1、變速恒頻風力發(fā)電PWM整流及其控制策略的仿真研究    論文   作者：丁立云      2012-1-12 2:36:33    摘 要： 整流器是風力發(fā)電系統(tǒng)中有著不可或缺的作用，對三相升壓型PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)學模型、控制策略、主電路參數(shù)的設(shè)計進行研究，在系統(tǒng)模型分析的基礎(chǔ)上，隨后使用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建三相VSR的仿真平臺，對仿真實驗波形和數(shù)據(jù)進行分析，仿真結(jié)果表明，文中所述的三相VSR控制系統(tǒng)

2、設(shè)計方法可以實現(xiàn)高功率因數(shù)整流、低諧波輸入電流和維持直流電壓的要求。關(guān)鍵詞： 風力發(fā)電；PWM整流器；控制；仿真中圖分類號：TM303 文獻標識碼：A 文章編號：16717597（2011）1210075021 概述近幾年我國風力發(fā)電裝機容量保持了快速的增長，截至2010年年底，中國全年風力發(fā)電累計裝機容量達到4182.7萬千瓦。中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會和國際環(huán)保組織綠色和平發(fā)布的中國風電發(fā)展報告2010預(yù)測：2020年，中國風電累計裝機可以達到2.3億千瓦，相稱于13個三峽電站；總發(fā)電量可以達到4649億千瓦時，相稱于取代200個火電廠。風力發(fā)電系統(tǒng)一般由風力發(fā)電機組、整流器

3、、蓄電池組、逆變器和控制器等構(gòu)成。其中變速恒頻風力發(fā)電的特點是風輪和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率，不僅可高系統(tǒng)的風能利用率，適應(yīng)電網(wǎng)并網(wǎng)需求，同時更平穩(wěn)安全、噪音小。本文在參閱國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的整流電路進行研究，建立三相PWM電壓源型整流器的一般數(shù)學模型，并且對PWM整流器的參數(shù)和控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，最后通過Matlab仿真軟件進行仿真，分析仿真結(jié)果，改進方法。2 PWM整流電路拓撲隨著PWM整流器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已設(shè)計出多種PWM整流器，盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將PWM整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為

4、電壓型、電流型PWM整流器，無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。電壓型PWM整流器直流輸出電壓高于電網(wǎng)電壓，具有升壓的特性；而電流型PWM整流器直流輸出電壓可低于電網(wǎng)電壓，具有降壓的特性，兩者在應(yīng)用方面具有互補特性。本次仿真研究僅對具有升壓特性的三相電壓源型PWM整流器電路拓撲為基礎(chǔ)進行詳細研究，主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 三相半橋VSR結(jié)構(gòu)圖3 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型本次主要采用開關(guān)函數(shù)描述VSR的一般數(shù)學模型1 ，建立三相VSR dq模型，同時將模型線性化。改進后的數(shù)學模型為：4 雙閉環(huán)三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計將雙閉

5、環(huán)控制器設(shè)計方法用于PWM整流器，只需要經(jīng)過為數(shù)不多的幾步簡單計算，就可以確定控制器的參數(shù)，特別適合控制器參數(shù)的現(xiàn)場整定。雙閉環(huán)控制的另一個優(yōu)點也是它特有的優(yōu)點是：由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要使電流指令限幅，可以使整流器工作于恒流狀態(tài)，自然實現(xiàn)了對裝置的過載保護。5 三相PWM整流器的仿真分析Matlab的Simulink庫中，具有多種電力電子器件，比較適合于面向結(jié)構(gòu)仿真。本次將采用SimPowerSystems庫搭建模型進行仿真，對上述的理論分析進行了驗證。5.1 三相VSR仿真參數(shù)仿真模型中的參數(shù)計算選取三相交流電壓有效值220V、直流側(cè)初始電壓538V、交流側(cè)電感8mH、電流內(nèi)環(huán)參數(shù) =50

6、、 =250，直流側(cè)電容6mF、電壓外環(huán)參數(shù) =20、 =250、直流側(cè)參考電壓800V、開關(guān)頻率10kHz、負載電阻=100 、采樣時間5e-6s。5.2 PWM整流器的simulink仿真搭建為了表述清晰，將仿真模型搭建為三大模塊，分別是主電路模塊、控制系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)測量分析模塊。主電路模塊用于實現(xiàn)整流器所主回路的能量流通，主要由交流側(cè)電感、功率開關(guān)器件（IGBT模塊）、直流側(cè)濾波電容以及電阻負載組成。此外，主電路中還包含了三相交流電壓、電流測量模塊（Three-Phase V-I Measurement）、SPWM調(diào)制模塊（Discrete PWM Generator）和直流電壓測量模塊

7、（VoltageMeasurement）。數(shù)據(jù)測量分析模塊為外部示波器輸出四個量，分別是交流a相電壓、交流a相電流、交流側(cè)有功無功PQ以及直流電壓 。而交流側(cè)電流多接一個示波器則是為了進行對交流側(cè)電流的諧波分析。5.3 VSR控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析5.3.1 直流側(cè)電壓波形直流側(cè)輸出電壓 如圖2所示， 在系統(tǒng)運行時從510V開始，這是因為與IGBT反并聯(lián)的二極管存在，使得在PWM整流不工作的情況下也會產(chǎn)生一個值為線電壓1.35倍的直流電壓，在仿真環(huán)境中對電容C的起始電壓進行了設(shè)置。 在起始階段會產(chǎn)生較大的過電壓，這是由于比例積分控制的超調(diào)引起的，在0.3s后穩(wěn)定在了800V。在圖中，我們可以在這

8、張動態(tài)響應(yīng)圖上可以看到其動態(tài)指標如下：以上這些動態(tài)性能指標可以體現(xiàn)一個系統(tǒng)動態(tài)過程的特征。其中，和 反應(yīng)了一個系統(tǒng)響應(yīng)的初始快速性； 可以反應(yīng)一個系統(tǒng)的總體快速性；而超調(diào)量 描述了系統(tǒng)響應(yīng)的平穩(wěn)性或系統(tǒng)的阻尼程度。由上可知，系統(tǒng)在不到0.1s就第一次達到穩(wěn)定值，并且達到峰值，在0.3s后達到穩(wěn)定值，且超調(diào)量較小，初步達到了系統(tǒng)控制的三個條件：快速性、準確性和快速性。圖2 直流側(cè)輸出電壓波形圖5.3.2 交流側(cè)電壓和電流波形由于是三相對稱系統(tǒng)，選取a相電壓和電流，其穩(wěn)態(tài)時的波形仿真結(jié)果輸入電壓和電流同相位，滿足整流器系統(tǒng)的單位功率因數(shù)要求。這樣一個仿真結(jié)果是可以滿意的，電流波形接近正弦波，從而避

9、免了傳統(tǒng)晶閘管整流對電網(wǎng)造成的諧波污染，且運行在一個較高功率因數(shù)下。5.3.3 輸入有功功率和無功功率的波形圖3是電網(wǎng)輸入的有功無功變化曲線，從圖中可以清晰看到，在進入穩(wěn)態(tài)階段后，有功P維持在6500W這樣，而無功Q維持在0，這從另一個角度證明了整流器工作在單位功率因數(shù)下，與設(shè)計要求符合。圖3 電網(wǎng)輸入的有功功率和無功功率波形圖圖4 交流輸入端電流條狀頻譜5.3.4 VSR諧波分析運用仿真系統(tǒng)提供的FFT分析，從Matlab的工作空間中對存儲的交流a相電流運算，可以得到圖5所示的PWM整流器交流輸入端電流條狀頻譜。觀察可以發(fā)現(xiàn)，在整流器進入穩(wěn)態(tài)后（分析從0.6s至2s期間的電流值）交流輸入端的

10、電流諧波成分主要集中在5次諧波，THD值僅為2.57%。6 結(jié)論經(jīng)過20多年的研究與探索，PWM控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于整流器的設(shè)計之中，使整流器獲得了前所未有的優(yōu)良性能。與傳統(tǒng)的整流器相比，PWM整流器不僅獲得了可控的AC/DC變換性能，而且可實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和正弦波電流控制，甚至能使電能雙向傳輸。本文討論了三相PWM整流器的拓撲分類，在基于電壓型三相PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了其在三相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的一般數(shù)學模型，并討論了主電路中交流側(cè)電感L和直流側(cè)電容C的設(shè)計理論，為本論文的各種控制策略和算法提供了實驗平臺。在電壓電流雙閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上，對PI參數(shù)的設(shè)計進行了推導

11、，并給出了dq坐標系下的解耦方程和參數(shù)設(shè)計的理論依據(jù)。最后在MATLAB/SIMLINK環(huán)境下，建立了三相VSR的控制的仿真模型，并進行了仿真，仿真結(jié)果顯示該模型能達到要求值，驗證了控制系統(tǒng)的正確性。參考文獻：1張崇巍、張興，PWM整流器及其控制M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.2李玲玉，電流型PWM整流器及其控制策略的研究D.浙江大學，2006.3胡學芝，基于Matlab的三相電壓型PWM整流器建模與仿真J.自動化與儀器儀表，2005（6）.4熊健、張凱、陳堅，PWM整流器的控制器工程化設(shè)計方法J.電工電能新技術(shù)，2002（7）.5胡學芝，三相電壓型PWM整流器的建模和仿真J.船電技術(shù)，2

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13、直流系統(tǒng)研究J.電氣應(yīng)用，2005.13John Salmon, Hao Zhang A hybrid current controller for a 1-phase PWM rectifier combining hysteresis and carrier-based schemes to achieve a zero current error and unipolar PWM waveformsJ.35th AnnualIEEE Power Electronics Specialists Conference Aachen,Germany,2004.14M.Kazerani,V.H.Quintana A nodel modeling and control method for three-phase PWM convertersJ.Canada,2001.