風力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器

1、查閱、翻譯1萬印刷符（或譯出3千漢字）以上的外文技術資料，內容要結合畢業(yè)設計課題或專業(yè)所涉及的，并說明出處。外文原文要原樣打印或復印，不要編輯。風力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器楊勇，阮毅，沈歡慶，湯燕燕，楊影中華人民共和國，上海大學，機電工程與自動化學院摘要：在風力發(fā)電系統(tǒng)中對于能量的轉換和傳輸并網(wǎng)逆變器是一個重要的組成部分，它的性能直接影響著整個風力發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型最先被演繹出來。然后，空間矢量脈沖寬度調制被分析。功率因數(shù)控制接近最佳，超前或者滯后，這是在積分型電流控制器和電網(wǎng)電壓矢量定向控制的基礎上實現(xiàn)的。該控制策略用良好正弦電流，諧波分量小和快速動態(tài)響應驗證了仿真和實驗結果。關鍵

2、字：并網(wǎng)逆變器，空間矢量脈沖寬度調制，電網(wǎng)電壓矢量型，功率因數(shù)引言風能，作為一種可再生清潔能源，已經(jīng)變得對人類越來越重要，這就導致了人們研究和開發(fā)風力發(fā)電技術?；陔p饋感應發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)，在低速風洞渦輪機和高速風洞渦輪機之間通常需要一個速度增加的變速箱。因此，直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的研究和發(fā)展正在成為一個提高系統(tǒng)效率和可靠性的有效途徑。由于風力發(fā)電機的核心部分連接電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器通常采用脈沖寬度調制技術，此技術擁有很多優(yōu)勢，包括正弦輸出電流，低諧波分量對功率因數(shù)的適應性和直流母線電壓。自從過去幾年不同控制策略引入了并網(wǎng)逆變器。在第9篇和第10篇參考文獻中提到的控制策略是利用瞬時有功功率瞬時無

3、功功率，而沒有用電流回路控制器和pwm技術。但是，開關頻率不是一個常數(shù)，相反，它的錯誤決定于給定之間的活動和反饋無功功率。本文將詳細推導風力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，用空間矢量脈寬調制(space vectorpulse width modulation，svpwm)方式和電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略，采用d、q軸電流閉環(huán)，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。1 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型及其控制策略具有多重電樞混合勵磁電機和混合勵磁的風力發(fā)電機被用于風力發(fā)電發(fā)電系統(tǒng)。當風速低時，這個發(fā)電機能調節(jié)勵磁，延伸了風力發(fā)電的捕捉范圍和低速工作范圍。圖1 為多重電樞混合勵磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的結構圖。本文

4、研究電樞單元獨立運行時并網(wǎng)逆變器的控制策略。 圖1 多重電樞混合勵磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的結構1.1 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型設三相電網(wǎng)電壓為 （1）式中： e為相電壓的幅值；為電網(wǎng)角頻率。對于圖1方框內的并網(wǎng)逆變器，設其總電阻為r，在三相靜止坐標系abc中有 (2)式中：ia 、ib 、ic 為并網(wǎng)逆變器輸出電流；ua 、ub 、uc 為并網(wǎng)逆變器輸出電壓；l 為連接并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的電感。坐標變換從三相靜止abc坐標系變到兩相靜止坐標系(等匝數(shù)變換)如下： （3）由式(2)(3)可得 （4）設旋轉坐標系的同步旋轉頻率為從兩相靜止坐標系到兩相旋轉dq坐標系變換， （5）由式(4)(5)可得所以在到

5、兩相旋轉dq坐標系中并網(wǎng)逆變器的輸出電壓為： （8）1.2 并網(wǎng)逆變器的控制策略采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制，將同步旋轉dq坐標系的d軸定向于電網(wǎng)電壓合成矢量es方向上，q軸超前d軸90，空間矢量圖如圖2 所示。其中，es為電網(wǎng)電壓合成矢量，us為并網(wǎng)逆變器輸出電壓合成矢量，is為并網(wǎng)逆變器輸出電流合成矢量，ul為電感電壓的合成矢量，為功率因數(shù)角，=dt為es與軸的夾角，可得 （9）式中es 為電網(wǎng)電壓合成矢量的幅值。 將式(8)代入由式(9)整理得到 （10）圖2 空間矢量圖令 （11）代入式(10)得 （12）至此，實現(xiàn)了有功電流id 和無功電流iq解耦控制。為使輸出電流快速跟蹤給定電流，采用

6、電流pi調節(jié)器的實現(xiàn)閉環(huán)控制。pi調節(jié)器輸出為 （13）解得并網(wǎng)逆變器d、q軸電壓： （14）旋轉dq坐標的優(yōu)勢是它的控制數(shù)值例如電流會變成直流值，它可以消除電流穩(wěn)定跟蹤錯誤，實現(xiàn)對d軸和q軸的解耦控制。這簡化了表達式，達到了控制的目的。低采樣頻率通過一個簡答積分控制器就可以控制電流的數(shù)值。 假設目前的參考方向如圖1所示，在給定一個正向d軸電流和一個零序q軸電流的情況下，并網(wǎng)逆變器可以實現(xiàn)可以實現(xiàn)最佳功率因數(shù)并且只把有功功率發(fā)送入電網(wǎng)。輸出能量和功率因數(shù)可通過改變d軸電流和q軸電流被控制。并網(wǎng)逆變器的控制策略圖如圖3所示。圖3 并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)1.3 空間矢量脈寬調制當電壓ud* 、uq*

7、產生后，采用svpwm產生期望的電壓合成矢量us。對于電壓型的并網(wǎng)逆變器，存在8種開關狀態(tài)，每一種狀態(tài)決定一個電壓空間矢量。8個空間矢量把整個空間分成6個扇區(qū)，除了零矢量u0和u7外，其它每個空間矢量的幅值為udc，udc為直流母線電壓。根據(jù)dq坐標系下的電壓ud*、uq*以及電網(wǎng)角度，可得到電壓合成矢量us，而期望的電壓合成矢量us由每個扇區(qū)相鄰的2個電壓矢量合成，這樣可減少開關通斷次數(shù)和減少電流諧波。 （15）圖4 電壓空間向量 圖5 合成所需的輸出電壓矢量根據(jù)電網(wǎng)電壓的相角和dq坐標下的ud*、uq*，我們可以得到合成的電壓矢量。電壓矢量us應該和相鄰的矢量相合成以盡量減少開關次數(shù)和電流

8、諧波。圖5是一個在3相合成過程中描述的例子，輸出電壓矢量由公式（15）給出，因此我們可以得到 （16）圖6 三相pwm脈沖輸出其中t是pwm周期，t1和t2是兩個每個pwm周期活動載體時間工期，t0是每個pwm周期內零序正向向量的持續(xù)時間。為所需的輸出之間的電壓矢量和最初的向量之間的角度，us是最終向量us的放大。在t1和t2計算出來以后，就可以產生三相pwm脈沖。新一代的svpwm技術根據(jù)零向量的位置可分為零向量集中分布和零向量對稱分布。后一種方法使每個開關設備在一個pwm周期內動作一次，這樣使他們都有固定的開關頻率和少的諧波。所以后一種方法應用在這個系統(tǒng)當中。在3相的pwm脈沖的產生圖6所

9、示。圖7 matlab中的仿真模型2 并網(wǎng)逆變器的仿真為驗證并網(wǎng)逆變器的控制方法，用matlab 7.4進行仿真研究。為更接近實際，并網(wǎng)逆變器的二極管整流橋、pwm 逆變器、電感使用matlab7.4/simpowesystems 下的分離器件；其它控制算法通過matlab 7.4/simulink 實現(xiàn)。圖3的仿真模型如圖7所示。仿真參數(shù)如下：直流母線電壓udc=650v ；交流側電網(wǎng)電壓合成矢量的幅值es =220 23/ 2=465v；交流側電抗器電感l(wèi) =0.02h；交流側電抗器電阻r =1；電網(wǎng)基波角頻率 =2f =314rad/s；pwm 開關周期t = 100 s 。1） iq

10、= 0時的仿真結果。給定id = 3a 、iq =0a ，在0.1 s 后id =5a 、iq =0 a，圖8為一相電壓和電流仿真波形，圖9為d、q軸電流的仿真波形。2） iq 0時的仿真結果。給定電流為iq = 2a、id = 3a ，在0.1 s 后id =5a、iq = 2a，并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)發(fā)送有功無功功率。圖10為一相電壓和電流的仿真波形，圖11為d、q 軸電流仿真波形。圖8 iq=0時 一相電壓和電流仿真波形圖9 iq = 0 時d、q軸電流的仿真波形圖10 iq 0時一相電壓和電流的仿真波形圖11 iq 0時d、q 軸電流仿真波形3 并網(wǎng)逆變器的驗證為驗證并網(wǎng)逆變器的性能，研制了

11、基于英飛凌公司dsp 芯片(xc167ci)的實驗平臺，其硬件結構如圖3所示。實驗硬件平臺的發(fā)展是為了更好的完善網(wǎng)逆變器的控制策略。電氣參數(shù)和模擬參數(shù)一樣。轉換器的電源電路由一個基于全橋電路的絕緣柵雙擊晶體管構成。電力半導體開關以10kz的頻率運行，它的關閉時間是3s。三相pwm脈沖通過ccu6單位產生xc167ci。相電流ia，ib和直流母線電壓通過使用微控制器中的模擬數(shù)字轉換器來測量。當前積分控制器的應用，abc坐標到坐標的變換、坐標到dq坐標的變換和svpwm技術都是以每100微秒來執(zhí)行的。這個實驗有兩部分，一個是iq =0，另一個是iq 0的情況，給定電流和仿真的相同。1） iq =0情況下的實驗結果圖12顯示了一相電壓和電流得波形，圖13顯示的d軸和q軸電流的波形。圖12 iq = 0時一相電壓和電流的波形圖13 iq = 0 時d、q軸電流的波形2） iq 0情況下的實驗結果圖14顯示了一相電壓和電流得波形，圖15顯示的d軸和q軸電流的波形。圖14 iq 0時一相電壓和電流的