【正文】 過(guò)對(duì)勵(lì)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(lì)磁控制方案。4 風(fēng)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(shè)計(jì)方案電力電子變流系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心，其容量要與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量相同，因此，隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變流系統(tǒng)，下面將從850千瓦風(fēng)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(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。 850千瓦風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)的需求分析本文所設(shè)計(jì)的850千瓦風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）將發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行；（2）接受機(jī)組主控制器的指令，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲；（3）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率，提高發(fā)電機(jī)輸出的功率因數(shù)；（4）在機(jī)組正常工作的時(shí)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(jī)、電網(wǎng)和變流器的工作狀態(tài)，確保變流器的安全、可靠運(yùn)行。 850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：型號(hào)： 同步、4極、6相，帶勵(lì)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(hù)等級(jí)：IP 54絕緣等級(jí)：F/H環(huán)境溫度：40℃～40℃冷 卻：水冷（需要測(cè)水溫）水冷系統(tǒng)：軸承壽命：130000小時(shí)測(cè) 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(shè)計(jì)的重點(diǎn)為：（1）系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)6相同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和當(dāng)前電力電子器件的功率容量，設(shè)計(jì)符合850千瓦風(fēng)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種變流電路的分析可知，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)，也是本文研究的重點(diǎn)。 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑒于不控整流設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、效率高、控制方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)以及PWM變換電路具有能量可以雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于圖41的變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每組容量應(yīng)達(dá)到400KVA,直流母線電壓應(yīng)為690/*（~）=（~）V，本文中經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)直流母線電壓為950V。通過(guò)分析，只需對(duì)一組進(jìn)行分析即可，分析時(shí)可以將發(fā)電機(jī)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(fēng)速的變化，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也在變化，通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制作用，發(fā)電機(jī)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(guò)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(fēng)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(guò)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(wù)。 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(shè)計(jì)一個(gè)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(hù)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(duì)隔離室式逆變電路，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)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(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)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(hù)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(hù)電路主要有：①輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)。因?yàn)槭请娋W(wǎng)問(wèn)題，一般可以自恢復(fù)的。②輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)。一般是故障的問(wèn)題，最好是不可自恢復(fù)。③過(guò)載保護(hù)。有時(shí)是瞬間過(guò)載，通常是可自恢復(fù)的。④過(guò)流和短路保護(hù)。屬于故障，通常是不可自恢復(fù)的。⑤過(guò)熱保護(hù)。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高或長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，逆變系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，這時(shí)應(yīng)自動(dòng)保護(hù)，但冷卻系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)工作，在溫度降到一定值時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。 三相電壓型PWM并網(wǎng)變流器設(shè)計(jì)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(duì)逆變器輸出的三相電流大小進(jìn)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(méi)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(guò)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(wú)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(guò)運(yùn)算求出交流輸出電流指令值，再引入交流電流反饋，通過(guò)對(duì)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(diǎn)和缺點(diǎn)。間接電流控制方法沒(méi)有引入電流反饋信號(hào)，是一種開(kāi)環(huán)控制方法，因此控制簡(jiǎn)單，但是在信號(hào)運(yùn)算過(guò)程中要用到電路參數(shù)（電抗器的電感值和電阻值），當(dāng)它們的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，必然會(huì)影響到控制效果。此外，結(jié)合其控制過(guò)程可知，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動(dòng)態(tài)特性較差，要計(jì)算一個(gè)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(duì)電網(wǎng)故障，對(duì)電網(wǎng)諧波引起的電壓波動(dòng)等都響應(yīng)較慢。而直接電流控制方法雖然引入了電流反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜，但是其電流響應(yīng)快，運(yùn)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(shè)計(jì)的直接電流控制方法，采用了測(cè)量dq軸上電壓大小的方法，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和故障響應(yīng)速度快，因此波形較好。同時(shí)考慮到風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器所采用的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，因此通常采用電感濾波。通過(guò)對(duì)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(shí)要求維持直流母線電壓穩(wěn)定，同時(shí)其交流側(cè)要實(shí)現(xiàn)受控功率因數(shù)(如正負(fù)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(guò)功率因數(shù)與電流控制可以在電動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行之間進(jìn)行切換。為實(shí)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(dòng)態(tài)性能直接影響到直流電壓外環(huán)的性能，同時(shí)電流環(huán)的響應(yīng)速度決定著直流側(cè)的抗擾動(dòng)能力。本此設(shè)計(jì)由于發(fā)電機(jī)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(fēng)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(jī)側(cè)采用不控整流，因此，系統(tǒng)的重點(diǎn)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(jī)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(wú)功功率，提高電能質(zhì)量。網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)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(dá)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(cè)交流側(cè)的電流，通過(guò)坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換到2相垂直坐標(biāo)系中，得到實(shí)際有功和無(wú)功電流和，將和與給定的有功和無(wú)功電流和相比較，其偏差值經(jīng)過(guò)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(biāo)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(shè)計(jì)對(duì)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(guò)圖44來(lái)說(shuō)明。當(dāng)并網(wǎng)變流器在一定工作狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(以正單位功率因數(shù)、額定電流、電動(dòng)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(jiǎn)化為圖44(a)所示的等效電路，交流側(cè)電壓電流的矢量關(guān)系如圖44(b)所示。 （a）交流側(cè)等效電路 （b）矢量關(guān)系圖圖44 等效電路與矢量關(guān)系從圖44(b)可知當(dāng)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(guò)控制橋臂輸出電壓來(lái)控制電流。對(duì)于典型并網(wǎng)變流器，其橋臂輸出電壓由電流采樣信號(hào)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(duì)圖45所示的電流環(huán)閉環(huán)控制，由于風(fēng)力發(fā)電用變流器系統(tǒng)要求電流環(huán)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(guān)。如果選擇三角波載波技術(shù)，為了產(chǎn)生門(mén)極PWM控制信號(hào)要將網(wǎng)側(cè)電流采樣信號(hào)和參考電流之間的誤差通過(guò)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(hào)進(jìn)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(diǎn)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(guò)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(guò)分析可知特征方程無(wú)正實(shí)部的特征根所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的，電流環(huán)對(duì)所有取值均能保持穩(wěn)定，同時(shí)根據(jù)特征方程可知調(diào)節(jié)器確定著電流環(huán)的響應(yīng)速度，但是如果太大，誤差信號(hào)可能超過(guò)載波設(shè)定的限幅值（三角波幅值），影響了變流器的開(kāi)關(guān)頻率。如果太小會(huì)造成變流器的增益下降，意味變流器輸出電流無(wú)法準(zhǔn)確地跟蹤參考信號(hào)，因此可通過(guò)調(diào)整比例調(diào)節(jié)器的增益來(lái)改善并網(wǎng)變流器的暫態(tài)響應(yīng)。 PWM逆變器的數(shù)學(xué)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(fù)載，也可以接交流電壓源，典型的三相電壓型PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖46所示。圖46 電壓型PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 逆變器相關(guān)知識(shí)以及濾波電感的選擇（1）逆變器相關(guān)知識(shí)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(kāi)關(guān)器件始終保持正向偏執(zhí)。圖中各可采用GTO/GTR/IGBT/MOSFET等自關(guān)斷器件，是與反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負(fù)載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過(guò)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(hào)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(dāng)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(guān))。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?yàn)? (49)式中是電網(wǎng)相電動(dòng)勢(shì)峰值。也就是說(shuō)當(dāng)電網(wǎng)電壓知道后就可以確定直流母線電壓。對(duì)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(shí)，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(shè)計(jì)，設(shè)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(jì)算電流紋波峰值為，根據(jù)電感設(shè)計(jì)L的工程經(jīng)驗(yàn)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(hào)的開(kāi)關(guān)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(hào)下的的等效阻抗為: (411) PWM逆變器的數(shù)學(xué)分析定義開(kāi)關(guān)函數(shù)： （49） （410） （411）因此，逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)可以產(chǎn)生8種狀態(tài)。表41列舉了在所有開(kāi)關(guān)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(guān)系開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出電壓輸出線電壓SaSbScuaubucuabubcuca0000000000011/31/32/30