雙饋異步風力發(fā)電機勵磁控制變頻器綜述

課程考核<論文）題目雙饋異步風力發(fā)電機勵磁控制變頻器綜述學院專業(yè)年級班別學號學生姓名指導教師2018雙饋異步風力發(fā)電機勵磁控制變頻器綜述摘要：近年可再生能源地開發(fā)利用越發(fā)受到重視,而風力發(fā)電是其中最廉價、最有希望地綠色能源.風力發(fā)電技術可分為兩種系統(tǒng)：恒速恒頻和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng).由于后者具有風能利用率高,有功、無功可獨立調節(jié),系統(tǒng)采用交流勵磁等優(yōu)點,成為了當今風力發(fā)電技術地發(fā)展方向.在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中,多采用交流勵磁地雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機.交流勵磁通過變頻器控制,其性能直接影響發(fā)電機與電網(wǎng)地運行.所以,本文以成熟地雙PWM變換器勵磁系統(tǒng),和處于理論階段地矩陣變換器勵磁系統(tǒng)為討論對象,闡述了兩種勵磁方式地原理,總結了各自優(yōu)缺點.b5E2RGbCAP關鍵詞：風力發(fā)電,變速恒頻,交流勵磁,雙PWM,矩陣變換器1雙饋型異步發(fā)電機變速恒頻運行地基本原理雙饋型異步發(fā)電機具有定子繞組和轉子繞組兩套繞組,它們分別接到不同地兩個獨立三相對稱交流電源,其轉子側可以根據(jù)情況輸入交流電流勵磁(在亞同步或超同步運行時>,也可以輸入直流電流來勵磁(在同步速運行時>,可以向電網(wǎng)回饋電能.當采用交流勵磁時,通過調節(jié)轉子側勵磁電流地頻率可以控制電機地轉速,從而使得雙饋發(fā)電機內部地電磁關系既不同于異步發(fā)電機又不同于同步發(fā)電機.p1EanqFDPw從電機學可知,電機穩(wěn)定運行時,轉子旋轉磁勢是跟隨定子旋轉磁勢同步運行地[1],是相對靜止地,雙饋異步電機地轉速和頻率地關系式可表示為[2]:DXDiTa9E3d(1>式(1>中：f1表示定子繞組電流頻率；f2表示轉子繞組電流頻率；p表示電機地極對數(shù)；n表示轉子旋轉地轉速.其中,正號表示轉子轉速低于定子磁場旋轉速度,系統(tǒng)亞同步運行,負號表示轉子轉速大于定子旋轉磁場轉速,系統(tǒng)超同步運行,此時轉子繞組地相序必須和定子地相序相反.從以上關系式可以看出,當風速變化引起轉子轉速變化時,只要調節(jié)轉子勵磁電流地頻率f2,就可以使系統(tǒng)并網(wǎng)時定子輸出頻率保持為工頻.RTCrpUDGiT1.1三相靜止坐標abe下地雙饋電機數(shù)學模型雙饋風力發(fā)電機在三相靜止坐標系下物理模型如圖1所示.首先假設發(fā)電機定子、轉子都是星形連接,下面列出雙饋電機地運動方程、電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程[3].圖1雙饋電機物理模型簡圖5PCzVD7HxA定子方程為：后于ψs90°,故us位于q軸地負方向,從而有usq=-us,usd=0.=0.根據(jù)上面推導地情況下,雙饋電機地電壓方程可表示為y6v3ALoS89(11>圖3子磁鏈定向坐標變換示意圖從式(11>中可以看出,定子側輸出地有功功率P和無功功率Q分別與定子電流在d、q軸上地分量成正比,因此只需要分別調節(jié)定子電流地有功分量和無功分量可分別獨立地調節(jié)P和Q,從而實現(xiàn)定子側輸出功率地解耦控制.M2ub6vSTnP2.4小結在雙饋電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)地基礎上,介紹了了傳統(tǒng)地雙PWM變頻器勵磁方法.介紹了其基本地拓撲結構和工作原理,并分別對網(wǎng)側變換控制策略和轉子側變換控制策略做了較詳細地說明.0YujCfmUCw3基于矩陣變換器地雙饋風力電機勵磁系轉子勵磁系統(tǒng)是雙饋電機能夠實現(xiàn)系統(tǒng)變速恒頻運行地關鍵部位,是雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中是一個不可或缺地環(huán)節(jié).雙饋電機轉子側地交流勵磁系統(tǒng)要滿足勵磁電流幅值、相位和頻率地獨立調節(jié)以及功率地雙向流動地要求.然傳統(tǒng)地交-直-交變頻器和交．交周波變換器雖然能夠滿足上述要求,但卻都有一個很大地缺陷,即：無功功率和諧波污染對電網(wǎng)地波動有很大地負面影響,因此必須添加相應地無功補償和有源濾波裝置,但這些途徑都只是“治標不治本",并沒有從根源上解決諧波污染問題,因此開發(fā)“綠色"電力電子變換器,提高電網(wǎng)地功率因數(shù),從根本上解決諧波污染就變地尤為重要,而矩陣變換器則是目前比較理想地選擇.本章將通過對交流勵磁機地幾種變頻器進行比較,然后著重介紹矩陣變換器地原理和調制算法.eUts8ZQVRd3.1矩陣變換器簡介矩陣式交交變換器在原理上完全可以滿足交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)地轉子側交流勵磁地能量雙向流動地要求,并且從性能上說,其具有十分理想地電氣性能,不會產(chǎn)生高次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,具有接近于l地高輸入功率因數(shù),要優(yōu)于目前常用地相控式交-交變頻器和交-直-交變頻器.但是由于矩陣變換器地關鍵部件具有雙向電壓阻斷能力和自關斷能力雙向開關目前在市場上還沒有成熟產(chǎn)品,所以限制了矩陣式變換器地實用化,現(xiàn)在市場上是用地由單向開關組合而成地雙向開關.由于尚未成熟地雙向開關器件,所以矩陣變換器至今仍處于研制階段[15].sQsAEJkW5T3.2MC等效數(shù)學模型圖4為MC運行地主電路拓撲結構簡圖.由三相對稱電源,輸入、輸出濾波器,九個雙向開關Sij<i=A,B,C,j=a,b,c）,三相變壓器及負載組成.圖4中虛線框內地MC可等效為圖5所示地整流器和逆變器地虛擬連接.GMsIasNXkA圖4矩陣變換器主電路拓撲結構圖5矩陣變換器等效電路圖由上兩圖可知,其等效拓撲結構與AC-DC-AC變換器相比,少了中間連接電容.因此,可采用雙空間矢量調制方法分別對虛擬整流器和逆變器進行調制.在理想電源情況下,虛擬整流器實行開環(huán)控制.由此,可借鑒三相逆變器地建模方式對矩陣變換器輸出端進行建模.TIrRGchYzg對MC虛擬逆變器輸出端建立數(shù)學模型如式(12>所示.式中,r為輸出濾波器電感電阻.j=(A,B,C>(12>(13>經(jīng)過變換矩陣T后,可得到MC輸出端在dq坐標系下地數(shù)學模型模型為：(14>如果要設計精確地MC控制器,需要得到MC模型地線性化表達式.在一些文獻中,直接將其等效為一階慣性環(huán)節(jié)[16],或忽略MC調制延時[17],使得等效模型不夠精確.通過檢測輸出濾波器電容電壓過零點相位與參考電壓相應過零點相位相減,并考慮濾波器和負載引起地相位滯后,可得到MC調制延時tdMC.7EqZcWLZNX(15>式(3>中各項依次表示MC延時,輸出電壓,參考電壓過零點所對應時間,在低頻段,純阻性負載情況下濾波器引起地延時tfl=0.根據(jù)(14>(15>式可得到MC及輸出端地開環(huán)傳遞函數(shù)模型GMC(s>為lzq7IGf02E(16>3.3脈寬調制策略根據(jù)空間矢量調制原理,可定義MC輸出線電壓空間矢量為：(17>輸出電壓空間矢量UOL由兩個相鄰開關矢量Uα、Uβ<從u1-u6中選擇）和一個零開關矢量<從u0-u7中選擇）合成而得到.zvpgeqJ1hk圖6電壓合成原理根據(jù)SVPWM原理和正弦定理計算得到開關矢量地占空比為(18>同理可得到虛擬整流器地調制占空比為(19>將虛擬整流器與虛擬逆變器二者地調制過程結合起來,可得到5個開關狀態(tài)地占空比為(20>以上各式中Ts為采樣時間,m為調制系數(shù)0≤m≤1.雙空間矢量PWM調制策略即可保證輸出線電壓地良好正弦性,又能保證輸入相電流地良好正弦性,實現(xiàn)了在矩陣變換器控制策略上運用空間矢量調制地目地,并使矩陣變換器具有優(yōu)于雙PWM變換器地效果.NrpoJac3v13.4小結本章主要研究了矩陣變換器地幾項關鍵技術：基本拓撲結構、安全換流策略和控制策略.首先介紹了矩陣式變換器地拓撲結構和基本原理,通過其拓撲結構得出矩陣變換器地丌關傳遞函數(shù).最后介紹了幾種比較常見地控制策略,并且對這幾種控制策略進行了性能地比較,并著重闡述了雙空間矢量PWM調制策略地基本原理.1nowfTG4KI4總結在交-交變頻器中因為晶閘管地自然換相必然產(chǎn)生豐富地諧波,而全控型器件地出現(xiàn)和成功應用為新型變頻器地開發(fā)提供了工具.由GTO和IGBT組成地具有中間直流環(huán)節(jié)地交-直-交變頻器,以直流環(huán)節(jié)為界,交-直-交變頻器在功能上是由整流器和逆變器所組成地,這種結構地變換器與由SCR構成地交交變頻器相比,具有諧波小、功率因數(shù)較高等優(yōu)勢,但由于在中間加入了直流環(huán)節(jié),使得變頻器地體積增大,而且中間直流環(huán)節(jié)地儲能過程是能量地兩次轉換過程,因此加大了能量地損失,影響了能量地傳遞效率,并仍有無法解決地諧波問題.fjnFLDa5Zo矩陣式變頻結合了交-交變頻器和交-直-交變頻器地優(yōu)點,它采用無直流環(huán)節(jié)地直接變頻電路,其采用全控型開關器件,并利用高速微處理器,可以更好地進行電壓、電流波形地優(yōu)化重組.相對于傳統(tǒng)變頻器,矩陣式變換器具有以下優(yōu)勢:tfnNhnE6e5(1>輸出頻率不受輸入頻率地限制；(2>可獲得正弦波輸入電流和輸出電壓；(3>能夠實現(xiàn)能量地雙向流動：(4>具有接近于1地高輸入功率因數(shù),可滿足四象限運行；(5>沒有中問直流儲能環(huán)節(jié),具有結構緊湊,體積小地優(yōu)點.5參考文獻[1]李永東．交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002：54--60．[2]陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1992：25～27．[3]胡崇岳．現(xiàn)代交流調速技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社,1998：33～36．[4]蘇彥民．交流調速系統(tǒng)地控制策略[M]．北京：機械工業(yè)出版社,1998：20---22．[5]姜衛(wèi)東,王群京．一種完全基于兩電平空間矢量調制地三電平空間矢量調制算法[J]．電工技術學報,2009,(1>：15～20．HbmVN777sL[6]YifanTang,LongyaXu．Aflexibleactiveandreactivepowercontrolstrategyforavariablespeedconstantfrequencygeneratingsystem[J],IEEETransactionsonPowerElectronics,1995,6(4>：472-478．V7l4jRB8Hs[7]宋永剛,趙莉．風力發(fā)電系統(tǒng)中逆變器地研fl；lJ[j]．電力電子技術,1999,4(2>：18-28．83lcPA59W9[8]黃正,年曉紅．基于模糊控制地直接功率控制在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中地應用[J]．大功率變流技術,2009,(5>：27～30．mZkklkzaaP[9]詹長江,秦荃華．三電平脈寬調制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學模型及仿真分析[J].中國電機工程學報,1999,19(7>：45～48．AVktR43bpw[10]HuberL,BorojevicD．SpaceVectorModulationwithUnityInputPowerFactorforForcedCommutatedCycloconverter[J]．IEEEIASConf．Rec,1991,5(3>：1032～1041．ORjBnOwcEd[11]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