雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙PWM變換器控制及實(shí)現(xiàn)ppt課件

1、二九年九月十四日,李 輝,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙PWM 變流器的控制及實(shí)現(xiàn),主要內(nèi)容,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理 二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?三、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器及對DFIG控制 四、網(wǎng)側(cè)PWM變流器及其控制 五、SVPWM變換技術(shù)原理 六、雙PWM變流器的DFIG系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 七、結(jié)論和討論,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,1.什么是雙饋發(fā)電機(jī),雙饋發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator: DFIG)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式感應(yīng)電機(jī)類似，其定子側(cè)接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上由變頻電源提供對稱交流電勵(lì)磁，且勵(lì)磁電壓的幅值、頻率、相位、相序都可以根據(jù)要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場的大小、相對

2、轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,2.雙饋發(fā)電機(jī)特點(diǎn),具有較好的轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力，能實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電 具有獨(dú)立的有功、無功調(diào)節(jié)能力 具有深度進(jìn)相運(yùn)行能力 具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行能力,亞同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行(定、轉(zhuǎn)子電流同相序) 同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行 超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行(定、轉(zhuǎn)子電流反相序,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,3.雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)子的電流相序和頻率時(shí)，雙饋電機(jī)便可以運(yùn)行在亞同步、同步及超同步狀態(tài),一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,4.雙饋發(fā)電機(jī)等效電路和穩(wěn)態(tài)方程,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,5.雙饋發(fā)電機(jī)能量流動關(guān)系,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,5.雙饋發(fā)電機(jī)能量流動關(guān)系,一、雙饋發(fā)電機(jī)工作原理,5.雙饋發(fā)電機(jī)

3、能量流動關(guān)系,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子能量是在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動的，這也是雙饋發(fā)電機(jī)中“雙饋”的本質(zhì)。此外，接轉(zhuǎn)子回路的變流器，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的電源必須是一個(gè)能量能夠雙向流動的變流器,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?1.雙饋發(fā)電機(jī)用變流器的要求,網(wǎng)側(cè)變流器要求,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器要求,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?1.雙饋發(fā)電機(jī)用變流器的要求,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?2.雙饋發(fā)電機(jī)用變流器的形式,兩電平電壓型雙PWM變流器 多電平雙P W M 變流器,晶閘管相控交交直接變流器 矩陣式雙PWM變流器 鉗位諧振雙PWM變流器,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?兩電平電壓型雙PWM變流器,由兩個(gè)完全相同的兩電平電

4、壓型三相PWM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back-to-back PWM converter 由于在雙饋風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行中，兩個(gè)變流器的工作狀態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化，因此通常不按整流或逆變來區(qū)分，而是按照其位置稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器,兩電平電壓型雙PWM變流器,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?兩電平電壓型雙PWM變流器,網(wǎng)側(cè)PWM變流器任務(wù),轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器任務(wù),兩電平電壓型雙PWM變流器,兩電平電壓型雙PWM變流器,雙PWM變流器運(yùn)行狀態(tài),兩電平電壓型雙PWM變流器,優(yōu)點(diǎn),兩電平電壓型雙PWM變流器,優(yōu)點(diǎn),兩電平電壓型雙PWM變流器,優(yōu)點(diǎn),兩電平電壓型雙PWM變流器,兩

5、電平電壓型雙PWM變流器,Voltage and currents,缺點(diǎn),兩電平電壓型雙PWM變流器,中間直流側(cè)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(shí)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,缺點(diǎn),兩電平電壓型雙PWM變流器,中間直流側(cè)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(shí)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,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?多電平雙P W M 變流器,為了滿足風(fēng)力發(fā)電對高壓、大功率和高品質(zhì)變流器的需求，多電平變流技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。 采用多電平變流技術(shù)后，可以在常規(guī)功率器件的耐壓基礎(chǔ)上，提高電

6、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：二極管箝拉型、飛越電容型，級聯(lián)H橋型、混合箝拉型等。 隨著電平數(shù)增加，箝拉器件的數(shù)目也增加，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難。通常以三電平、五電平變流應(yīng)用居多,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?三電平雙P W M 變流器形式,二極管箝位三電平雙P W M 變流器,當(dāng)由于功率器件的容量受制造水平的限制時(shí)，多電平變流器最主要的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)較大容量的電能轉(zhuǎn)換。 和兩電平相比：三電平變換器輸出三個(gè)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(shí)也有利于

7、電機(jī)或?yàn)V波器的絕緣和安全運(yùn)行，降低了濾波器的設(shè)計(jì)難度。 三電平變換器主電路中的每個(gè)開關(guān)器件僅承受一半的直流側(cè)電壓，且無需動態(tài)均壓電路，開關(guān)損耗小，為兩電平的25%。 中點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前在2MW以上的風(fēng)電機(jī)組中已采用,優(yōu)點(diǎn),二極管箝位三電平雙P W M 變流器,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(cè)由兩個(gè)完全一樣的電容串聯(lián)而成。 電容中點(diǎn)作為變流器的箝位點(diǎn)，由網(wǎng)側(cè)變流器保持直流側(cè)兩個(gè)電容的電壓均衡。如果電平數(shù)超過三，一般會出現(xiàn)電壓平衡問題。( 電容值、死區(qū)時(shí)間和負(fù)載不平衡,缺點(diǎn),二極管箝

8、位三電平雙P W M 變流器,二極管箝位三電平雙P W M 變流器,Voltage and currents,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?變流器比較及發(fā)展趨勢,主功率元器件數(shù)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PWM變流器 多電平雙P W M 變流器 晶閘管相控交交直接變流器 矩陣式雙PWM變流器 鉗位諧振雙PWM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(wǎng)故障適應(yīng)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

9、有較好的故障適應(yīng)能力,二、雙饋用變流器的要求及拓?fù)?變流器比較及發(fā)展趨勢,控制復(fù)雜程度：兩電平變流器方案簡單、可靠，技術(shù)最成熟。轉(zhuǎn)子側(cè)：電氣傳動領(lǐng)域的電壓型PWM逆變器控制；網(wǎng)側(cè)：PWM整流器,兩電平電壓型雙PWM變流器 多電平雙P W M 變流器 晶閘管相控交交直接變流器 矩陣式雙PWM變流器 鉗位諧振雙PWM變流器,主電路實(shí)現(xiàn)的難易度和成熟度：最易實(shí)現(xiàn)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(yīng)用到大功率場合，2MW以上通常采用，已有商品化模塊,兩電平電壓型雙PWM變流器是雙饋用最具有優(yōu)勢的一種變流器，而多電平和軟開關(guān)的結(jié)

10、合將是雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器的發(fā)展趨勢,三、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器及對DFIG控制,1. 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器功能,雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制主要是對DFIG的控制 雙PWM轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對DFIG實(shí)現(xiàn)有效控制，決定運(yùn)行性能 網(wǎng)側(cè)PWM變流器功能獨(dú)立，控制直流母線電壓穩(wěn)定和好的輸入特性,三、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器及對DFIG控制,2. 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制目標(biāo),通過對DFIG轉(zhuǎn)速或有功功率控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)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(zhuǎn)子電流密切相關(guān) 雙PWM轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對其電流控制 DFIG是控制對象，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器是控制指令的執(zhí)行者,三、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器及對DFIG控制

11、,3. 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制思路,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制應(yīng)以DFIG的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì) DFIG三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為高階、非線性系統(tǒng) 借助坐標(biāo)變換，應(yīng)用矢量控制技術(shù)，將轉(zhuǎn)子電流分解為有功和無功分量，實(shí)現(xiàn)DFIG的有功和無功的解耦控制，實(shí)現(xiàn)其控制目標(biāo),坐標(biāo)變換原理、DFIG數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)在下一步算法開發(fā)中詳細(xì)進(jìn)行介紹,三、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器及對DFIG控制,4. 電網(wǎng)電壓恒定下DFIG簡化電壓方程,并網(wǎng)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(lì)磁電流的動態(tài)過程,PI調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù),可控量是轉(zhuǎn)子電壓、直接被控的對象是轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子電壓和電流是矢量控制環(huán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。不同的矢量定向就

12、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(bǔ)償項(xiàng)依據(jù),DFIG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,DFIG定子磁鏈定向控制,采用定子磁鏈定向后，實(shí)現(xiàn)了DFIG定子有功和無功功率解耦,DFIG定子磁鏈定向控制,轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)設(shè)計(jì),DFIG定子磁鏈定向控制,轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)設(shè)計(jì),DFIG定子電壓定向控制,DFIG定子電壓定向控制,采用定子電壓定向后，實(shí)現(xiàn)了DFIG定子有功和無功功率解耦,DFIG定子電壓定向控制,轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)設(shè)計(jì),DFIG定子電壓定向控制,轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)設(shè)計(jì),DFIG定子電壓定向控制,DFIG的功率控制,DFIG定子電壓定向控制,四、網(wǎng)側(cè)

13、PWM變流器及其控制,1. 網(wǎng)側(cè)PWM變流器實(shí)際是三相電壓型PWM整流器,2. 雙饋用雙PWM變流器關(guān)系,3. 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,3. 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,網(wǎng)側(cè)變流器可看做是可控的三相交流電壓源,單位功率因數(shù)整流運(yùn)行 單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行 非單為功率因數(shù)運(yùn)行,當(dāng)直流側(cè)電壓恒定時(shí),通過PWM控制，可調(diào)節(jié)變流器輸入電壓ur幅值、相位，從而調(diào)節(jié)輸入電流大小及其和電網(wǎng)電壓相位,3. 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,3. 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,3. 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,每相輸入電流均由三相開關(guān)函數(shù)共同控制，強(qiáng)耦合的高階非線性系統(tǒng)，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換,4. 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型,5. 網(wǎng)側(cè)變流器

14、功率流,5. 網(wǎng)側(cè)變流器功率流,5. 網(wǎng)側(cè)變流器功率流,6. 網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù),6. 網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù),凡是用于PWM逆變器供電的交流電機(jī)的控制方法，大都可以用于網(wǎng)側(cè)PWM變流器的控制。電流內(nèi)環(huán)的控制方法,如預(yù)測控制、非線性控制、直接功率控制等,7. 基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器控制,7. 基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器控制,7. 瞬時(shí)功率直接反饋的網(wǎng)側(cè)變流器控制,五、SVPWM變換技術(shù)原理,1. PWM技術(shù)概述,所謂PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)，就是在交流傳動中利用半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變?yōu)橐欢ㄐ螤畹碾妷好}沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓，以實(shí)現(xiàn)有效控制和消

15、除諧波的一門技術(shù),控制技術(shù)：正弦PWM；優(yōu)化PWM；隨機(jī)PWM 實(shí)現(xiàn)方法：模擬式和數(shù)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(fù)載電路參數(shù)的影響,經(jīng)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(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，磁鏈跟蹤控制。而磁鏈軌跡通過電壓空間矢量相加得到,2. SVPWM技術(shù)優(yōu)點(diǎn),五、SVPWM變換技術(shù)原理,3. SVPWM技術(shù)原理,3. SVPWM技術(shù)原理,不同開關(guān)組合的交流側(cè)電壓可用一個(gè)模為2/3Vdc的空間電壓矢量在復(fù)平面表示。 8個(gè)開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)8個(gè)基本輸出電壓空間矢量，其中2條為0矢量。 對

16、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,3. SVPWM技術(shù)原理,6個(gè)基本電壓電壓矢量端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是一個(gè)正六邊形 利用8個(gè)基本電壓的矢量的線性組合，獲得和基本空間矢量相位不同的電壓空間矢量，構(gòu)成等幅不同相的電壓空間矢量，逼近圓形磁場(SVPWM特點(diǎn))。 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,3. SVPWM技術(shù)原理,確定每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間 確定每個(gè)電壓矢量的作用次序,4. SVPWM實(shí)現(xiàn),DSP硬件配合軟件產(chǎn)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(shí)間,7段式電壓空間矢量PWM波，其中3段零矢量4段非零矢

17、量， 3段零矢量位于PWM波的開始、中間和結(jié)尾。 一個(gè)PWM周期，每個(gè)橋臂動作兩次,4. SVPWM實(shí)現(xiàn),將參考電壓兩投影到兩相坐標(biāo)系 確定參考電壓向量所在的扇區(qū) 計(jì)算該扇區(qū)兩個(gè)相鄰相量和零相量個(gè)自所占的時(shí)間 給三個(gè)全比較單元的比較寄存器分別賦值成,5. SVPWM仿真,全控橋輸出相電壓0,1/3Vdc和2/3Vdc電壓脈沖,六、雙PWM變流器的DFIG系統(tǒng)及設(shè)計(jì),1. 雙PWM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),1. 雙PWM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),1. 雙PWM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功率小，網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)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(qū)動和保護(hù)電路，如PM100CSA060和PM1

18、50CVA060等。六合一封裝形式，內(nèi)部含六只獨(dú)立的IGBT。 通常只需要PN引入直流側(cè)，UVW引入交流側(cè)。 除了自身保護(hù)外，在DSP程序中也設(shè)置保護(hù),2. 網(wǎng)側(cè)PWM控制硬件結(jié)構(gòu),3. 雙PWM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),軟件結(jié)構(gòu)：模塊化 主程序和各種中斷服務(wù)程序。 軟件體系具有5個(gè)優(yōu)先等級，其中定時(shí)器中斷是實(shí)現(xiàn)DFIG實(shí)時(shí)控制任務(wù)，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,初始化變量，屏蔽中斷，封鎖觸發(fā)脈沖，通過反并聯(lián)二極管給直流側(cè)電容充電，充電后才開始進(jìn)行PWM控制,DSP2定時(shí)器T1中斷程序執(zhí)行基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)PWM變流器對直流母線電壓的控制。 最后通過電壓矢量調(diào)制算法得到每個(gè)開關(guān)管的開通時(shí)間，并把開通時(shí)間裝載到DSP相應(yīng)的寄存器,DSP1定時(shí)器T1中斷程序執(zhí)行基于定子磁場定向的轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器對DFIG并網(wǎng)和變速恒頻功率解耦控制,空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn),空