風力發(fā)電系統網側電力變換器研究.pdf

1、能源需求的不斷增長和化石燃料利用所產生的有關問題，比如原料價格高漲，環(huán)境污染以及已探明化石燃料儲量的一半已被開發(fā)利用，使得尋求諸如風能一樣的可持續(xù)的、清潔的能源非常必要，這也迫使研究人員致力于提高能源的利用率和改善能源的質量及可控性方面的研究。一般來說，大多數最近開發(fā)的風力發(fā)電系統都是通過電能變換裝置與地區(qū)電網或者全國性電網相連。此種電能變換裝置包括發(fā)電機側變換器和電網側變換器。這兩側變換器的相關技術對于整個系統的性能的改進和優(yōu)化有著各

2、自的重要性。
　　雙饋電機變速恒頻發(fā)電系統通過一個電能變換器與電網相連，這個電能變換器通常采用AC-DC-AC變換器。其中，轉子側變換器在雙饋電機的轉子側提供變壓變頻電源，而網側變換器部分工作在恒壓恒頻條件下。雖然這兩個變換器的運行條件不同，它們的拓撲結構和基本功能有很多相似的地方。因此有些控制策略和概念進行必要的修改后可以適用于兩個變換器。
　　本文的研究重點是并網型電力變換器技術，對其在變速恒頻風力發(fā)電系統（尤其是雙饋電

3、機風電系統）中的應用問題進行了探討。系統的網側變換器必須在雙饋電機超同步速時可以實現系統能量可逆流動（能量從雙饋電機轉子回饋到電網），從而要求網側變換器具有雙向或四象限運行能力。最適合的變換器就是IGBT(集成門極雙極性晶體管)三相全橋電壓源變換器，這種拓撲結構的變換器可以應用到風力發(fā)電系統或者其他通用的場合，比如ASD（變速驅動）系統、有源整流、交流電源等等。這種系統包括一個 PWM全橋可逆整流器或者所謂的電壓源變換器，通過無源電路接

4、口與電網的PCC點（公共連接點）相連。
　　本文的研究目的是改進雙饋電機變速發(fā)電系統或變速驅動系統的的功能和效率，減輕系統缺陷所帶來的危害。雙饋電機變速發(fā)電系統通常又稱為變速恒頻發(fā)電系統（VSCF-Variable Speed Constant Frequency）。本文的研究重點是該系統與電網相連部分的網側AC-DC可逆整流器。
　　本文首先對網側變換器電網接口電路的設計與分析進行了研究。接口電路采用了LCL型濾波器拓撲結

5、構。與LC型濾波器相比，LCL型濾波器的優(yōu)點在于所用電感的體積較小，系統具有更好的動態(tài)性能，并且濾波器緊湊，性價比較高，具有較好的THD和EMI抑制能力。考慮了濾波器與電網之間的相互作用以及濾波器參數選擇的影響，著重研究了PWM開關諧波的影響。進而考慮了PCC點的條件和限制（電網的強弱），得出了一個包含 LCL濾波器的分析模型。從而，考慮電壓源變換器采用PWM調制信號后，推導出了系統整體的傳遞函數，簡化了輸入輸出的建模。將該分析模型應用

6、到了數值計算和Matlab-Simulink軟件仿真，并進行了實驗研究，實驗結果驗證了分析和計算的有效性。
　　近年來工業(yè)領域和家電領域并網固態(tài)開關設備應用的不斷增加，要求對公共電網的諧波污染及其補償措施進行研究。為了測量和限制地區(qū)和全國性大電網的諧波產生，針對基波（50Hz）或開關諧波，制定了的整數次諧波相關的標準和程序。本文對諧波的產生和消除進行了詳細的研究，對不同的整數次諧波和分數次諧波的特性和影響得出了很好的解釋。到目前為

7、止，前人利用電流調制模型對諧波的產生給出了解釋，并提出了相應的諧波消除方案，例如使用直流側電感，提高開關頻率和利用直流環(huán)節(jié)并聯（有源）濾波器。然而，對于具有獨立直流環(huán)節(jié)的電壓源變換器和電流源變換器來說，直流電源假定為不存在諧波，此時應用以上提到的解決方案存在明顯缺點。本文建立了電壓源變換器的一種新模型，對系統中的諧波產生給出了解釋。通過仿真和實驗兩種方法對所提出模型進行了分析、驗證。該模型可以應用到具有無諧波直流環(huán)節(jié)變換器情況，尤其適用

8、于 UPS或者帶電池工作的DC-AC變換器。相比之下，其它僅考慮直流環(huán)節(jié)諧波的模型對這些場合是不適用的。
　　同時，考慮使用電壓型變換器并網運行的現存相關標準來對所得出的分析結果進行了評價。本文針對電壓型逆變器頻域建模和同步坐標系下的建模提出了一種新方法，利用這種方可以用于解釋整數次諧波和分數次諧波的產生以及系統各個部分對于諧波產生所起的作用。
　　其次，本文對PWM可逆整流器的控制進行了詳細的討論，對開關方式產生和通用控制

9、方案進行了介紹和深入地研究。PWM整流器控制策略可以分為電壓定向控制和虛擬磁通控制?？偲饋碚f，控制策略可以分為四種類型：電壓定向控制(Voltage Oriented Control)，基于電壓的直接功率控制(Voltage Direct Power Control)，虛擬磁通定向控制(Virtual Flux Oriented Control)和虛擬磁通直接功率控制(Virtual Flux Direct Power Control)

10、，首先對各種控制策略進行了比較。然后對V-DPC和VF-DPC控制策略進行了詳細地介紹。由于 VF-DPC具有很多優(yōu)點，例如：簡單實用、抗干擾能力強、良好的動態(tài)性能、可以實現有功無功的解耦控制等等，因此本文對此控制策略進行了進一步的重點研究。傳統的VF-DPC的實現存在一些困難：變化的開關頻率、滯環(huán)比較器的數字實現要求比較高的采樣頻率、快速的微處理器和A/D轉換器。然而，用PWM調制器代替開關表可以克服以上所有的缺點。當然這樣會使得控制

11、方案相對比較復雜。該方案中利用對電網電壓的積分得到虛擬磁通，雖然積分的低通特性對電網電壓的瞬間擾動起到一定的濾波效果，但是對于對電壓變化比較大的場合，比如利用VSR有源濾波功能的場合，進一步采取一些其他措施來抑制電壓不平衡也是必要的，這也增加了控制方案的復雜程度。
　　基于 V-DPC和VF-DPC控制方案，本文提出了網側變換器一種新的控制方案，在保留了兩者簡單實用和魯棒性好的優(yōu)點的同時，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點，改進了控制性能。通過

12、引入新的控制思想和措施，新的控制方案減輕了電網電壓不理想條件下（電網電壓畸變和不平衡）產生的影響。PWM調制器應用可以保證恒定的開關頻率。增加電網電壓傳感器使得利用低分辨率 ADC轉換器對控制策略的實現成為可能。通過引入電網電壓的不平衡補償模塊和重構模塊，大大改善了系統在電網電壓不平衡和畸變條件下的性能。電網電壓的不平衡補償模塊和重構模塊需要對VF-DPC控制環(huán)節(jié)進行必要的修改。實驗結果表明可以很好的調整負載電流和交流側進線電流；交流側

13、進線電流的總諧波畸變率比較低；電網電壓同步情況非常好；電網側接近于單位功率因數。
　　最后，DC-to-DC變換器作為可選擇的環(huán)節(jié)通常放在兩側變換器直流母線之間，可以從功能和兼容性上對采用不同類型發(fā)電機和控制策略的功率變換系統進行改進。這一環(huán)節(jié)在某些風力發(fā)電系統的場合（例如永磁同步電機變速恒頻風電系統），可以起到功率因數校正和調整直流電壓的作用。進而，在其他類型的風力發(fā)電系統中（例如雙饋電機風力發(fā)電系統），DC-to-DC變換器環(huán)

14、節(jié)分離了兩側變換器的直流母線，為兩側變換器的控制策略和參數設計提供更靈活的選擇。因此，本文介紹了該變換器的拓撲結構，考慮了滑?？刂疲⊿liding Model）和電流模式（Current Mode）控制兩種常用的控制策略，并分析了它們的優(yōu)缺點。滑?？刂聘拍钜呀洷粦玫搅瞬煌_關變換器的控制中，由于其對控制參數變換具有強的魯棒性以及變結構控制對非連續(xù)、非線性系統的快速響應特性，從而改進了變換器電網側和負載側的調整能力。有些文獻提出滑?？刂?/p>

15、中存在抖振和分叉現象，應該采用專門的技巧加以避免。另一方面，電流模式控制策略很長時間以前就已經成功應用到 DC-to-DC變換器的控制中。但是，大功率場合電流紋波變得很大，容易產生諧振。所以，對以上兩種控制策略取長避短，可以獲得具有比較良好的控制效果。
　　在此基礎上，本文將滑?？刂坪碗娏髂Ｊ娇刂频闹饕刂扑枷胂嘟Y合提出了一種新的控制方案，避免了兩種策略各自的不足之處，改進了它們的控制性能。所提出的方案尤其適合輸出電流和輸入電壓波