双馈风力发电机双PWM变换器控制及实现

风为我控，引领未来二○○九年九月十四日李辉双馈风力发电机双PWM变流器的控制及实现风为我控，引领未来主要内容一、双馈发电机工作原理二、双馈用变流器的要求及拓扑三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制四、网侧PWM变流器及其控制五、SVPWM变换技术原理六、双PWM变流器的DFIG系统及设计七、结论和讨论风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理1.什么是双馈发电机双馈发电机(DoublyFedInductionGenerator:DFIG)的基本结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。WindTurbineDFIGTransformerPWMconverterPWMconverterCapacitorGearbox3333gridgridQP,ssQP,rrQP,风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理2.双馈发电机特点具有较好的转速适应能力，能实现变速恒频发电具有独立的有功、无功调节能力具有深度进相运行能力具有良好的稳定运行能力WindTurbineDFIGTransformerPWMconverterPWMconverterCapacitorGearbox3333gridgridQP,ssQP,rrQP,12r风为我控，引领未来亚同步转速运行(定、转子电流同相序)同步转速运行超同步转速运行(定、转子电流反相序)一、双馈发电机工作原理3.双馈发电机运行状态WindTurbineDFIGTransformerPWMconverterPWMconverterCapacitorGearbox3333gridgridQP,ssQP,rrQP,12r21ff1r20f1r1r调节输入转子的电流相序和频率时，双馈电机便可以运行在亚同步、同步及超同步状态。21ff风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理4.双馈发电机等效电路和稳态方程风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理5.双馈发电机能量流动关系风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理5.双馈发电机能量流动关系风为我控，引领未来一、双馈发电机工作原理5.双馈发电机能量流动关系发电机转子能量是在电网和电机之间双向流动的，这也是双馈发电机中“双馈”的本质。此外，接转子回路的变流器，即发电机转子励磁的电源必须是一个能量能够双向流动的变流器。风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑1.双馈发电机用变流器的要求网侧变流器要求转子侧变流器要求风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑1.双馈发电机用变流器的要求风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑2.双馈发电机用变流器的形式两电平电压型双PWM变流器多电平双PWM变流器晶闸管相控交－交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑两电平电压型双PWM变流器由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变流器通过直流母线连接而成，通常为背靠背变流器，英文为back-to-backPWMconverter由于在双馈风力发电运行中，两个变流器的工作状态时刻发生变化，因此通常不按整流或逆变来区分，而是按照其位置称为转子侧变流器和网侧变流器。风为我控，引领未来两电平电压型双PWM变流器二、双馈用变流器的要求及拓扑风为我控，引领未来两电平电压型双PWM变流器网侧PWM变流器任务风为我控，引领未来转子侧PWM变流器任务两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来双PWM变流器运行状态两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来优点两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来优点两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来优点两电平电压型双PWM变流器风为我控，引领未来两电平电压型双PWM变流器Voltageandcurrents风为我控，引领未来缺点两电平电压型双PWM变流器中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来解决。风为我控，引领未来缺点两电平电压型双PWM变流器中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来解决。风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑多电平双PWM变流器为了满足风力发电对高压、大功率和高品质变流器的需求，多电平变流技术得到广泛应用。采用多电平变流技术后，可以在常规功率器件的耐压基础上，提高电压等级，获得更高级（台阶）的输出电压，使波形更接近正弦。谐波含量少，电压变化率小，并获得更大的输出容量。典型的多电平拓扑结构有：二极管箝拉型、飞越电容型，级联H桥型、混合箝拉型等。随着电平数增加，箝拉器件的数目也增加，导致系统实现困难。通常以三电平、五电平变流应用居多。风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑三电平双PWM变流器形式风为我控，引领未来二极管箝位三电平双PWM变流器风为我控，引领未来当由于功率器件的容量受制造水平的限制时，多电平变流器最主要的优点是能够实现较大容量的电能转换。和两电平相比：三电平变换器输出三个电压等级，减小了波形的谐波含量；在相同直流母线电压下，输出的dv/dt减小了一半，同时也有利于电机或滤波器的绝缘和安全运行，降低了滤波器的设计难度。三电平变换器主电路中的每个开关器件仅承受一半的直流侧电压，且无需动态均压电路，开关损耗小，为两电平的25%。中点箝位三电平双PWM变换器成为目前最为适合在高压大容量场合的双PWM电路拓扑结构。目前在2MW以上的风电机组中已采用。优点二极管箝位三电平双PWM变流器风为我控，引领未来和两电平相比：功率器件和电容增加1倍，额外增加了箝位二极管。整流侧由两个完全一样的电容串联而成。电容中点作为变流器的箝位点，由网侧变流器保持直流侧两个电容的电压均衡。如果电平数超过三，一般会出现电压平衡问题。(电容值、死区时间和负载不平衡)缺点二极管箝位三电平双PWM变流器风为我控，引领未来二极管箝位三电平双PWM变流器Voltageandcurrents风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑变流器比较及发展趋势主功率元器件数量：尽管交-交变流器和矩阵变流器无需中间直流环节，但是主功率器件比两电平变流器多。电压型两电平双PWM变流器具有优势。两电平电压型双PWM变流器多电平双PWM变流器晶闸管相控交－交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器电压传输比：电压型PWM变流器高。效率：谐振变流器高，其次是多电平。谐波和滤波问题：多电平最好。对电网故障适应能力：无中间环节，输出和输入直接耦合，因此有中间环节的变流器具有较好的故障适应能力。风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑变流器比较及发展趋势控制复杂程度：两电平变流器方案简单、可靠，技术最成熟。转子侧：电气传动领域的电压型PWM逆变器控制；网侧：PWM整流器。两电平电压型双PWM变流器多电平双PWM变流器晶闸管相控交－交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器主电路实现的难易度和成熟度：最易实现的是两电平变流器，其次是多电平变流器。目前2MW以下都采用的两电平变流器方式；同样额定功率器件采用多电平方式可应用到大功率场合，2MW以上通常采用，已有商品化模块。两电平电压型双PWM变流器是双馈用最具有优势的一种变流器，而多电平和软开关的结合将是双馈风电机组变流器的发展趋势。风为我控，引领未来三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制1.转子侧PWM变流器功能双馈风力发电系统控制主要是对DFIG的控制双PWM转子侧变流器对DFIG实现有效控制，决定运行性能网侧PWM变流器功能独立，控制直流母线电压稳定和好的输入特性。风为我控，引领未来三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制2.转子侧变流器控制目标通过对DFIG转速或有功功率控制，实现最大风能追踪和功率控制对DFIG定子输出无功功率的控制DFIG有功、无功功率和转子电流密切相关双PWM转子侧变流器对其电流控制DFIG是控制对象，转子侧变流器是控制指令的执行者风为我控，引领未来三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制3.转子侧变流器控制思路转子侧变流器控制应以DFIG的数学模型为基础来设计DFIG三相坐标系下的数学模型为高阶、非线性系统借助坐标变换，应用矢量控制技术，将转子电流分解为有功和无功分量，实现DFIG的有功和无功的解耦控制，实现其控制目标。坐标变换原理、DFIG数学模型推导在下一步算法开发中详细进行介绍风为我控，引领未来三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制4.电网电压恒定下DFIG简化电压方程并网DFIG的电压幅值、频率和相位恒定定子磁链恒定，即忽略定子励磁电流的动态过程PI调节参数设计依据可控量是转子电压、直接被控的对象是转子电流。转子电压和电流是矢量控制环设计的基础。不同的矢量定向就有不同的控制方案。常用的定子磁链和定子电压定向。消除交叉耦合补偿项依据风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制通常采用低通滤波器代替纯积分器。定子磁链观察器算法风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制采用定子磁链定向后，实现了DFIG定子有功和无功功率解耦。风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制转子电流闭环设计风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制转子电流闭环设计风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制采用定子电压定向后，实现了DFIG定子有功和无功功率解耦。风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制转子电流闭环设计风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制转子电流闭环设计风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制DFIG的功率控制风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制风为我控，引领未来四、网侧PWM变流器及其控制1.网侧PWM变流器实际是三相电压型PWM整流器风为我控，引领未来2.双馈用双PWM变流器关系风为我控，引领未来3.网侧变流器的数学模型风为我控，引领未来3.网侧变流器的数学模型网侧变流器可看做是可控的三相交流电压源。单位功率因数整流运行单位功率因数逆变运行非单为功率因数运行当直流侧电压恒定时,通过PWM控制，可调节变流器输入电压ur幅值、相位，从而调节输入电流大小及其和电网电压相位。风为我控，引领未来3.网侧变流器的数学模型风为我控，引领未来3.网侧变流器的数学模型风为我控，引领未来3.网侧变流器的数学模型每相输入电流均由三相开关函数共同控制，强耦合的高阶非线性系统，需要进行坐标变换。风为我控，引领未来4.同步旋转坐标下的网侧变流器数学模型风为我控，引领未来5.网侧变流器功率流风为我控，引领未来5.网侧变流器功率流风为我控，引领未来5.网侧变流器功率流风为我控，引领未来6.网侧变流器控制技术风为我控，引领未来6.网侧变流器控制技术凡是用于PWM逆变器供电的交流电机的控制方法，大都可以用于网侧PWM变流器的控制。电流内环的控制方法,如预测控制、非线性控制、直接功率控制等。风为我控，引领未来7.基于电网电压定向的网侧变流器控制风为我控，引领未来7.基于电网电压定向的网侧变流器控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来7.瞬时功率直接反馈的网侧变流器控制风为我控，引领未来五、SVPWM变换技术原理1.PWM技术概述所谓PWM(PulseWidthModulation)技术，就是在交流传动中利用半导体器件的开通和关断把直流电压变为一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压，以实现有效控制和消除谐波的一门技术。控制技术：正弦PWM；优化PWM；随机PWM实现方法：模拟式和数字式控制特性：开环式和闭环逆变器输出电压尽量接近正弦波，谐波