風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)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(chǎn)生的有關(guān)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(fēng)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(zhì)量及可控性方面的研究。一般來說，大多數(shù)最近開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都是通過電能變換裝置與地區(qū)電網(wǎng)或者全國性電網(wǎng)相連。此種電能變換裝置包括發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器。這兩側(cè)變換器的相關(guān)技術(shù)對于整個系統(tǒng)的性能的改進(jìn)和優(yōu)化有著各

2、自的重要性。
　　雙饋電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)通過一個電能變換器與電網(wǎng)相連，這個電能變換器通常采用AC-DC-AC變換器。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)提供變壓變頻電源，而網(wǎng)側(cè)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(yùn)行條件不同，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)行必要的修改后可以適用于兩個變換器。
　　本文的研究重點(diǎn)是并網(wǎng)型電力變換器技術(shù)，對其在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（尤其是雙饋電

3、機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)）中的應(yīng)用問題進(jìn)行了探討。系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變換器必須在雙饋電機(jī)超同步速時可以實現(xiàn)系統(tǒng)能量可逆流動（能量從雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子回饋到電網(wǎng)），從而要求網(wǎng)側(cè)變換器具有雙向或四象限運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或者其他通用的場合，比如ASD（變速驅(qū)動）系統(tǒng)、有源整流、交流電源等等。這種系統(tǒng)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(wǎng)的PCC點(diǎn)（公共連接點(diǎn)）相連。
　　本文的研究目的是改進(jìn)雙饋電機(jī)變速發(fā)電系統(tǒng)或變速驅(qū)動系統(tǒng)的的功能和效率，減輕系統(tǒng)缺陷所帶來的危害。雙饋電機(jī)變速發(fā)電系統(tǒng)通常又稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)（VSCF-Variable Speed Constant Frequency）。本文的研究重點(diǎn)是該系統(tǒng)與電網(wǎng)相連部分的網(wǎng)側(cè)AC-DC可逆整流器。
　　本文首先對網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)接口電路的設(shè)計與分析進(jìn)行了研究。接口電路采用了LCL型濾波器拓?fù)浣Y(jié)

5、構(gòu)。與LC型濾波器相比，LCL型濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于所用電感的體積較小，系統(tǒng)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?？紤]了濾波器與電網(wǎng)之間的相互作用以及濾波器參數(shù)選擇的影響，著重研究了PWM開關(guān)諧波的影響。進(jìn)而考慮了PCC點(diǎn)的條件和限制（電網(wǎng)的強(qiáng)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(diào)制信號后，推導(dǎo)出了系統(tǒng)整體的傳遞函數(shù)，簡化了輸入輸出的建模。將該分析模型應(yīng)用

6、到了數(shù)值計算和Matlab-Simulink軟件仿真，并進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果驗證了分析和計算的有效性。
　　近年來工業(yè)領(lǐng)域和家電領(lǐng)域并網(wǎng)固態(tài)開關(guān)設(shè)備應(yīng)用的不斷增加，要求對公共電網(wǎng)的諧波污染及其補(bǔ)償措施進(jìn)行研究。為了測量和限制地區(qū)和全國性大電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生，針對基波（50Hz）或開關(guān)諧波，制定了的整數(shù)次諧波相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和程序。本文對諧波的產(chǎn)生和消除進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對不同的整數(shù)次諧波和分?jǐn)?shù)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(diào)制模型對諧波的產(chǎn)生給出了解釋，并提出了相應(yīng)的諧波消除方案，例如使用直流側(cè)電感，提高開關(guān)頻率和利用直流環(huán)節(jié)并聯(lián)（有源）濾波器。然而，對于具有獨(dú)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(yīng)用以上提到的解決方案存在明顯缺點(diǎn)。本文建立了電壓源變換器的一種新模型，對系統(tǒng)中的諧波產(chǎn)生給出了解釋。通過仿真和實驗兩種方法對所提出模型進(jìn)行了分析、驗證。該模型可以應(yīng)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(wǎng)運(yùn)行的現(xiàn)存相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來對所得出的分析結(jié)果進(jìn)行了評價。本文針對電壓型逆變器頻域建模和同步坐標(biāo)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(shù)次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波的產(chǎn)生以及系統(tǒng)各個部分對于諧波產(chǎn)生所起的作用。
　　其次，本文對PWM可逆整流器的控制進(jìn)行了詳細(xì)的討論，對開關(guān)方式產(chǎn)生和通用控制

9、方案進(jìn)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。總起來說，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(jìn)行了比較。然后對V-DPC和VF-DPC控制策略進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。由于 VF-DPC具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：簡單實用、抗干擾能力強(qiáng)、良好的動態(tài)性能、可以實現(xiàn)有功無功的解耦控制等等，因此本文對此控制策略進(jìn)行了進(jìn)一步的重點(diǎn)研究。傳統(tǒng)的VF-DPC的實現(xiàn)存在一些困難：變化的開關(guān)頻率、滯環(huán)比較器的數(shù)字實現(xiàn)要求比較高的采樣頻率、快速的微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器。然而，用PWM調(diào)制器代替開關(guān)表可以克服以上所有的缺點(diǎn)。當(dāng)然這樣會使得控制

11、方案相對比較復(fù)雜。該方案中利用對電網(wǎng)電壓的積分得到虛擬磁通，雖然積分的低通特性對電網(wǎng)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(jìn)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(fù)雜程度。
　　基于 V-DPC和VF-DPC控制方案，本文提出了網(wǎng)側(cè)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(diǎn)的同時，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)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(wǎng)電壓不理想條件下（電網(wǎng)電壓畸變和不平衡）產(chǎn)生的影響。PWM調(diào)制器應(yīng)用可以保證恒定的開關(guān)頻率。增加電網(wǎng)電壓傳感器使得利用低分辨率 ADC轉(zhuǎn)換器對控制策略的實現(xiàn)成為可能。通過引入電網(wǎng)電壓的不平衡補(bǔ)償模塊和重構(gòu)模塊，大大改善了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡和畸變條件下的性能。電網(wǎng)電壓的不平衡補(bǔ)償模塊和重構(gòu)模塊需要對VF-DPC控制環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的修改。實驗結(jié)果表明可以很好的調(diào)整負(fù)載電流和交流側(cè)進(jìn)線電流；交流側(cè)

13、進(jìn)線電流的總諧波畸變率比較低；電網(wǎng)電壓同步情況非常好；電網(wǎng)側(cè)接近于單位功率因數(shù)。
　　最后，DC-to-DC變換器作為可選擇的環(huán)節(jié)通常放在兩側(cè)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(jī)和控制策略的功率變換系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。這一環(huán)節(jié)在某些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的場合（例如永磁同步電機(jī)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)），可以起到功率因數(shù)校正和調(diào)整直流電壓的作用。進(jìn)而，在其他類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中（例如雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），DC-to-DC變換器環(huán)

14、節(jié)分離了兩側(cè)變換器的直流母線，為兩側(cè)變換器的控制策略和參數(shù)設(shè)計提供更靈活的選擇。因此，本文介紹了該變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(diǎn)。滑?？刂聘拍钜呀?jīng)被應(yīng)用到了不同開關(guān)變換器的控制中，由于其對控制參數(shù)變換具有強(qiáng)的魯棒性以及變結(jié)構(gòu)控制對非連續(xù)、非線性系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，從而改進(jìn)了變換器電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的調(diào)整能力。有些文獻(xiàn)提出滑模控制

15、中存在抖振和分叉現(xiàn)象，應(yīng)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(jīng)成功應(yīng)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(chǎn)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(chǔ)上，本文將滑?？刂坪碗娏髂Ｊ娇刂频闹饕刂扑枷胂嘟Y(jié)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(jìn)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