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风电系统PWM并网变流器

作者:新海燕论坛官网 发布时间:2020-07-28 06:54 点击:

  风电系统PWM并网变流器_电力/水利_工程科技_专业资料。第二章风电系统 PWM 并网变流器 2.1 直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换其交/直整流 既可以采用 IGBTPWM 整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波

  第二章风电系统 PWM 并网变流器 2.1 直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换其交/直整流 既可以采用 IGBTPWM 整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波 后者使用的大功率 IGBT 开关管少,因而性价比更高本文研究的 MW 级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变 器的功率变换拓扑结构通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功 功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型 PWM 变流器系统 变流部分拓扑如图 2 一 1 所示 图 2 一 1 直驱风力发电变流系统拓扑结构 发电机采用多极永磁同步电机发.出的交流电的电压幅值与频 率随风速的变化而改变经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅 值与频率变化的交流电变换为直流不控整流输出的卜直流电压往往 不能达到网侧逆变(PWM 变换)对直流侧电压的要求,需要升压斩波器 提高直流侧电压三相电压型 PWM 变流器将直流电逆变为电压幅值和 频率恒定的交流电馈入电网图 2 一 1 所示的网侧逆变器采用特殊的 直流侧中点接地的拓扑结构另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制 动单元一旦电网电压跌落,制动单元 IGBT 导通,电阻消耗能量,从而 减小并网电流网侧采用 LCL 滤波技术可以有效地滤除 PWM 变换中产 生的高频谐波 系统结构具有以下特点: 1.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮 箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本 2.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流 侧滤波电容量的要求 3.升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构,一方面分担电 流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波 4.PWM 变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化 结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线 绝缘性能的要求;而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增 加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于 中线的连接,引入了零序电流 5.斩波器输出之后加入了制动单元当电网电压突然跌落时,由 于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增此时使制动 单元 IGBT 导通,旁路 PWM 变流器,电阻能耗制动,降低并网电流待电 网电压恢复后再断开制动单元开关管,系统正常运行 6.PWM 变流器网侧采用 LCL 滤波,实现了风电变流系统与电网的 隔离:既滤除 PWM 变换的高频谐波,又滤除电网尖峰信号对功率变换 系统的干扰变流系统控制主要针对斩波器和逆变器斩波器通过调 节输入电流控制系统传输的有功功率因为斩波器输出侧直流电压由 PWM 变流器控制恒定,所以控制输入电流时,调节 IGBT 开关管的占空 比即控制了升压斩波器的输出电流,进而控制输入风能的功率对变 速恒频系统,斩波器输入电压会随风速的变化而改变为了控制系统 的有功功率,其输入电流指令也必然会相应的改变所以快速的动态 跟随性是斩波器的重要指标网侧逆变器有两个控制要求,其一要求 控制直流侧电压恒定,其二要求控制并网输出电流谐波畸变(THD)小, 且保持单位功率因数(unitypowerfactor),以控制系统无功功率为零 当然在必要的情况下,也应可以向电网发出需要的感性无功或容性 无功而网侧逆变器由于与风轮机和同步发电机隔离,其主要控制目 标是保持良好的抗扰性能当然在系统指令改变时,PWM 变流器也应具 有快速的动态响应 2.2PwM 变流器的分类及其拓扑 从电力电子技术的发展来看,变流器较早应用的一种形式就是 AC 心 C 变换装置,即整流器它的发展经历了由不控整流器(二极管整 流)!相控整流器(采用半控开关器件,如晶闸管)到 PwM 整流器(采用 全控开关器件,如 IGBT)的发展历程传统的相控整流器,应用的时间 较长,技术也较为成熟,但存在以下问题:图 2 一 1 直驱风力发电变流 系统拓扑结构发电机采用多极永磁同步电机发.出的交流电的电压 幅值与频率随风速的变化而改变经电容滤波后,六相二极管桥式整 流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流不控整流输出的卜直流 电压往往不能达到网侧逆变(PWM 变换)对直流侧电压的要求,需要升 压斩波器提高直流侧电压三相电压型 PWM 变流器将直流电逆变为电 压幅值和频率恒定的交流电馈入电网图 2 一 1 所示的网侧逆变器采 用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构另外在升压斩波与网侧逆变器 中间有制动单元一旦电网电压跌落,制动单元 IGBT 导通,电阻消耗 能量,从而减小并网电流网侧采用 LCL 滤波技术可以有效地滤除 PWM 变换中产生的高频谐波 并网变流器作用 (l)晶闸管换相引起网侧电压波形畸变; (2)网侧谐波电流对电网产生谐波污染; (3)深控时功率因数很低; (4)闭环控制时动态响应慢; 虽然二极管整流器改善了网侧功率因数,但是仍会产生网侧谐波 电流而污染电网,另外二极管整流的不足还在于直流侧电压的稳定性 差针对上述不足,PWM 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了 全面改进其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功 率开关管或二极管,以 PWM 斩控整流取代了相控整流或不控整流,功 能上也已经远远超过了最初的整流,所以名称也渐渐演变成变流器 PWM 变流器可以取得以下优良性能: (l)网侧电流近似正弦波; (2)网侧功率因数控制(如单位功率因数控制); (3)电能双向传输; (4)较快的动态响应; (5)可进行并网逆变; 目前已设计出多种的 PWM 变流器,电压型和电流型是最基本的分 类方法这两种类型的 PWM 变流器无论是在主电路结构!PWM 信号发生 以及控制策略等方面均有着各自的特点,并且两者存在着电路上的对 偶性电压型的 PWM 变流器研究和应用较多,因此本文主要介绍电压 型 PWM 变流器(VSR) 1.单相半桥!全桥 VSR 拓扑 图 2 一 2 分别示出了 vsR 单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构 I.4两者交流侧具有相同的电路结构,其中交流侧电感主要用以滤 除网侧电流谐波由图 2 一 2(a)可看出,单相半桥 VSR 拓扑只有一个 桥臂采用了功率开关,另一桥臂则由两电容串联组成,同时串联电容 又兼作直流侧储能电容;单相全桥 VSR 拓扑结构则如图 2 一 2(b)所示, 它采用了具有 4 个功率开关的/H0 桥结构值得注意的是:电压型 PWM 变流器主电路功率开关必须反并联一个续流二极管以缓冲 PWM 过程 中的无功电能比较两者,显然半桥电路具有较简单的主电路结构,!1. 功率开关数只有全桥电路的一半,因而造价相对较低,常用于低成本! 小功率应用场合进一步研究表明,在相同的交流侧电路参数条件下, 要使单相半桥 VSR 以及单相全桥 VSR 获得同样的交流侧电流控制特性, 半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍,因此单相半桥 VSR 的直流侧电压利用率低,功率开关管耐压要求相对提高,另外,为使半 桥电路中电容中点电位基本不变,还需引入电容均压控制,可见单相 半桥 VSR 的控制相对复杂 2.三相桥式 VSR 拓扑结构 图 2-3 为三相桥式 VSR 拓扑结构,其交流侧采用三相对称的无中 线 个功率开关管,这是一种最常用的三相电压型 PWM 整流器,广泛应用于电力系统的有源滤波和谐波补偿,以及作为 大功率拖动设备的前端整流。三相桥式 VSR 工作原理同单相全桥 VSR 类似,但是脉冲调制的时候是三相调制 3.三电平 VSR 拓扑 图 2-4 是三电平 VSR 常见的拓扑结构。和二电平 VSR 相比而一言, 三电 jVSR 的主要优点在于:一是对于同样的基波和谐波要求,它的开 关频率低得多从而可以大幅度降低开关损耗:二是它适用于更高的 交、直流侧电压规模(14]这两点都有利于加大变流机组的容量。不过 三电平 VSR 的缺点也显而易见,-方面其主电路拓扑使用功率开关器 件较多;另一方面,它的控制也要比二电一’VSR 复杂,尤其需要解 决中点电位平衡问题。 2.3 三相电压型 PWM 变流器的工作原理 PWM 变流器不同于传统意义上的 AC/DC 整流器,具有网侧功率因 数控制、能量双向传输的性能。当 PWM 变流器从电网吸取电能时,其 运行于整流工作状态,当 PWM 变流器向电网传输电能时,其运行于逆 变工作状态。单位功率因数控制是指:当 PWM 变流器运行于整流状态 时,网侧电压!电流同相,当 PWM 变流器运行于逆变状态时,其网侧电 压!电流反相进一步研究表明,PWM 变流器其网侧电流及功率因数均 可控,因而在风力并网变流器领域有着广泛的应用 图 2 一 5 给出了三相电压型 PWM 变流器的典型电路结构图 2 一 5 中共有四个储能元件,三个交流电感 L 和直流电容 C,另外 R 表示功 率开关管损耗等效电阻与交流电感及网侧等效电阻之和,为 PWM 变流 器交流侧等效电阻 交流电感的主要作用为:隔离电网电动势与变流器桥臂交流电压, 控制变流器交流侧电压实现四象限运行;滤除交流电流谐波;储能,实 现变流器与电网传递无功功率;使变换器具有升压变换(Boost)特性 直流电容的主要作用为:缓冲交流侧与直流负载之间的能量交换,稳 定直流电压;使直流侧具有电压源特性,构成电压型 PWM 变流器;抑制 直流侧电压谐波根据 PWM 变换电路的原理,直流电压由直流电压闭 环控制,桥臂中点电压通过开关管的 PWM 模式控制,类似于同步电机 励磁电压矢量的方向和幅值可控=.6]图 2 一 6 表示电压型 PwM 变流 器的等效电路图根据正弦调制和载波比较技术对功率开关管进行 PWM 调制,可以在桥臂交流侧产生正弦调制的 PWM 电压波形,如图 2-6 所示正弦调制 PWM 波含与调制波频率相同且幅值成正比的基波分量 和与载波相关的高频谐波这些高次谐波会产生电感电流脉动忽略 PWM 高次谐波,如下相量方程(2 一 1)式成立: 其中 E 为电网电动势相量,U,为桥臂交流电压!的基波分量的相 量而夕表示线电流基波分量的相量以电网电动势为参考,控制桥臂 交流电压相量 U!可以控制 PWM 变流器的运行状态,使其不仅能工作于 单位功率因数的整流或逆变状态,也可以根据需要发出超前或滞后的 无功图 2 一 7 给出系统相量图图 2 一 7a)中 U!超前 E 相角占,而电 流夕超前云相角少这里,,90,其有功分量少;与云相位相反,电路工 作在逆变状态,实现了能量的回馈;同时电流无功分量了,超前 E 相角 900,表明其具有超前的无功,呈现容性负载特性图(2 一 7b)中 U!滞 后 E 相角占,而电流 I 滞后云相角中这里价90,其有功分量 2与云 相位相同,电路工作在整流状态:同时电流无功分量 I;滞后 E 相角 900, 表明其具有滞后的无功,呈现感性负载特性 实际上由于可以调节电流幅值的大小和电网电动势与线电流之 间的相位差,系统既可以控制交直流侧有功功率的传递,又可以控制 变流器从电网吸收或发出的无功功率,方便地实现了四象.限运行由 此可见,要实现 PWM 变流器运行状态的控制,关键在于网侧线电流的 调节一方面可以通过控制桥臂交流电压来间接控制网侧电流(幅值 相位控制);另一方面,也可以通过网侧电流的闭环调节直接控制变流 器的网侧电流 2.4 三相电压型 PWM 变流器的数学模型 对控制对象的数学建模主要是为了提出相应的控制策略,设计控 制参数并分析系统的动!静态特性本节建立两种数学模型:一般电路 拓扑在三相静止坐标系(a-b 一 c)下的数学模型(包括低频和高频模 型),两相旋转坐标系(d 一 q)下的数学模型针对图 2 一 8 所示的主电 路图,图中 ea,气,ec 为电源电压,ia,心,i.为电源电流,叽,叽,叽为 整流前端输出 PwM 电压一几为直流回路输出电流,瓜为直流负载电流, 红为直流滤波电容输入电流,呱为直流母线电压,UN(,为图中 N 点对 O 点的电压,尺等效为开关损耗等效电阻和交流侧电感电阻含量之和, 凡.为直流侧等效负载电阻,几为直流侧滤波电容值,e:为直流电动势 各电压电流量均为瞬时值,正方向如图 2 一 8 所示为了简化分析作 如 下 假 设 (l)交流三相电网为理想电压源,即三相对称!稳定!内阻为零; (2)三相回路等效电阻相等,均为尺; (3)各相电感相等,均为入; (4)忽略开关器件的导通压降和开关损耗; (5)忽略分布参数的影响; 2:41 静止坐标系数学模型 所谓静止坐标系数学模型就是根据三相电压型 PWM 变流器拓扑 结构,在三相静止坐标系(a,b,)中,利用电路基本定律对变流器所建 立的一般数学进行描述如图 2 一 6 所示,当直流电动势气=o 时,直流 侧为纯电阻负载,此时三相 vsR 只能运行于整流模式;当气Vuc 时候, 三相 vSR 既可运行与整流模式,又可运行于有源逆变模式,此时三相 vSR 将气所发电能向电网侧输送,有时也称这种模式为再生发电模式; 当气呱时,三相 VSR 则运行于整流模式为便于分析,定义三相整流 桥开关函数 Sa,凡,Sc 为:

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