风力发电装置。
主要技术指标：
·额定功率1250kW；功率因数从0.97感性到0.9容性；
·无功功率545kVA；额定转速1100rpm；
·额定电压690V±10％；
·电网频率50Hz±1Hz；
·直流电压：
1100V；最大功率：
1610（10s）;
·650ms时间内电压下陷至额定电压的60％，由变换器控制调节，不停机；
·控制方式：
采用全数字化控制；
·电磁兼容性能：
可抗2000V脉冲干扰；
·加热装置：
有；冷却方式：
水冷；
·绝缘标准：
GB3859/93。
2.7使用说明书
产品用途
用于带齿轮箱的交流励磁双馈风力发电系统。
为双馈风力发电用型
采用PWM整流＋PWM逆变方式，电压等级400V、690V，适合发电机
组功率从600kW到5MW。
基本原理
双馈发电机在结构上与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直交变流器向发电机的转子供电，提供交流励磁电流。
通过变流器的功率仅为电机的转差功率，功率变流器将转差功率回馈到转子或者电网，双馈电机的交直交功率变流器由于只通过转差功率，其容量仅为电机额定容量的1/3，因此大大降低了并网变流器的造价，网侧和直流侧的滤波电感、支撑电容都相应缩小，电磁干扰也大大降低，也可方便地实现无功功率控制。
应用环境
变速恒频双馈风力发电变换器，可广泛应用于平原风电场、高原风电场、近海风电场等环境，具备较强的防尘、防湿、防盐雾能力。
能够适应长距离输配电的要求，具有较低的谐波污染，更不会对电网产生共振。
·应用在平原或高原风电场
·应用在岛屿和近海岸风电场
·应用在高温或高寒风电场
主要技术特征
·额定功率1250kW；
·功率因数从0.97感性到0.9容性；
·无功功率545kV·A；
·额定转速1100rpm；
·额定电压690V±10％；
·电网频率50Hz±1Hz；
·直流电压：
1100V；最大功率：
1610（10s）;
·650ms时间内电压下陷至额定电压的60％，由变换器控制调节，不停机；
·控制方式：
采用全数字化控制；
·电磁兼容性能：
可抗2000V脉冲干扰；
·加热装置：
有；冷却方式：
水冷；
·绝缘标准：
GB3859/93。
使用和操作
1.准备工作
在外界环境条件下采取相应措施
散热（Cooling）
功率模块必须采用水冷散热结构，并满足以下条件：
_·冷却介质水/乙二醇比率取60/40到80/20
·_流率满足每分钟39升
_·标称压力1.5bar（Pa）
_·最大工作压力3bar
_·压力损失△p最大0.8bar（39升/分钟，20℃）
·在没有功率减小的情况下，水入口温升可达35℃
_·水入口温升到36℃～38℃时，系统总功率250kW
_·水入口温升到39℃～41℃时，系统总功率150kW；从42℃起，变换器被切除；
·_IGBT模块部分应具有自动温度保护装置，当监控到温度异常时，需采取相应的措施。
_·当冷却液温度上升到45℃以上且没有降低趋势时，需要启用备用冷却液储罐。
加热（Heating）
·为了使IGBT模块热应力最小，与变换器功率部件相连部分的冷却循环系统被电加热。
·这样就能够保证变换器只在冷却介质温度高于5度时被激活。
它的控制与监视由WEC控制（部分）进行。
·开关柜内也需安装加热回路，以保证在潮湿环境和机舱环境温度低于-20℃条件下设备正常运行。
2.使用操作
（一）、显示器显示：
__·读出警告和错误信息
__·读出运行计时器数据
__·显示和调整负载特征曲线
__·显示测试和设置点数据：
__·电网电压
__·发电机电压
__·内部电路电压
__·发电机电流
__·速度
__·电网功率
__·时间和日期的改变
（二）测试
以下是必须测试项目：
__·绝缘电阻测量，根据DIN，VDE标准
__·接地电阻测量，根据DIN，VDE标准
__·冷却介质导管压力测试，最小3.5bar
__·测量变换器损耗。
其中电网侧变换器、发电机侧变换器以及电网或（和）发电机扼流器损耗曲线应分别用图表描述。
__·测量系统在额定负载和一半额定负载情况下的谐波
__·变换器从10分钟内两次最大功率变为10秒钟内两次
__·测量功率模块工作前后的温度偏差
_·测量实际功率输出与特征曲线之间的调节偏差
__·测量速度变化时速度调节量
__·测量单位功率因数时的无功功率
_·_检查在系统容差范围内不同速度下变换器的关机和重启情况
_·_在指定范围内仿真快速电压变化
__·电压窗模拟，（60％Un，最大650ms）
__·用户界面测试，以及查询功能测试
__错误情况下的测试：
_·_部分负载和正常负载时的电压失效
__·部分负载和正常负载时的电网监测继电器释放
__·在超同步和亚同步状态的转子短路
__·位置编码器失效
__·电网两相短路
__·电网三相短路
__·散热能力下降
_·_检查内部配线和设备
__·检查工作设备和线标记
__·至少1/4正常负载下的功能测试
__·电路断路器功能测试
__·电网监测继电器功能测试
__·电线电缆连接点扭矩测试
3、变速恒频双馈风力发电系统网侧变换器控制
在变速恒频双馈风力发电系统中，双馈发电机的转子通过爽PWM变换器进行励磁，实现风电机组风能捕获和定子输出功率的调节。
其中网侧变换器在能量双向传递的过程中担负着维持直流母线电压稳定以及调节网侧的功率因数的控制人物，确保整个风力发电系统功率的灵活调节。
由于PR控制器能在静止坐标下对交流信号进行无稳态误差调节并且易于实现低次谐波补偿，将其引入到双馈风力发电系统网侧变换器电流调节之中，无需坐标旋转变换即可实现对交流输入信号的无稳态误差跟踪，而且不存在耦合项和前馈补偿项，不依赖系统参数的精确估计，能够提高系统控制的鲁棒性喝电能质量。
3.1基于Pi控制器的电网电压定向控制
3.1.1网侧变换器数学模型
网侧变换的拓扑结构图如图3-1所示。
图3-1网侧变换器拓扑结构
图中，ea、eb、ec为交流侧三相电压源；ia、ib、ic为三相交流侧电流：
Vdc为直流测电压；L和RL分别为尽显电感及其等效电阻；Cdc为直流滤波电容；O为电网中点；N为输出滤波电容的中点；同时将转子侧和双馈点击看作直流侧负载，iL为负载电流，即流向转子侧变换器电流。
假设电网三相电压对称稳定，并且不考虑器件换相所需要的时间，网侧变换器的数学模型为
（3-1）
式中VNO为N、O两点电压；Si为开关函数，其表达式为
经坐标变换，可得同步旋转坐标系下的模型为
（3-2）
由上式可以看出，d、q轴电流除受控制电压量vd、vq影响外，还受耦合项wLiq、wLid和电网电压扰动Ed、Eq的影响。
单独对d、q轴电流作反馈无法清除d、q轴之间的电流耦合，鼻血利用状态反馈实现d、p轴电流间的解耦。
3.1.2控制系统构成
电网电压定向于d轴后，Eq=0代入式（3-2），则
（3-3）
由于可建立基于Pi控制器的电网电压定向矢量控制系统结构，如图3-2所示。
图3-2网侧变换器Pi控制系统
图中，电压反馈控制为外环，电流反馈和电流Pi调节构成内环。
为实现d、q轴电流的解耦，提高系统的抗扰动能力，图中引入了电流状态反馈和电网电压作为前馈补偿。
3.1.3仿真与结果分析
在Matlab/Simulink平台搭建了图3-2所示的控制系统，并进行了仿真研究。
主要参数为：
电网额定电压为220V；额定功率为50Hz；进线电感及等效电阻分别6mH、0.01Ω；直流母线电容为2.4mF。
假设iq*在1s时发生阶跃变化，由0变为-10A，直流母线电压Vdc*恒定为550V，仿真结果图3-3所示。
（a）直流母线电压
（b）直流响应
（c）电网相电压和相电流
图3-3网侧变换器Pi控制系统仿真
图中，图3-3（a）为直流母线电压波形，可以看出直流母线电压的到了很好的调节，且在ip*阶跃变化时，未对直流母线电压的稳定调节造成影响；图3-3（b）为电流id和iq响应波形，可以看出电流内环有较快的动态响应，对iq独立控制时，不影响id（Vdc）的调节，进而可对系统的无功功率独立调节；图3-3（c）为电网相电压和相电流波形，可以看出，1s以前系统工作在单位功率因数状态。
仿真结果表明，网侧变换器赛用基于Pi控制器的网侧电压定向矢量控制策略时，能够获得较好的控制性能。
3.2网的变换器PR控制
3.2.1PR控制器
PR控制器由比例和广义积分（Gi）环节组成，其传递函数为
（3-4）
式中Kp、Ki分别为比例常数和积分时间常数；௰0为谐振频率。
图3-4为PR控制器的波特图，其中Kp=1，Kf=100，௰0=50*2πrad/s。
图3-4PR控制器的波特图
由图中可以看出，在角频率௰0周围相当窄的频率带对应的幅值增益远高于其他频率处的幅值增益。
当给定交流信号的角频௰0时，s=j௰0，代入式（3-4）可得，GPR的幅值变得无限大，即可实现交流输入信号的无稳态误差跟踪。
这样只需要设置௰0为电网电压的基波角频率即可对网侧变换器电流可进行控制。
修改式（3-4）广义积分项中的௰0为h·௰0（h=3,5,7）可得谐波补偿项
（3-5）
由于这些谐波补偿项只对频率在h·௰0附近的信号响应，所以可在PR控制器基础上叠加某次谐波的补偿项，即可实现对h次谐波的补偿，并且在电网电压不平衡时，可同时对正负序谐波进行补偿。
为了便于PR控制器在数字系统中的离散化实现，将广义积分项分解为两个简单的积分环节
（3-6）
上式可由图3-5所示框表示，广义积分项分解为两个简单积分环节，使得PR控制器的数字实现更加容易。
图3-5广义积分项分解示意图
3.2.2PR控制系统构成
图3-6为网侧变换器PR控制系统的结构。
图3-6网侧变换器PR控制系统
由图中可以看出，只需要将检测得到的三相交流电流化到两相静止坐标系下，与给定信号的偏差作为PR控制的输入，PR控制器的输入，PR控制器的输出为电压控制指令，该指令电压空间矢量脉宽调节（SVPWM）后生成开关信号送到变换器主电路，产生实际所需的交流控制电压，使电流跟随参考值变化。
与双闭环Pi控制策略对比可以看出，网侧变换器PR控制方式省去了电流及电压控制指令的左边旋转变换，省去了耦合项௰Liq、௰Lid和前馈补偿项Ed，从而消除了电流参数和电网电压对系统控制的影响，减小控制算法实现的难度提高系统鲁棒性。
3.2.3仿真与结果分析
1）PR控制系统网侧变换器功能实现
图3-7为网侧变换器控制下的电流响应波形。
（a）参考电流和反馈电流
（c）电流误差
图3-7PR控制下的电流响应
有图中可以看出，电流反馈值能够迅速跟踪参考值的变化，实现对电流内环给定电流的跟踪控制。
仿真中令无功电流给定iq*=0，得到图3-10所示电网相电压和相电流波形
图3-8PR控制下的电网电压和电流
由图中可以看出，电网电流波形为正弦且电压、电流相位一致，实现了网侧变换器输入电流正弦和功率因数调节的控制任务。
依照图3-6所示的控制系统，直流侧电压给定值Vdc*=550V，仿真得到的直流母线电压波形如图3-9所示。
图3-9PR控制下的直流母线电压
由图中可以看出，之母线电压短暂调节后达到稳定，实现了网侧变换器直流电压稳定的控制任务。
2）PR控制器谐波补偿性能
为验证PR控制系统中的谐波补偿优势，分别对不含谐波和带有补偿两种情况进行仿真。
取不含谐波补偿的稳态电网电流，并对其进行FFT分析，得到图3-10所示的电流和频谱。
（a）电网电流
图3-10不换谐波补偿的PR控制系统电网电流及其频谱
由图中可以看出，电网电流波形有一定的畸变，并且所含的3、5、7次谐波进行补偿，得到图3-11所示的电流和频谱。
图3-11PR控制下的直流母线电压
与图3-10对比可以看出，翻涌谐波补偿后，电流畸变减小且3、5、7次谐波得到了较好的抑制。
4.变速恒频双馈风力发电系统转子侧变换器控制
在双PWM变换器中，网侧变换器的主要功能是控制直流电压的稳定和获得良好的输入性能，不直接参与对双馈电机乃至整个风力发电系统的控制。
双馈电机以及整个风力发电系统都是通过转子侧变换器来实现的。
因此转子侧变换器的控制有效与否直接决定了整个变速恒频双馈风力发电系统的性能。
由于转子侧变换器的控制任务主要是实现对双馈电机的有功、无功功率的解耦控制，所以下面驻澳围绕双馈电机解耦控制进行展开，对目前常用的基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制及自适应PR控制策略进行说明。
同时对1.5MW的风力发电机组进行仿真。
4.1基于PI控制器的定子磁链定向矢量控制
由于双馈电机具有高阶、非线性、强耦合的特点，直接对其进行控制难度很大。
通过矢量变换可简化电机内部各变量间的耦合关系，简化了控制，理论上可以使交流电机在某些方面具有和直流电机一样的控制效果。
在双馈电机中，共有七个基本矢量：
定子电压、转子电压、定子电流、转子电流、定子磁链、转子磁链和气隙磁链。
选择不同的矢量定向，将会获得不同的控制效果。
变速恒频风力发电系统中常用的定向矢量有气隙磁链矢量、定子电压矢量、定子磁链矢量。
当采用气隙矢量定向时，电机的端电压矢量与参考轴之间会有一定的相位差，电流的有功分量和无功分量的计算比较复杂。
考虑到双馈电机在工频下运行，尤其是兆瓦级的大功率电机，定子电阻上的压降远比定子电压之间正好相差90度，因此，在实际应用中通常采用定子电压定向或定子磁链定向。
在电网电压发生较大波动时，定子电压定向矢量控制效果不太理想。
考虑到定子磁链观测比较方便，而且误差相对较小，本文采用定子磁链定向。
4.1.1双馈电机控制系统构成
根据式（4-1）构建了基于PI控制器的转子侧变换器解耦控制系统，如图4-1所示。
图4-1PI控制下转子变换器解耦控制系统
由于最大风能捕获控制与无功电流无关，无功电流给定给定值
可以根据电网对风电系统的无功要求计算得出，或者从最小的电机铜耗、减少双PWM变换器损耗等角度考虑。
利用定子输出无功功率
与
的关系确定，二者关系为：
（4-1）
对于图中定子磁链观测器的实现，采用基于定子电压和同步转速的U-w1法。
该方法原理简单，实现比较容易，误差也比较小，是变速恒频双馈风力发电系统中采用较多的磁链观测方法。
图4-2基于定子电压和同步转速的U-w1法的定子磁链观测器结构图。
图4-2定子磁链观测器结构图
图中，usa、usb、Usc分别为电网三相电压；
、
分别为三相电压经过静止坐标变换后的
、
轴分量；
为定子电压矢量的相角；
为定子磁链矢量的相角．
4.1.2仿真与结果分析
在Matlab/Simulink下，建立了图4-1所示的仿真模型，对1.5MW的风电机组进行仿真．
主要参数如下：
风力机参数：
风机类型为水平轴，上风向；额定功率为．1.5MW;切入风速为3.5m/s;叶轮直径为70m:
齿轮箱传动比为95:
空气密度为l.225
。
双馈电机参数：
联接，两对极；额定功率为1.5MW;额定频率为50HZ:
定子额定电压为690V;定子电阻和自感分别为0.0025
、0.0045H，转子电阻和自感分别为0.0028
、0.0046H:
互感为0.00446H:
机组转动惯量为77,96
（参数均已折算到定子侧）．
因为系统的机械惯性很大，可以认为仿真中机组转速不变（设定风速为5m/s），所以仿真中未设置功率外环控制，对转子电流指令突变下系统的运行情况进行了分析．在第9s时刻，转子电流毋由分量指令由-400A突变为100A;在9.5s时刻，转子电流g轴分量指令由300A突变为800A，可得到转子电流d、q轴分量响应波形，如图4-3所示。
图4-3转子电流d、q轴分量
由图中可以看出，转子电流的q轴分量指令发生阶跃变化，其d轴分量
保持不变，独立调节有功功率：
当风速恒定，转子电流的d轴分量指令发生阶跃变化时，其q轴分量
保持不变，独立调节无功功率。
相应的定子输出有功功率和无功功率波形如图4-4所示。
图4-4定子输出有功功率和无功功率波
仿真结果表明，采用基于PJ控制器的定子磁链定向矢量控制策略，可以实现双馈电机有功功率与无功功率解耦控制。
4.2自适应PR控制
基于Pl控制器的定子磁链定向的矢量控制策略很好地实现双馈电机有功功率与无功功率解耦控制，但是电机在运行中由于磁路饱
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