·新能源·PWm整流器在直驱风力发电系统中的应用研究

　第３０卷第２期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．２　　　２００８年２月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．２００８　　·新能源·ＰＷＭ整流器在直驱风力发电系统中的应用研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ李建林，潘立青ＬＩＪｉａｎｌｉｎ，ＰＡＮＬｉｑｉｎｇ（中国科学院电工研究所，北京　１０００８０）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ）摘　要：分析了二极管箝位三电平拓扑及该电路的工作模式，提出了一种基于ＰＷＭ整流器的平均模型，分析了控制算法，并将之应用在直驱型风力发电系统整流变换中。仿真结果表明，该ＰＷＭ整流器可以有效地抑制注入电网的谐波，减小交流侧的电流波形畸变，实现功率因数可调以及能量的双向流动，适于风力发电系统。关键词：直驱型风力发电系统；整流器；空间矢量脉宽调制；三电平；二极管中图分类号：ＴＭ４６１：ＴＫ８３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００７）２－００７４－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｉｏｄｅｃｌａｍｐｅｄｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＤｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｏｄｅｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄａＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｖｅｒａｇｅｍｏｄｅｌｏｆＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｎｄｔｒａｃｋｅｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｉｓｄｅｒｉｖｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｓｉｓｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆＡＣｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗｉｎｇｏｆｅｎｅｒｇｙｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｉｎｇｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ＳＶＰＷＭ；ｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｓ；ｄｉｏｄｅ－ｃｌａｍｐｅｄ收稿日期：２００７－１２－１８基金项目：中国博士后基金项目（２００６０３９００９２）０　引言直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，它采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，有效地抑制了噪声。直驱型风力发电系统需要全功率变换器，在现有器件耐压水平未取得突破性进展以前，多电平技术因其可以减小开关电压应力和等效开关频率，非常适合应用于直驱型风力发电系统。目前，飞跨电容多电平变换器的开关负荷不一致，飞跨电容均压难以实现，而级联Ｈ桥多电平变换器需要独立电源，成本较高。虽然二极管箝位多电平变换器存在中点电位平衡问题，但可通过适当的控制来解决。因此，低成本、控制简单的二极管箝位三电平ＰＷＭ整流器成为当前直驱型风力发电整流变换研究的热点［１～８］。采用ＳＶＰＷＭ控制策略的三电平ＰＷＭ整流器，不仅达到了交流侧功率因数可调的目的，且减小了波形畸变率，实现了大功率的传输。１　三电平ＰＷＭ整流器电路拓扑及控制算法１．１　电路拓扑二极管中点箝位三电平ＰＷＭ整流器通过１２个功率开关管的２７种开关状态组合，每相桥臂输入端产生３种电平。本文研究的三电平ＰＷＭ整流器电路的拓扑如图１所示。图１中，二极管箝位中性点与输出直流侧的电容中点连在一起使得交流侧的ａ，ｂ，ｃ三相对ｎ点的电位可以出现３个电平Ｖｄｃ／２，０和－Ｖｄｃ／２。１．２　２系统建模假设所有元件均为理想元件。根据１２个开关在电路中的位置，可将其分为６组：Ｓｋ１与Ｓｋ３，Ｓｋ２与Ｓｋ４（ｋ＝ａ，ｂ，ｃ）。设每相的开关函数为Ｓｋ（ｋ＝ａ，ｂ，ｃ），　第２期李建林，等：ＰＷＭ整流器在直驱风力发电系统中的应用研究·７５·　图１　三电平ＰＷＭ整流器拓扑则有如下关系式成立：如果Ｓｋ＝１，则Ｓｋ１＝Ｓｋ２＝１，Ｓｋ３＝Ｓｋ４＝０，即上桥臂导通，ｋ相输出为Ｕｄｃ／２；如果Ｓｋ＝０，则Ｓｋ１＝Ｓｋ４＝１，Ｓｋ２＝Ｓｋ３＝０，即箝位开关管导通，ｋ相输出为０；如果Ｓｋ＝－１，则Ｓｋ１＝Ｓｋ２＝０，Ｓｋ３＝Ｓｋ４＝１，即下桥臂导通，ｋ相输出为－Ｕｄｃ／２。将上述开关函数进一步分解为Ｓｋｐ，Ｓｋｏ，Ｓｋｎ３个单刀开关，使得当Ｓｋｐ＝１，Ｓｋｏ＝Ｓｋｎ＝０时，Ｓｋ＝１；当Ｓｋｏ＝１，Ｓｋｐ＝Ｓｋｎ＝０时，Ｓｋ＝０；当Ｓｋｎ＝１，Ｓｋｐ＝Ｓｋｏ＝０时，Ｓｋ＝－１。得到Ｓｋｐ＋Ｓｋｏ＋Ｓｋｎ＝１Ｓｋｌ＝１或{０　，（１）式中，ｋ＝ａ，ｂ，ｃ；ｌ＝ｐ，ｏ，ｎ。１．３　三电平整流器的控制算法整个控制系统采用电压和电流双闭环控制方法，因为直驱型风力发电系统的整流部分对电流的动静态特性不像无功补偿要求那样高，所以，在该三电平整流器中采用跟踪指令电压矢量的ＳＶＰＷＭ电流控制方法。此外，为控制中点电压的波动，引入了直流侧电压及中点电位的检测环节，通过检测中点电位的漂移来改变ＳＶＰＷＭ中各矢量的作用顺序及其作用时间，进而通过脉宽的控制达到平衡中点电位的目的。该方法是通过电流调节环的运算获得指令电压矢量Ｖ，并通过Ｖｋ（ｋ为０，…，１８）矢量的合成实现对Ｖ矢量的跟踪控制，从而实现整流器的电流控制。从ｄ－ｑ坐标系下三电平整流器主电路的描述方程以及其后的简化式可以看出，三相整流器ｄ－ｑ轴电流分量ｉｄ，ｉｑ相互耦合，这对于电流控制器的设计是相当不利的。为此，引入了ｉｄ，ｉｑ的前馈解耦控制，且ｉｄ，ｉｑ电流环均采用ＰＩ调节控制［９～１１］。由此可得三相同步旋转ｄ－ｑ坐标系下三电平整流器电流控制时的电压指令为Ｖｑ＝Ｋｉｐ＋ＫｉＩ()ｓｉｑ－ｉ()ｑ－ωＬｓｉｄ＋ＶｑＶｄ＝Ｋｉｐ＋ＫｉＩ()ｓｉｄ－ｉ()ｄ－ωＬｓｉｑ＋Ｖ{ｄ，（２）式中，Ｖｄ，Ｖｑ为ｄ－ｑ坐标系中三相整流器指令电压；ｉｉ，ｉｑ为ｄ－ｑ坐标系中三相整流器交流侧指令电流。显然，这种电流前馈控制算法实现了ｉｄ，ｉｑ的解耦控制，并通过ＰＩ调节运算获得了整流器交流侧指令电压矢量Ｖ（Ｖｄ，Ｖｑ）［１２，１３］。此外，因为需跟踪的电流指令为与发电机交流侧电动势同频率的三相对称正弦波电流，则ｉｄ，ｉｑ在同步ｄ－ｑ坐标系下均为直流量，故采用ＰＩ调节器可实现ｉｄ，ｉｑ的无静差调节。最后，当Ｖｄ，Ｖｑ由三相整流器电流环调节运算确定后，其电流跟踪控制的指令电压矢量Ｖ即被确定，通过该矢量和中点电位控制的方法再进行空间电压矢量的选取和作用即可实现用ＳＶＰＷＭ调制方法控制三电平整流器的运行。２　仿真研究依照前面所述的数学模型、控制策略和调制算法，利用ＭＡＴＬＡＢ７．１仿真工具，对本文提出的应用于直驱型风力发电系统的三电平ＰＷＭ整流器进行了仿真研究。这里假设交流侧电压平衡，整流器带感性负载，仿真参数如下：额定输出功率为２００ｋＷ；交流侧电压为２４０Ｖ（线电压）；输入电感为４ｍＨ；交流侧等效电阻为０．１Ω；输出直流母线电容为７５００ｕＦ；额定输出电压为５００Ｖ；开关频率为２０ｋＨｚ；感性负载为４ｍＨ，１．２５Ω。图２为整流器输入侧线电压波形，图３为负载　·７６·华电技术第３０卷　从２００ｋＷ到４００ｋＷ变化时和交流侧Ａ相电压和电流的波形。由图２，图３可以看出，三电平整流器能够有效地控制直流侧电压以及交流侧的功率因数并具有优良的动态性能，且其交流侧输入电压波形可以有效地减小主开关管的电压应力。图２　整流器输入侧线电压Ｖａｂ　　图３　负载从２００ｋＷ突加到４００ｋＷ时交流侧Ａ相电压和电流响应（标幺值）　　试验时，直流电压为５０Ｖ，无负载时，相电压波形如图４所示，线电压波形如图５所示。带负载的相电压波形如图６所示。负载为３．３ｕＦ的电容和３０ｋΩ的电阻，都为星型接法并联，前面还有一个３ｍＨ的电感。图４　三相相电压波形　　可以看出，相电压波形为很明显的三个电平，而线电压的波形为五电平，其中Ｅ／２电平由图４、图５及图６可不太明显可能是由于控制相位误差的原因。图５　三相线电压波形图６　带负载的三相相电压波形３　结论基于ＰＷＭ整流器的平均模型，本文提出了一种适用于直驱型风力系统整流部分的二极管箝位三电平整流器，该三电平整流器可有效地解决直驱型风力发电机整流部分稳压和提高功率因数的问题。系统仿真验证了整流器系统的正确性和算法的有效性。参考文献：［１］Ｌ．Ｄａｌｅｓｓａｎｄｒｏ，Ｕ．Ｄｒｏｆｅｎｉｋ，Ｓ．Ｄ．Ｒｏｕｎｄ，ｅｔａｌ．ＡｎｏｖｅｌｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｔｈｒｅｅＬｅｖｅｌＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］．ＡＰＥＣ２００５ＩＥＥＥ，２００５，３（１）：５０１－５０７．［２］ＰｅｔｅｒＢａｒｒａｓｓ．ＡｎｏｖｅｌｌｉｎｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＰＥａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．２０００ＥｉｇｈｔｈＩＥＥ，２０００（９）：４２２－４２５．［３］ＭａＨａｏ，ＬａｎｇＹｕｎｐｉｎｇ，ＣｈｅｎＨｕｉｍｉｎｇ．ＡｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰＥＳＣ，２００４，６（５）：３６６５－３６７０．［４］ＴＫａｔａｏｋａＹＦｕｓｅＤＮａｋａｊｉｍａＳＮｉｓｈｉｋａｔａ．Ａｔｈｒｅｅｐｈａｓｅ　第２期李建林，等：ＰＷＭ整流器在直驱风力发电系统中的应用研究·７７·　ｏｌｔａｇｅｔｙｐｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｎａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．ＰＥａｎｄＶａｒｉａｂｌｅＳｐｅｅｄＤｒｉｖｅｓ，２０００ＥｉｇｈｔｈＩＥＥ，２０００（９）：３８６－３９１．［５］ＤｏｎｇＣｈｏｏｎＬｅｅ，ＤａｅＳｉｋＬｉｍ．ＡＣｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，１１（１７）：８８３－８９０．［６］詹长江，韩郁．基于电压空间矢量ＰＷＭ脉宽调制方式的新型三电平高频整流器研究［Ｊ］．电工技术学报，１９９９，１４（２）：６０－６４．［７］孟永庆，苏彦民，刘正．三电平中点箝位整流器系统建模及基于李亚普诺夫直接法的控制方法研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（２４）：７９－８４．［８］ＲｏｌａｎｄＧＲＥＵＬ，ＵｗｅＤＲＯＦＥＮＩＫ，ＪｏｈａｎｎＷ．ＫＯＬＡＲ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｕｎｉｔｙｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｙｒｅｃｔｉｆｉｅｒ．ＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｊ］．２００３ＩＮＴＥＬＥＣ，２００３（１０）：４２１－４２８．［９］伍小杰，罗悦华，乔树通．三相电压型ＰＷＭ整流器控制技术综述［Ｊ］．电工技术学报．２００５，２０（１２）：７－１２．［１０］ＭａｒｉｕｓｚＭａｌｉｎｏｗｓｋｉ，ＭａｒｅｋＪａｓｉｎ′ｓｋｉ，ＭａｒｉａｎＰ．Ｋａｚｍｉｅｒｋｏｗｓｋｉ．ＳｉｍｐｌｅｄｉｒｅｃｔｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｕｓｉｎｇｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＤＰＣ－ＳＶＭ）［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，４（５１