風電系統PWM并網變流器

1、第二章風電系統PWM并網變流器2.1直驅風力發(fā)電變流系統概述直驅型風力發(fā)電機組需要做全功率的變流器變換"其交/直整流既可以采用IGBTPWM整流器,也可以采用二極管不控整流與升壓斬波"后者使用的大功率IGBT開關管少,因而性價比更高"本文研究的MW級風力發(fā)電變流系統采用二極管不控整流,升壓斬波與兩重并網逆變器的功率變換拓撲結構"通過控制升壓斬波器的輸入電流以控制有功功率,調節(jié)無功則通過控制作為電網接口的電壓型PWM變流器"系統變流部分拓撲如圖2一1所示"圖2一1直驅風力發(fā)電變流系統拓撲結構發(fā)電機采用多極永磁同步電機"發(fā).出的

2、交流電的電壓幅值與頻率隨風速的變化而改變"經電容濾波后,六相二極管橋式整流器將幅值與頻率變化的交流電變換為直流"不控整流輸出的卜直流電壓往往不能達到網側逆變(PWM變換)對直流側電壓的要求,需要升壓斬波器提高直流側電壓"三相電壓型PWM變流器將直流電逆變?yōu)殡妷悍岛皖l率恒定的交流電饋入電網"圖2一1所示的網側逆變器采用特殊的直流側中點接地的拓撲結構"另外在升壓斬波與網側逆變器中間有制動單元"一旦電網電壓跌落,制動單元IGBT導通,電阻消耗能量,從而減小并網電流"網側采用LCL濾波技術可以有效地濾除PWM變換中產生的高頻諧波&

3、quot;系統結構具有以下特點:1.電機采用多極永磁同步結構:實現了電機的低速運轉,無齒輪箱:不需勵磁,無滑環(huán)和電刷;大大減少了系統的機械維護成本"2.電機與整流橋均采用六相結構,可減小電壓脈動并降低對直流側濾波電容量的要求"3.升壓斬波器和并網逆變器采用并聯多重化結構,一方面分擔電流;另一方面采用合理的調制模式可以有效地抑制高頻諧波"4.PWM變流器直流側中點接地使三相電流獨立控制,且對多重化結構能抑制環(huán)流,同時由于對直流電壓中點的箱位降低了對直流母線絕緣性能的要求;而將直流電壓分為兩個獨立變量,在控制上必須增加一個直流電壓控制環(huán)或直流電壓補償器,加大了控制難度

4、,且由于中線的連接,引入了零序電流"5.斬波器輸出之后加入了制動單元"當電網電壓突然跌落時,由于風輪機的機械慣性,傳遞功率不變而使并網電流突增"此時使制動單元IGBT導通,旁路PWM變流器,電阻能耗制動,降低并網電流"待電網電壓恢復后再斷開制動單元開關管,系統正常運行"6.PWM變流器網側采用LCL濾波,實現了風電變流系統與電網的隔離:既濾除PWM變換的高頻諧波,又濾除電網尖峰信號對功率變換系統的干擾"變流系統控制主要針對斬波器和逆變器"斬波器通過調節(jié)輸入電流控制系統傳輸的有功功率"因為斬波器輸出側直流電壓由PWM

5、變流器控制恒定,所以控制輸入電流時,調節(jié)IGBT開關管的占空比即控制了升壓斬波器的輸出電流,進而控制輸入風能的功率"對變速恒頻系統,斬波器輸入電壓會隨風速的變化而改變"為了控制系統的有功功率,其輸入電流指令也必然會相應的改變"所以快速的動態(tài)跟隨性是斬波器的重要指標"網側逆變器有兩個控制要求,其一要求控制直流側電壓恒定,其二要求控制并網輸出電流諧波畸變(THD)小,且保持單位功率因數(unitypowerfactor),以控制系統無功功率為零"當然在必要的情況下,也應可以向電網發(fā)出需要的感性無功或容性無功"而網側逆變器由于與風輪機和同步

6、發(fā)電機隔離,其主要控制目標是保持良好的抗擾性能"當然在系統指令改變時,PWM變流器也應具有快速的動態(tài)響應"2.2PwM變流器的分類及其拓撲從電力電子技術的發(fā)展來看,變流器較早應用的一種形式就是AC心C變換裝置,即整流器"它的發(fā)展經歷了由不控整流器(二極管整流)!相控整流器(采用半控開關器件,如晶閘管)到PwM整流器(采用全控開關器件,如IGBT)的發(fā)展歷程"傳統的相控整流器,應用的時間較長,技術也較為成熟,但存在以下問題:圖2一1直驅風力發(fā)電變流系統拓撲結構發(fā)電機采用多極永磁同步電機"發(fā).出的交流電的電壓幅值與頻率隨風速的變化而改變"

7、經電容濾波后,六相二極管橋式整流器將幅值與頻率變化的交流電變換為直流"不控整流輸出的卜直流電壓往往不能達到網側逆變(PWM變換)對直流側電壓的要求,需要升壓斬波器提高直流側電壓"三相電壓型PWM變流器將直流電逆變?yōu)殡妷悍岛皖l率恒定的交流電饋入電網"圖2一1所示的網側逆變器采用特殊的直流側中點接地的拓撲結構"另外在升壓斬波與網側逆變器中間有制動單元"一旦電網電壓跌落,制動單元IGBT導通,電阻消耗能量,從而減小并網電流"網側采用LCL濾波技術可以有效地濾除PWM變換中產生的高頻諧波"并網變流器作用(l)晶閘管換相引起網側電壓

8、波形畸變;(2)網側諧波電流對電網產生諧波污染;(3)深控時功率因數很低;(4)閉環(huán)控制時動態(tài)響應慢;雖然二極管整流器改善了網側功率因數,但是仍會產生網側諧波電流而污染電網,另外二極管整流的不足還在于直流側電壓的穩(wěn)定性差"針對上述不足,PWM整流器已對傳統的相控及二極管整流器進行了全面改進"其關鍵性的改進在于用全控型功率開關管取代了半控型功率開關管或二極管,以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流,功能上也已經遠遠超過了最初的整流,所以名稱也漸漸演變成變流器"PWM變流器可以取得以下優(yōu)良性能:(l)網側電流近似正弦波;(2)網側功率因數控制(如單位功率因數控制);

9、(3)電能雙向傳輸;(4)較快的動態(tài)響應;(5)可進行并網逆變;目前已設計出多種的PWM變流器,電壓型和電流型是最基本的分類方法"這兩種類型的PWM變流器無論是在主電路結構!PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有著各自的特點,并且兩者存在著電路上的對偶性"電壓型的PWM變流器研究和應用較多,因此本文主要介紹電壓型PWM變流器(VSR)"1.單相半橋!全橋VSR拓撲圖2一2分別示出了vsR單相半橋和單相全橋主電路拓撲結構I.4>"兩者交流側具有相同的電路結構,其中交流側電感主要用以濾除網側電流諧波"由圖2一2(a)可看出,單相半橋VSR拓撲只

10、有一個橋臂采用了功率開關,另一橋臂則由兩電容串聯組成,同時串聯電容又兼作直流側儲能電容;單相全橋VSR拓撲結構則如圖2一2(b)所示,它采用了具有4個功率開關的/H0橋結構"值得注意的是:電壓型PWM變流器主電路功率開關必須反并聯一個續(xù)流二極管以緩沖PWM過程中的無功電能"比較兩者,顯然半橋電路具有較簡單的主電路結構,!1.功率開關數只有全橋電路的一半,因而造價相對較低,常用于低成本!小功率應用場合"進一步研究表明,在相同的交流側電路參數條件下,要使單相半橋VSR以及單相全橋VSR獲得同樣的交流側電流控制特性,半橋電路直流電壓應是全橋電路直流電壓的兩倍,因此單相半

11、橋VSR的直流側電壓利用率低,功率開關管耐壓要求相對提高,另外,為使半橋電路中電容中點電位基本不變,還需引入電容均壓控制,可見單相半橋VSR的控制相對復雜"2. 三相橋式VSR拓撲結構圖2-3為三相橋式VSR拓撲結構，其交流側采用三相對稱的無中線連接方式，采用6個功率開關管，這是一種最常用的三相電壓型PWM整流器，廣泛應用于電力系統的有源濾波和諧波補償，以及作為大功率拖動設備的前端整流。三相橋式VSR工作原理同單相全橋VSR類似，但是脈沖調制的時候是三相調制 3.三電平VSR拓撲圖2-4是三電平VSR常見的拓撲結構。和二電平VSR相比而一言，三電jVSR的主要優(yōu)點在于:一是對于同樣的

12、基波和諧波要求，它的開關頻率低得多從而可以大幅度降低開關損耗:二是它適用于更高的交、直流側電壓規(guī)模(14這兩點都有利于加大變流機組的容量。不過三電平VSR的缺點也顯而易見，-方面其主電路拓撲使用功率開關器件較多;另一方面，它的控制也要比二電一VSR復雜，尤其需要解決中點電位平衡問題。2.3三相電壓型PWM變流器的工作原理 PWM變流器不同于傳統意義上的AC/DC整流器，具有網側功率因數控制、能量雙向傳輸的性能。當PWM變流器從電網吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)，當PWM變流器向電網傳輸電能時，其運行于逆變工作狀態(tài)。單位功率因數控制是指:當PWM變流器運行于整流狀態(tài)時,網側電壓!電流同相,當P

13、WM變流器運行于逆變狀態(tài)時,其網側電壓!電流反相"進一步研究表明,PWM變流器其網側電流及功率因數均可控,因而在風力并網變流器領域有著廣泛的應用圖2一5給出了三相電壓型PWM變流器的典型電路結構"圖2一5中共有四個儲能元件,三個交流電感L和直流電容C,另外R表示功率開關管損耗等效電阻與交流電感及網側等效電阻之和,為PWM變流器交流側等效電阻"交流電感的主要作用為:隔離電網電動勢與變流器橋臂交流電壓,控制變流器交流側電壓實現四象限運行;濾除交流電流諧波;儲能,實現變流器與電網傳遞無功功率;使變換器具有升壓變換(Boost)特性"直流電容的主要作用為:緩沖交

14、流側與直流負載之間的能量交換,穩(wěn)定直流電壓;使直流側具有電壓源特性,構成電壓型PWM變流器;抑制直流側電壓諧波"根據PWM變換電路的原理,直流電壓由直流電壓閉環(huán)控制,橋臂中點電壓通過開關管的PWM模式控制,類似于同步電機勵磁電壓矢量的方向和幅值可控=.6"圖2一6表示電壓型PwM變流器的等效電路圖"根據正弦調制和載波比較技術對功率開關管進行PWM調制,可以在橋臂交流側產生正弦調制的PWM電壓波形,如圖2-6所示"正弦調制PWM波含與調制波頻率相同且幅值成正比的基波分量和與載波相關的高頻諧波"這些高次諧波會產生電感電流脈動"忽略PWM高

15、次諧波,如下相量方程(2一1)式成立:其中E為電網電動勢相量,U,為橋臂交流電壓"!的基波分量的相量而夕表示線電流基波分量的相量"以電網電動勢為參考,控制橋臂交流電壓相量U!可以控制PWM變流器的運行狀態(tài),使其不僅能工作于單位功率因數的整流或逆變狀態(tài),也可以根據需要發(fā)出超前或滯后的無功"圖2一7給出系統相量圖"圖2一7a)中U!超前E相角占,而電流夕超前云相角少"這里,90",其有功分量少;與云相位相反,電路工作在逆變狀態(tài),實現了能量的回饋;同時電流無功分量了,超前E相角900,表明其具有超前的無功,呈現容性負載特性"圖(2

16、一7b)中U!滯后E相角占,而電流I滯后云相角中"這里價<90",其有功分量2"與云相位相同,電路工作在整流狀態(tài):同時電流無功分量I;滯后E相角900,表明其具有滯后的無功,呈現感性負載特性"實際上由于可以調節(jié)電流幅值的大小和電網電動勢與線電流之間的相位差,系統既可以控制交直流側有功功率的傳遞,又可以控制變流器從電網吸收或發(fā)出的無功功率,方便地實現了四象.限運行"由此可見,要實現PWM變流器運行狀態(tài)的控制,關鍵在于網側線電流的調節(jié)"一方面可以通過控制橋臂交流電壓來間接控制網側電流(幅值相位控制);另一方面,也可以通過網側電流的閉

17、環(huán)調節(jié)直接控制變流器的網側電流"2.4三相電壓型PWM變流器的數學模型對控制對象的數學建模主要是為了提出相應的控制策略,設計控制參數并分析系統的動!靜態(tài)特性"本節(jié)建立兩種數學模型:一般電路拓撲在三相靜止坐標系(a-b一c)下的數學模型(包括低頻和高頻模型),兩相旋轉坐標系(d一q)下的數學模型"針對圖2一8所示的主電路圖,圖中ea,氣,ec為電源電壓,ia,心,i.為電源電流,嘰,嘰,嘰為整流前端輸出PwM電壓一幾為直流回路輸出電流,瓜為直流負載電流,紅為直流濾波電容輸入電流,呱為直流母線電壓,UN(,為圖中N點對O點的電壓,尺等效為開關損耗等效電阻和交流側電感電阻含量之和,凡.為直流側等效負載電阻,幾為直流側濾波電容值,e:為直流電動勢"各電壓電流量均為瞬時值,正方向如圖2一8所示"為了簡化分析作如下假設(l)交流三相電網為理想電壓源,即三相對稱!穩(wěn)定!內阻為零;(2)三相回路等效電阻相等,均為尺;(3)各相電感相等,均為入;(4)忽略開關器件的導通壓降和開關損耗;(5)忽略分布