【正文】 過對勵磁控制系統(tǒng)的要求分析以及該系統(tǒng)的具體情況選擇了此系統(tǒng)的勵磁控制方案。4 風力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變流技術(shù) 系統(tǒng)的需求分析和總體設計方案電力電子變流系統(tǒng)是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心，其容量要與風力發(fā)電機的容量相同，因此，隨著并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的容量不斷增大，變流器的容量也在不斷增大，本文主要研究850千瓦風力發(fā)電系統(tǒng)中的變流系統(tǒng)，下面將從850千瓦風力發(fā)電變流系統(tǒng)的總體需求和技術(shù)參數(shù)兩方面進行總體方案的設計。 850千瓦風力發(fā)電變流系統(tǒng)的需求分析本文所設計的850千瓦風力發(fā)電變流系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：（1）將發(fā)電機輸出的電壓、幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的電能，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的變速恒頻運行；（2）接受機組主控制器的指令，調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率，實現(xiàn)最佳風能捕獲；（3）調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率，提高發(fā)電機輸出的功率因數(shù)；（4）在機組正常工作的時候，控制逆變器的輸出，保證輸出波形質(zhì)量；（5）監(jiān)控發(fā)電機、電網(wǎng)和變流器的工作狀態(tài)，確保變流器的安全、可靠運行。 850千瓦風力發(fā)電機的技術(shù)參數(shù)850千瓦風力發(fā)電機的技術(shù)參數(shù)如下：型號： 同步、4極、6相，帶勵磁裝置系統(tǒng)：并網(wǎng)型，帶IGBT變頻器功 率：850kW （n = 1700 RPM）電 壓：690～730V電 流：340A～390A頻 率：～ Hz轉(zhuǎn) 速：1040～2000 RPM.功率因數(shù)：防護等級：IP 54絕緣等級：F/H環(huán)境溫度：40℃～40℃冷 卻：水冷（需要測水溫）水冷系統(tǒng)：軸承壽命：130000小時測 溫： 8PT100（6繞組線圈，2軸承）由以上需求分析與技術(shù)參數(shù)可知，本次畢業(yè)設計的重點為：（1）系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)的設計根據(jù)6相同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和當前電力電子器件的功率容量，設計符合850千瓦風力發(fā)電變流系統(tǒng)要求的主電路結(jié)構(gòu)形式。（2）變流器控制策略的研究有前面章節(jié)對風力發(fā)電機組的各種變流電路的分析可知，風力發(fā)電可以采取多種變流電路，不同的變流電路其控制策略是不同的。研究高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的風力發(fā)電變流系統(tǒng)，也是本文研究的重點。 主電路結(jié)構(gòu)設計鑒于不控整流設計簡單、效率高、控制方便、成本低等優(yōu)點以及PWM變換電路具有能量可以雙向流動，功率因數(shù)可調(diào)，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行等優(yōu)點，因此系統(tǒng)主電路采用不控整流和PWM逆變電路的組合。根據(jù)6相同步電機結(jié)構(gòu)設計出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖41 變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對于圖41的變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每組容量應達到400KVA,直流母線電壓應為690/*（~）=（~）V，本文中經(jīng)過調(diào)節(jié)直流母線電壓為950V。通過分析，只需對一組進行分析即可，分析時可以將發(fā)電機以及電網(wǎng)看做交流電源，其中網(wǎng)側(cè)電源頻率為50HZ。 工作原理隨著風速的變化，風輪的轉(zhuǎn)速也在變化，通過勵磁系統(tǒng)的控制作用，發(fā)電機發(fā)出幅值不變頻率變化的交流電。該交流電經(jīng)ACDC變換后變?yōu)殡妷悍捣€(wěn)定直流電，再經(jīng)過PWM逆變器，變?yōu)榱伺c電網(wǎng)相位和頻率相同，輸出電壓隨風速不斷變化且略高于電網(wǎng)電壓的三相交流電，最后經(jīng)過濾波電抗器并網(wǎng)，輸出電壓高于電網(wǎng)的部分降在濾波電抗器上。從而完成了并網(wǎng)型風力發(fā)電機變流電路將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)換為能并網(wǎng)的交流電的任務。 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖41中逆變部分僅是變流器的主電路，要設計一個完整的逆變系統(tǒng)除了主電路之外還要包括輸入電路、輸出電路、控制、保護電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖42所示。圖42 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（1）輸入電路逆變主電路輸入為直流電，如直流電網(wǎng)或蓄電池供電，若是交流電網(wǎng)首先還必須有整流電路。（2）輸出電路輸出電路一般都包括輸出濾波電路。對隔離室式逆變電路，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。對于開環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對于閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。（3）控制電路控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的導通和關斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路具有同樣的重要性。（4）輔助電源和保護電路輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成合適控制電路工作的直流電壓。保護電路主要有：①輸入過壓保護、欠壓保護。因為是電網(wǎng)問題，一般可以自恢復的。②輸出過壓保護、欠壓保護。一般是故障的問題，最好是不可自恢復。③過載保護。有時是瞬間過載，通常是可自恢復的。④過流和短路保護。屬于故障，通常是不可自恢復的。⑤過熱保護。當環(huán)境溫度過高或長時間超負荷運行，逆變系統(tǒng)會出現(xiàn)過熱，這時應自動保護，但冷卻系統(tǒng)應繼續(xù)工作，在溫度降到一定值時，應能自動恢復工作。 三相電壓型PWM并網(wǎng)變流器設計和控制原理 并網(wǎng)變流器電流控制方法電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器是對逆變器輸出的三相電流大小進行控制的一類電壓源逆變器，其工作原理就是控制與逆變器連接的濾波電感上的電流大小，使其跟蹤指令電流的變化，而電網(wǎng)電壓又是恒定的，從而使逆變器經(jīng)濾波后的輸出功率能夠隨著指令電流的變化而成正比的變化。根據(jù)有沒有引入電流反饋，可以將電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器分為間接電流控制型和直接電流控制型，下面分別予以介紹。（1）間接電流控制型間接電流控制也稱為相位和幅值控制。這種控制方法就是通過控制逆變器交流輸出電壓，是的輸出電流和電網(wǎng)電壓保持某一要求的相位和頻率，從而得到所需大小的有功和無功功率的一種控制方法。（2）直接電流控制在這種控制方法中，通過運算求出交流輸出電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種控制方法稱為直接電流控制。直接電流控制中有許多不同的電流跟蹤控制辦法，比如電流滯環(huán)比較法等。電壓源逆變器的間接電流控制方法和直接電流控制方法都有優(yōu)點和缺點。間接電流控制方法沒有引入電流反饋信號，是一種開環(huán)控制方法，因此控制簡單，但是在信號運算過程中要用到電路參數(shù)（電抗器的電感值和電阻值），當它們的運算值和實際值有誤差時，必然會影響到控制效果。此外，結(jié)合其控制過程可知，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設計的，其動態(tài)特性較差，要計算一個周期內(nèi)電壓的平均值才能得到電網(wǎng)相電壓的大小，因此對電網(wǎng)故障，對電網(wǎng)諧波引起的電壓波動等都響應較慢。而直接電流控制方法雖然引入了電流反饋信號，實現(xiàn)起來較復雜，但是其電流響應快，運算中未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性能好，特別是本文所設計的直接電流控制方法，采用了測量dq軸上電壓大小的方法，對電網(wǎng)電壓波動和故障響應速度快，因此波形較好。同時考慮到風力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器所采用的開關頻率相對較高，因此通常采用電感濾波。通過對采用典型電感濾波的并網(wǎng)變流器及其控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在并網(wǎng)變流器穩(wěn)態(tài)工作時要求維持直流母線電壓穩(wěn)定，同時其交流側(cè)要實現(xiàn)受控功率因數(shù)(如正負單位功率因數(shù))條件下的正弦波電流控制，并網(wǎng)變流器通過功率因數(shù)與電流控制可以在電動運行和發(fā)電運行之間進行切換。為實現(xiàn)這一目的，并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即直流電壓外環(huán)和網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)。在并網(wǎng)變流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流內(nèi)環(huán)的動態(tài)性能直接影響到直流電壓外環(huán)的性能，同時電流環(huán)的響應速度決定著直流側(cè)的抗擾動能力。本此設計由于發(fā)電機輸出電壓幅值穩(wěn)定因此不需要采用電壓外環(huán)，所以只使用電流環(huán)結(jié)構(gòu)。結(jié)合以上分析，此次850KW風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器采用直接電流控制結(jié)構(gòu)。 直接電流控制原理本次850KW系統(tǒng)機側(cè)采用不控整流，因此，系統(tǒng)的重點就在于網(wǎng)側(cè)變流器的控制。網(wǎng)側(cè)變流器將發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率完全送入電網(wǎng)，并在特殊情況下可以和電網(wǎng)交換一定的無功功率，提高電能質(zhì)量。網(wǎng)側(cè)變流器通過電流環(huán)的作用，可以調(diào)節(jié)變流器的輸出電流，由于電網(wǎng)電壓恒定從而可以達到控制輸出功率的作用。網(wǎng)側(cè)變流器的原理如圖43所示，其控制原理為：首先檢測交流側(cè)的電流，通過坐標變換將其轉(zhuǎn)換到2相垂直坐標系中，得到實際有功和無功電流和，將和與給定的有功和無功電流和相比較，其偏差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到電壓的指令值和，和送入PWM調(diào)制單元， PWM調(diào)制后生成PWM波。其中PWM調(diào)制單元首先將和變換到坐標軸，然后送入PWM發(fā)生器。圖43 并網(wǎng)變流器控制原理圖 并網(wǎng)變流器電流環(huán)設計對于圖33所示的并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)，其電流環(huán)工作原理可通過圖44來說明。當并網(wǎng)變流器在一定工作狀態(tài)下穩(wěn)定運行時(以正單位功率因數(shù)、額定電流、電動狀態(tài)為例)，如果只考慮交流側(cè)電流，電網(wǎng)電壓和變流器輸出電壓的基波分量，變流器的交流側(cè)可以簡化為圖44(a)所示的等效電路，交流側(cè)電壓電流的矢量關系如圖44(b)所示。 （a）交流側(cè)等效電路 （b）矢量關系圖圖44 等效電路與矢量關系從圖44(b)可知當變流器穩(wěn)態(tài)運行時，濾波電感中的電流由加在電感兩端的電壓決定，為了控制并網(wǎng)變流器的輸出電流，只能通過控制橋臂輸出電壓來控制電流。對于典型并網(wǎng)變流器，其橋臂輸出電壓由電流采樣信號與電流指令之間的誤差、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器和電網(wǎng)電壓共同決定，其橋臂輸出電壓的基波分量可由下式表示。（） （41）根據(jù)式（41）可知，采用直接電流控制的電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖45所示。圖45 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖針對圖45所示的電流環(huán)閉環(huán)控制，由于風力發(fā)電用變流器系統(tǒng)要求電流環(huán)具有快速的動態(tài)響應，通常電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例控制器，且電流控制回路增益與電流調(diào)制方式的選擇相關。如果選擇三角波載波技術(shù)，為了產(chǎn)生門極PWM控制信號要將網(wǎng)側(cè)電流采樣信號和參考電流之間的誤差通過控制器放大，然后將放大的電流誤差與固定幅值、固定頻率的三角載波信號進行比較，這種電流調(diào)制技術(shù)與空間矢量技術(shù)相比，其優(yōu)點在于并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)輸出電流中具有良好的譜線頻率，諧波含量較小。圖45中的和可以通過式(42)與(43)確定。 (42) (43)式中是三角波波形的振幅。 變流器增益。 調(diào)節(jié)器增益。從圖45和式(42)和式(43)中可得式（44)： (44)電流環(huán)的特征方程為: (45)通過分析可知特征方程無正實部的特征根所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的，電流環(huán)對所有取值均能保持穩(wěn)定，同時根據(jù)特征方程可知調(diào)節(jié)器確定著電流環(huán)的響應速度，但是如果太大，誤差信號可能超過載波設定的限幅值（三角波幅值），影響了變流器的開關頻率。如果太小會造成變流器的增益下降，意味變流器輸出電流無法準確地跟蹤參考信號，因此可通過調(diào)整比例調(diào)節(jié)器的增益來改善并網(wǎng)變流器的暫態(tài)響應。 PWM逆變器的數(shù)學模型一般PWM逆變器的直流側(cè)由一相穩(wěn)定的直流電源供電，交流側(cè)可以是交流負載，也可以接交流電壓源，典型的三相電壓型PWM逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖46所示。圖46 電壓型PWM逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖 逆變器相關知識以及濾波電感的選擇（1）逆變器相關知識圖36所示為三相電壓型逆變器的基本電路。由于輸入端施加的是直流電壓源，功率開關器件始終保持正向偏執(zhí)。圖中各可采用GTO/GTR/IGBT/MOSFET等自關斷器件，是與反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過高的瞬態(tài)電壓。載波比N和調(diào)制比分別定義為： （46） （47）式中為三角波頻率；為輸出基波頻率；為調(diào)制正選波幅值；為載波信號峰值。為了調(diào)節(jié)輸出電壓頻率（基波頻率），只需要調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率。為了調(diào)節(jié)輸出電壓幅度，只需要調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅度，即調(diào)節(jié)調(diào)制比。當并網(wǎng)變流器的直流母線電壓確定，交流側(cè)輸出電壓的最大峰值也得以確定，即: (48)式(48)中為PWM相電壓利用率(與PWM控制方式相關)。換言之，一旦PWM控制方式確定后，在一定的直流電壓條件下，為定值。又因為: (49)式中是電網(wǎng)相電動勢峰值。也就是說當電網(wǎng)電壓知道后就可以確定直流母線電壓。對于三相變流器，若采用三角載波SPWM控制，則直流電壓利用率為，而采用空間矢量SVPWM控制時，則直流電壓利用率。本文采用三角載波SPWM控制，因此直流母線電壓。（2）濾波電感的選擇首先按照典型電感濾波器設計，設定網(wǎng)側(cè)交流電流允許紋波峰值為20%的額定電流，經(jīng)計算電流紋波峰值為，根據(jù)電感設計L的工程經(jīng)驗公式可得所需的電感量為: （410）式中為三相交流電網(wǎng)相電壓有效值，為直流母線電壓，為紋波電流峰值，為PWM信號的開關頻率。忽略電感內(nèi)的寄生電阻，可得濾波電感在基波正弦信號下的的等效阻抗為: (411) PWM逆變器的數(shù)學分析定義開關函數(shù)： （49） （410） （411）因此，逆變器的開關信號可以產(chǎn)生8種狀態(tài)。表41列舉了在所有開關組合狀態(tài)下的逆變器的輸出電壓情況。表 41逆變器的交流端的輸出電壓與直流電壓的關系開關狀態(tài)輸出電壓輸出線電壓SaSbScuaubucuabubcuca0000000000011/31/32/30