永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)全功率變流器

1、第五章全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理及控制策略5. 1全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理25. 1. 1全功率變流器風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈形式25. 1.2同步發(fā)電機(jī)25. 1. 3永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)55. 1.4電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)155.2全功率變流器風(fēng)電機(jī)組變流器165. 2. 1電機(jī)側(cè)變流器控制策略175. 2. 1電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略195. 1全功率變流器風(fēng)電機(jī)組的工作原理5.1.1全功率變流器風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈形式隨著現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的額定功率呈現(xiàn)上升趨勢，風(fēng)輪槳葉怏度逐漸増加而轉(zhuǎn)速降低。例如: 額泄功率為5MW的風(fēng)電機(jī)組槳葉長度趙過60米，轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為lOipm左右。當(dāng)發(fā)電機(jī)

2、 為兩對(duì)極時(shí)，為了使5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過交流方式直接與額定頻率為50Hz的電網(wǎng)相連， 機(jī)械齒輪箱變速比應(yīng)為150。齒輪箱變速比的增加，給兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組變速箱的設(shè)計(jì)和制造 提出了挑戰(zhàn)。風(fēng)電機(jī)組功率及變速箱變速比增人時(shí)，其尺寸、巫彊及摩擦磨損也在増加。作 為另外一種選擇，風(fēng)力發(fā)電機(jī)町以采用全功率變流器以AC/DC/AC的方式與電網(wǎng)相連。全功率變流器是一種由直流壞節(jié)連接兩組電力電子變換器組成的背靠背變頻系統(tǒng)。這兩 個(gè)變頻器分別為電網(wǎng)側(cè)變換器和發(fā)電機(jī)側(cè)變換器。發(fā)電機(jī)側(cè)變換器接受感應(yīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的仃 功功率，并將功率通過直流環(huán)卩送往電網(wǎng)側(cè)變換器。發(fā)電機(jī)側(cè)變換器也用來通過感應(yīng)發(fā)電機(jī) 的定子端對(duì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁

3、。電網(wǎng)側(cè)變換器接受通過直流環(huán)廿輸送來的令功功率，并將其送 到電網(wǎng)，即它平衡了直流環(huán)廿兩側(cè)的電H“根據(jù)所選的控制策略，電網(wǎng)側(cè)變換器也用來控制 功率因數(shù)或支持電網(wǎng)電壓?，F(xiàn)力機(jī)多極永嵐發(fā)電機(jī)圖21直驅(qū)永碣同步風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖5. 1.2同步發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)使用的同步發(fā)電機(jī)絕人部分是三相同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)主耍包括定子和轉(zhuǎn) 子兩部分。定子是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的部件，宙泄子鐵芯、三和電樞繞組和起支撐 及固定作用的機(jī)朋組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)俺場，并H可以由勵(lì)磁繞組進(jìn)行調(diào)節(jié)，主 耍包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵(lì)磁繞組、滑壞等。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般分為兩類，一類是用直流 發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的ri流勵(lì)磁系統(tǒng)，另

4、一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵(lì)磁的整 流勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)容磺人時(shí)，一般采用整流勵(lì)礎(chǔ)系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電樞 電動(dòng)勢頻率z間保持嚴(yán)格不變關(guān)系的交流電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子阜木上定一個(gè)人的電磁帙。磁極仃凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)。凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和加工比較簡單，制造成本低。中小容戰(zhàn)電機(jī)一般采用凸極以降低成本；對(duì)人容臥高轉(zhuǎn) 速原動(dòng)機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)了將承受很人的離心力，采用隱極可以更好地固定勵(lì)磁繞組。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖卅轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中流過直流電流時(shí)，產(chǎn)生磁極磁場或稱為勵(lì)磁磁場。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場同轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，就得到一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場對(duì)定子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在 定子繞組

5、屮感應(yīng)出三相對(duì)稱的交流電勢。由J：定子三相對(duì)稱繞組在空間上相差i2(r，因此 三和電勢也在時(shí)間上相差120°電角度。這個(gè)交流電勢的頻率取決電機(jī)的極對(duì)數(shù)P和轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速“，即rfl我國電網(wǎng)電源頻率為50Hz.發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須保持恒定。根據(jù)電機(jī)理論，圖給出隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路。圖屮，©為發(fā)電機(jī)空我時(shí)定子繞組-相感應(yīng)的電動(dòng)勢，/為負(fù)載電流，"為一相端電壓，R為定子繞組一相的電阻，Xc為 冋步電機(jī)的冋步電抗。通M定子繞組的電阻比冋步電抗小很多，丙此可以忽略。圖為忽略電 陰后隱極同步發(fā)電機(jī)簡化的相骯圖。uiz間的夾角卩叫做功率因數(shù)角。和/之.間的 夾角&叫做功率角

6、。隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路與簡化的向就圖攻角特性，在忽略電樞電阻的情況卜，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率等r輸出的令功功率PM =mUI cos(p其中，加為發(fā)電機(jī)的相數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)，冇功功率表達(dá)式為PM =(7/cos° = sin&對(duì)丁并聯(lián)J無限人電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的端電壓U即為電網(wǎng)電壓，保持不變, 在怕定勵(lì)俺電流條件卜，根據(jù)上式町知，隱極式同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率與攻角0的正弦 成正比。這町以通過卜圖所示的攻角特性曲線描述。當(dāng)(/和E。不變時(shí)，由=/*(&)畫出的曲線 稱為攻角特性曲線。肖& = 90°時(shí)，隱極發(fā)電機(jī)輸出的電功率垠

7、兒有功功率的調(diào)節(jié)由式耳二Scose = 3sin&可知，對(duì)丁一臺(tái)并聯(lián)到無限人電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，如果 Xc想增加發(fā)電機(jī)的輸出冇功功率，、耳勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)時(shí)，就必須增人功率角& ,功率角的物理憊 義可以從時(shí)間和空間兩個(gè)角度來進(jìn)行理解。対r發(fā)電機(jī)而言，&是勵(lì)磁電動(dòng)勢&超前端 電斥的時(shí)同角；從空間上，0町看作轉(zhuǎn)子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線z間的空間 角。因此，増人功率角盤味著必須增加來門原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使轉(zhuǎn)子加速，從而使功率角 增人，從而增人發(fā)電機(jī)的仃功功率。但島注意，<90 區(qū)域是發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作范刖，因此 功率角的增加不能超過穩(wěn)定極限90 ,如果再增加來口

8、原動(dòng)機(jī)的輸入功率，則無法建立新 的平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升而失速。無功功率的調(diào)節(jié)接到電網(wǎng)上的負(fù)載，除了阻性負(fù)載外，還仃感性負(fù)載和容性負(fù)載，所以i個(gè)電力系統(tǒng)除 了嚶能提供負(fù)我令功功率外，還耍有提供和調(diào)無功功率的能力。通過改變同步發(fā)電機(jī)的勵(lì) 碗電流，町調(diào)節(jié)同步發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的無功功率。當(dāng)cos=l時(shí)，泄子的電流/垠小，這種惜況稱為負(fù)載時(shí)的止常勵(lì)磁。在止常勵(lì)磁庶礎(chǔ) 上增加勵(lì)磁電流，稱為過勵(lì)。在止簾勵(lì)磁壟礎(chǔ)上較少勵(lì)磁電流，稱為欠勵(lì)。無論增人和減小 勵(lì)磁電流，都將使泄子電流增人。發(fā)電機(jī)輸出的無功功率可通過0 = /n(sin°描述。在正常勵(lì)磁時(shí)，發(fā)電機(jī)只輸出冇功功率。過勵(lì)時(shí)電樞反應(yīng)為去磁作用，定子

9、電流j落后丁端電 壓曠，發(fā)電機(jī)除了向電網(wǎng)發(fā)出仃功功率外，還向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率。欠勵(lì)時(shí)，電樞反 應(yīng)為增磁作用，定子電流/超前r端電斥"，發(fā)電機(jī)除了向電網(wǎng)發(fā)出有功功率外，還向電網(wǎng) 發(fā)出容性無功功率。5.13永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(1) 直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)夕卜轉(zhuǎn)了電機(jī)的特點(diǎn)是泄子在靠軸中間不動(dòng)，轉(zhuǎn)子在外用旋轉(zhuǎn)。在卜圖屮展示了內(nèi)泄子 的構(gòu)造，內(nèi)定子由硅鋼片令成與常見的外定子相反，其線圈槽是開在鐵芯隕I周的外側(cè)。內(nèi)定子鐵芯通過定子的支撐體固定在底座上，在底座I:冇轉(zhuǎn)子軸承孔用來安裝外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸。定子鐵芯定子支撐體底座轉(zhuǎn)子軸承26. comt在定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組.

10、繞組是按三相規(guī)律分布與外定子繞組類似。外轉(zhuǎn)了如同一個(gè)桶套在定子外側(cè)，山導(dǎo)磁良好的鐵質(zhì)材料制成，在“桶”的內(nèi)側(cè)固定仃水久磁鐵做成的做極，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是做極尚定較容易，不會(huì)I大I為離心力血脫落。把外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸安裝在定子機(jī)座的軸承上在實(shí)際風(fēng)力機(jī)制造中往往把外轉(zhuǎn)子磁轆直接與風(fēng)輪輪轂（包括輪轂外罩）制成一體,使 結(jié)構(gòu)更緊湊。（2）fl驅(qū)永磁屮間定子盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)驅(qū)永磁盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定了與轉(zhuǎn)子都呈平面圓盤結(jié)構(gòu)，定了與轉(zhuǎn)子軸向交替排列， 這里介紹中間定子盤式發(fā)電機(jī)。卜圖是一個(gè)盤式定子，由盤式發(fā)電機(jī)通過定子繞組的的磁 力線是軸向走向，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)是繞軸運(yùn)行的，所以定子的硅鋼片是繞制的，在兩側(cè)冇繞組 的嵌

11、線槽。在定子線槽內(nèi)分布著定子繞組，按三相布置連接。定子繞組定子鐵芯 定子鐵芯固定在機(jī)廉的支架上盤式轉(zhuǎn)子由磁艦與永久磁鐵組成，卜圖為左而轉(zhuǎn)了圖轉(zhuǎn)子磁碗轉(zhuǎn)子支架 com卜圖為磴極的分布圖左轉(zhuǎn)子磁朝右轉(zhuǎn)子磁覿右面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與左面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同.只是反個(gè)面血已。卜圖為左右轉(zhuǎn)子間的幽力線走向 圖。:永久磁鐵126. com磁力線WW為更清楚的看清磁力線走向，下圖為稍側(cè)而的磁力線走向圖。子硏乾把轉(zhuǎn)子與定子擺在一起安裝上左右端蓋，卜圖為組裝好的永磁屮間定子盤式發(fā)電機(jī)。F圖為永磁中間定子盤式發(fā)電機(jī)的剖面圖。定子決芯右端蓋pengk庭座機(jī)架VW.定子繞組左端蓋左轉(zhuǎn)子右轉(zhuǎn)子卜圖為側(cè)視的剖啲圖，為看潔內(nèi)部結(jié)

12、構(gòu)隱藏了右轉(zhuǎn)子。（3）削k永磁中間轉(zhuǎn)子盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)盤式永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都昱平而圓盤結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子軸向交替排 列，這里介紹中間轉(zhuǎn)子盤式發(fā)電機(jī)。卜圖是-個(gè)盤式定子，由丁盤式發(fā)電機(jī)的通過定子繞組 的磁力線是軸向走向，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)是繞軸運(yùn)行的，所以泄了的硅鋼片是繞制的，在-側(cè)仃 繞纟II的恨線槽。 在定了線槽內(nèi)分布著定了繞組，按三相布宣，單個(gè)繞組呈扇形狀。定子有兩個(gè).右定子與左定子結(jié)構(gòu)一樣，只是反個(gè)面I何已。轉(zhuǎn)了宙永久磁次組成，磁詼固定在非導(dǎo)磴材料制戌的轉(zhuǎn)了支架上，卜圖是轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖。毎塊應(yīng)鐵的礎(chǔ)極在轉(zhuǎn)子的兩面,巒 2 S1NI IN SS：N醪 卜圖表示了磁力線在轉(zhuǎn)子與泄子間

13、的走向,子鐵芯wjk/.cn左定子彳轉(zhuǎn)子磁鐵力線卜圖是轉(zhuǎn)子與定子的布置圖左定子先把左定子固定在左端蓋屮，再裝上轉(zhuǎn)子,樹 把右定子固定在右端孟中左右端蓋抑緊固定，發(fā)電機(jī)就組裝好了，卜圖為發(fā)電機(jī)外觀 圖。卜圖為中間轉(zhuǎn)子盤式永磁發(fā)電機(jī)的剖血圖左定子右端蓋右定子左定子繞組右定子繞組F圖為側(cè)視的剖面圖金5.1.4電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)(Electrically Excited Synchronous Generator. EESG),通常在轉(zhuǎn) 側(cè)進(jìn) 行肖流勵(lì)俺。使用EESG t!l比使用PMSG的優(yōu)勢在-，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流可控，町以控制磁鏈 在不同功率段獲得最小損耗；而且不盂要使用成

14、木較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁 的風(fēng)險(xiǎn)，Enercon公司主要經(jīng)營這類產(chǎn)品。但是EESG盂要為勵(lì)礎(chǔ)繞組捉供空間，會(huì)使電機(jī) 尺、J更人，轉(zhuǎn)子繞組苴流勵(lì)磁需?；h(huán)和電刷。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型定子電壓方程為% Wd譽(yù)-叫円% = R打+ £魯+叫M + 3屮 其中，"/、“旳分別為定子d、q軸電壓分最：打、0分別為定子d、q軸電路分最；&為 定子電阻；Ld、分別為定子d、q軸自感；血為轉(zhuǎn)子角速度；0為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈最 大值。電磁轉(zhuǎn)矩方程為刀=卩(0旳+ (厶/_£)4嘉)其中，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。忽略附加損耗后的功率平衡方程為Pe=PlPFePm匕=Pc

15、_PzIt中，鄉(xiāng)、片、&分別為電機(jī)的電磁功率、輸入功率和輸入功率；Px 卩刑、Pg分別為 電機(jī)的鐵耗、機(jī)械損耗和定子銅耗。電磁功率與電礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為5.2全功率變流器風(fēng)電機(jī)組變流器電力電子變流器作為風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的接II,作出非常晅耍，既耍對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行控 制，乂要向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能，還要實(shí)現(xiàn)低電斥穿越等功能：隨著風(fēng)力發(fā)電的快 速發(fā)展和 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容吊的不斷增人，變流器的容駅也要隨Z增人，因此人容昴多電平變流器也開 始得到應(yīng)用，以卜將對(duì)一些典型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。從圖1中可以看到，典型的水磁直馳變速恒頻鳳電系統(tǒng)中，采用背靠背雙PWM變流 器，包括電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器，能杲

16、町以雙向流動(dòng)。對(duì)PMSG直驅(qū)系統(tǒng)，電機(jī)側(cè) PWM變流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的dq軸電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及電機(jī)勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩的解耦控制， 使發(fā)電機(jī)運(yùn)彳j在變速恒頻狀態(tài)，額定風(fēng)速以FJWfAi人風(fēng)能捕獲功能。電網(wǎng)側(cè)PWM變流器 通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的dq軸電流，保持苴流側(cè)電床穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)令功和無功的解耦控制，控制流向 電網(wǎng)的無功功率，通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，還要提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)帚，背旅背雙 PWM變流器是前風(fēng)電系統(tǒng)中常見的一種拓?fù)?，國?nèi)外對(duì)苴硏究較多，主耍集屮在變流器 建模、控制算法以及如何捉高其故障穿越能力等方而。國外公司如ABB、Alstom,國內(nèi)公 司如合肥陽光電源等，均佇這類變流器產(chǎn)品。対在驅(qū)熨風(fēng)電系統(tǒng)

17、，變流器拓?fù)涞倪x擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓?fù)?結(jié)構(gòu)，通過boost變換器實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)提I'nj發(fā)電 機(jī)的運(yùn)行效率，保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，對(duì)PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變速 恒頻運(yùn)行，在額定風(fēng)速以卜識(shí)冇最人風(fēng)能捕獲功能國外Enercon公司的宜驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng) c82(2mw)、國內(nèi)介肥陽光電源的小熨并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)變流器使用這種拓?fù)?。圖2不控整流+DC/DC變換+逆變拓?fù)潆S看風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容鼠的不斷增人，風(fēng)電變流器的電壓與電流等級(jí)也在不斷提高，因此 多電平變流器拓?fù)涞玫搅藦V泛關(guān)注。變流器采用多電平方

18、式厲，nJ以在常規(guī)功率器件耐壓咸 礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)，獲得更多級(jí)（臺(tái)階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含彊少, 電用變化率小，并獲得更人的輸出容吊:。圖3是宜柴風(fēng)電系統(tǒng)中三電'卜背靠背雙PWM變流 器拓?fù)?，與兩電平雙PWM變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外増加了箝位二 極管：11流側(cè)電容由兩個(gè)完全-樣的電容串聯(lián)組成，電容的屮點(diǎn)作為變換器的箝位點(diǎn)，由 網(wǎng)側(cè)變換器保持直流側(cè)兩個(gè)電容的電壓均衡。這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)電中的應(yīng)川目前U經(jīng)比較成熟, 對(duì)其的研究很多，主要集中在控制策略的優(yōu)化上。目前，世界范由內(nèi)從爭人功率風(fēng)力發(fā)電 用變流器和高壓變頻器研制的一吐公司，都冇多電平的產(chǎn)品方案：AB

19、B用風(fēng)力發(fā)電的變 流器如acslOOO,整流器采用12脈沖二極竹整流，逆變器采用三電平NPC結(jié)構(gòu)，器件采用 IGCT： SIEMENS也仃相似的應(yīng)用，功率器件采用高壓IGBT：法國ALSTOM公司采用飛 跨電容型四電平拓?fù)?功率器件采用IGBT,另外還基JTGCT開發(fā)出了 E跨電容型五電平 變頻器。電網(wǎng)圖3三電平背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)5.2.1電機(jī)側(cè)變流器控制策略令L,=J=Lq,則定子方程變?yōu)閐i.% = Rj$d + 厶-一譏% at% = Rq +厶于+ "厶B +（呼dt根據(jù)上式可以構(gòu)成電機(jī)側(cè)變流器的電流環(huán)控制圖如卜圖所示。由于定子直軸電流.交 軸電流不但受到各門控制電壓和

20、“即的影響，還耍分別受到交叉耦介電壓-祖也，、 叫小呼的影響。因此，在電機(jī)的電流壞控制屮，除了要對(duì)直軸電流和交軸電流分別進(jìn) 行閉合枳分控制，從而得到相應(yīng)的控制電壓分戰(zhàn)和”岡以外，還要分別加上交叉耦介電壓 的補(bǔ)償項(xiàng)-曲、coL +a）y/ ,最終分別得到宜軸控制電斥和交軸控制電斥叫孑和。電機(jī)側(cè)變換器圖3.1電機(jī)側(cè)變流器的電流環(huán)控制柜圖為了更好地控制轉(zhuǎn)矩（或有功功率），還應(yīng)在電流環(huán)Z外加上轉(zhuǎn)矩環(huán)（或功率壞）。由J：L嚴(yán)Lq,而且采用打=0的控制方式，所以電磁轉(zhuǎn)矩衣達(dá)式變?yōu)門e = PWjq當(dāng)保持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，可以通過控制定子交軸電流分最來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而進(jìn)一步 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出冇功功率的控制。帯

21、仃仃功功率控制外壞的電機(jī)側(cè)變流器的控制框圖如圖所示。由丁在后而對(duì)電網(wǎng)側(cè)變流 器進(jìn)行控制時(shí)，要求它保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，因此直流側(cè)電容器的充放電對(duì)有功功率的影響 很小。如果再進(jìn)一步忽略變流器本身的功率損耗，就町認(rèn)為發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率經(jīng)過電機(jī) 側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器后會(huì)被全部送入電網(wǎng)。因此 在圖3.2中，發(fā)電機(jī)輸出的功率是通過間接 檢測電網(wǎng)側(cè)變流器輸入到電網(wǎng)的功率來近似獲取的。圖32電機(jī)同變滄器的控制柿圖It機(jī)仙變換曙電剛傅交«5. 2.1電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略(1) 電網(wǎng)側(cè)變流器的基本工作原理電網(wǎng)側(cè)變流器的主電路為三相橋式結(jié)構(gòu)，采用脈寬調(diào)制方式控制乂開關(guān)元件工作，梵交 流側(cè)電壓除了止弦基波外，

22、也存在一些高次諧波。但由電感的濾波作用，使得高次諧波 電床所產(chǎn)生的諧波電流很小，所以電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)電流波形比較接近正弦。在以卜的 分析中，將不考慮交流側(cè)電壓和電流諧波在電網(wǎng)看來，電網(wǎng)側(cè)變流器相當(dāng)丁是個(gè)町控的三相交流電壓源，圖3.6為其取波等效 電路。圖中，%、"其分別為電網(wǎng)的三和電壓，“+、一”代表規(guī)定的正方向(卜同): 人、厶分別為變流器交流側(cè)的電阻和電感分別為交流側(cè)三相電流，其正方 向規(guī)定如箭頭所示(卜同)；%、%、唏分別為交流側(cè)三相電壓。變流器的丁作狀態(tài)將由它 們共同決定。圖3.6電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)竽效電路當(dāng)電網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),由圖3.6可知任意一相的電壓平衡方程式

23、為式(3.7)對(duì)應(yīng)的相彊圖如圖3.7所示.其屮，圖3.7(a)衷示電網(wǎng)側(cè)變流器工作J：逆變狀態(tài),有功功率從變頻器輸入電網(wǎng)：圖3.7(b)表示電網(wǎng)側(cè)變渝器1作十整流狀態(tài)，有功功率從電網(wǎng)輸入變頻器。從圖3.7也可看出，通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)電床的幅值和相位，就町以控制電流人的人小及其與電網(wǎng)電壓Z間的相位角卩，從而讓變流器工作在不同的運(yùn)行狀態(tài):(b)整流狀態(tài)圖3.7電網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行相城圖(1)單位功率因數(shù)逆變運(yùn)彳亍。交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓Z間的和位角0為180。，變流器與 電網(wǎng)Z間沒月無功功率的傳遞，有功功率從變流器輸入電網(wǎng)。(2) E位功率因數(shù)整流運(yùn)行。交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓同相，變流器與電

24、網(wǎng)Z間沒冇無 功功率的傳遞，仃功功率從電網(wǎng)輸入變流器。(3) 靜止無功發(fā)生器運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)0=90°時(shí)，變流器與電網(wǎng)Z仙僅有無功傳遞，相當(dāng) 一臺(tái)靜止的無功發(fā)牛器。(4) 兀他運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)卩=(090° )時(shí)，變流器從電網(wǎng)吸收仃功功率和滯后的無功功 率：當(dāng)F=(-90°0)時(shí)，變流器從電網(wǎng)吸收仃功功率和超前的無功功率；當(dāng)卩=(90°180° ) 時(shí)，變流器向電網(wǎng)輸出幻功功率和超前的無功功率；當(dāng)0=(-180°-90')時(shí)，變流器向電 網(wǎng)輸出冇功功率和滯后的無功功率?？梢姡娋W(wǎng)側(cè)變流器能夠靈活控制輸入到電網(wǎng)的無功功率。一方面，

25、9;號(hào)電網(wǎng)盂耍無功補(bǔ) 償時(shí)，它町以方便地提供相應(yīng)的無功功率：另一方面，如果電網(wǎng)對(duì)無功功率沒仔要求，町按 功率因數(shù)為1進(jìn)行控制，從而降低變流器的容最耍求和投資。這也是雙PWM變流器與其它 變流器相比所貝冇的優(yōu)點(diǎn)(2)電網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為了對(duì)電網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)彳J：有效的控制，旨先必須建立其數(shù)學(xué)模型。如果用開關(guān)來農(nóng)示變 流器的備個(gè)電力電子器件，則電網(wǎng)側(cè)變流器的主電路町用圖3.8所示的簡化模型來表達(dá)。a p負(fù) 伐為了推導(dǎo)方便，引入開關(guān)函數(shù)來表達(dá)并相電力電子器件的導(dǎo)通狀態(tài)。第i相（Zb,c） 的丿I關(guān)函數(shù)農(nóng)達(dá)式為S®導(dǎo)通幾導(dǎo)通(3.8)由圖3.8,根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以寫出以卜方程d

26、iu R i 厶=vg Ka g dt ta ugbRgigb Lg= %(3.9)c 警= Sh+Sh+S®-iL式屮，C為直流測電容，匚為負(fù)我電流。圖3.8電網(wǎng)側(cè)變流器主電路的簡化模型用°）表示直流側(cè)負(fù)極性端n與電網(wǎng)中性點(diǎn)之何的電壓；洛對(duì)、匕“）、匕“）分別表示變流器交流側(cè)并相對(duì)n端的電斥。則變流器交流側(cè)并相對(duì)電網(wǎng)屮性點(diǎn)的電壓分別為%=弋心）+匕.0）S =也）+ %.0） >=VUc.n）+V（H.O） 根據(jù)平均狀態(tài)空間法，可知在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)應(yīng)有怙”）= S%匕,）=(3.10)(31)式屮，U&為變流器直流側(cè)電壓。假設(shè)電網(wǎng)的三相電壓是對(duì)稱的，應(yīng)仃將式

27、(3.11). (3.12)代入到式(3.10)中可得S + S” + S%0)=一 % (3.13)再將式(3.10)、(3.11)、(3.13)代入到式(3.9)中可得di L- = -Ri g dt ggadidiJS Z + Sfv a3 丿_ sj+wX3 丿 osz + s八一 »一(3.14)C警叫+恥+S&Hat式中(3.14)就是電網(wǎng)側(cè)變流器在ABC坐標(biāo)系卜的高頻數(shù)學(xué)模型。將It寫為矩陣形式< 21ndt/ 、I333(S、f、udi.=-&£a121&adtJb333% +%112&丿宀丿Idk 333 J=(

28、87; Sb Sc)(iga(3.15)設(shè)電網(wǎng)三相電壓對(duì)稱，”以表達(dá)為cos(叫/ + a)Ugbcos(%r + a-120)Utc_cos(呼+ a+120)(36)式中，U站為電網(wǎng)相電壓的幅值；乞?yàn)殡娋W(wǎng)的電角頻率：a為電網(wǎng)A相電斥的初始相 位角。由電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值可以得到電網(wǎng)電壓的空間矢量為。廠(3.17)如果把dq坐標(biāo)系的d軸方向選為電網(wǎng)電斥的空何矢炭方向，q軸方向超前d軸90,則(3.18)如果d-q坐標(biāo)系的d相電壓初相角與A相的相等，則山ABC三相靜止坐標(biāo)系到g同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為(3.19)2 cos 61 cos(0f - 2龍/3) cos(0r + 2/r/3)3

29、-sinfijr -sin(6<-2/3) -sin(6< + 2-T/3)式中，"為dj同步旋轉(zhuǎn)塑標(biāo)系的角頻率。 于是有=C繪iga“ (3.20)SdSqSb Scf (3.21)將式中(3.19). (3.20). (3.21)代入到式(3.15)中,町得d«q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系卜電網(wǎng) 側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為di.Lg- = -R& + qLjgq-Sd% + Ugd di盂=一心凹一叫 Sd 一(3.22)c=SdW而dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系卜變流器的交流側(cè)電壓為gd=Sd% 小“、<(3.23)% = s出把式(3.23)代入到式(3.22)中,并且只取前兩個(gè)方程式,可得di.V = Sd 一 L* 十叫 gq + Ugddt(3.24)di而在dy同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系卜由電網(wǎng)側(cè)變流器輸入到電網(wǎng)的佇功功率和無功功率分別為Pg =