直驱式风力发电系统并网逆变器控制策略研究.doc

第44卷第5期2010年5月 电力电子技术 Power Electronics Vol.44,No.5May ,2010 基金项目台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划 DRES2007002 定稿日期2010-04-03 作者简介赵梅花1966-,女,河南洛阳人,博士研究生,副 教授,研究方向为风力发电。 1引言 风力发电系统中,风力机与发电机之间的转速匹配是一个关键问题,低速运转的风力机与发电机一般需要通过升速齿轮箱连接。大容量齿轮箱价格昂贵、故障率高、维护困难,它的存在已成为风力发电系统进一步发展的瓶颈。因此,研究开发直驱式风力发电系统是提高效率和可靠性的有效途径之一。 在变速恒频的直驱式风力发电系统中,网侧逆变器是连接发电机和电网的核心元件,对其控制策略的研究尤为重要。建立了直驱式风力发电系统中并网逆变器的数学模型,在此基础上采用空间矢量脉宽调制SVPWM 方式和电网电压合成矢量定向的控制策略 [1-2] ,实现有功功率和无功功率的解耦控 制。并通过试验结果证明了方案的可行性和正确性。 2控制系统描述 图1示出直驱式风力发电系统结构。该系统主要 由风力发电机PMG [3]、整流装置和网侧逆变器组成。 3并网逆变器动态数学模型 图1中,设三相电网电压为 e a e b e c E m sin ωt 1 式中E m 为相电压峰值;ω为电网角频率。 设网侧线路总电阻为R ,可得 u k Ri k L d i k d t e k , k a ,b ,c 2 式中i k ,u k 分别为并网逆变器输出电流和输出电压。 经变换,在两相静止α,β坐标系下数学模型为 u α u β ωω23姨1 -1/2 -1/2 姨/2-姨/ωω 2u a u b u c 姨姨姨姨姨姨姨姨Ri αL d i αd t e α Ri βL d i βd t e β ω ω T 3 从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系得 e d e q ωωcos ωt sin ωt -sin ωt cos ωωωt e αe β ωω4 直驱式风力发电系统并网逆变器控制策略研究 赵梅花1,2,阮 毅1,杨勇1 1.上海大学,上海 200072;2.洛阳理工学院,河南洛阳 471023 摘要在风力发电网侧逆变器动态数学模型基础上,采用空间矢量脉冲宽度调制SVPWM 方式和电网电压合成矢量定向,实现了电流有功分量和无功分量的解耦及功率因数的可调控制。对该设计方案进行了动态响应过程的试验研究。试验结果表明,系统动态响应快,性能和电流正弦度良好,谐波分量小,同时验证了该方案的可行性和正确性,为直驱式风力发电系统的进一步研究提供了可靠的理论依据。关键词风力发电;并网逆变器;电网电压矢量定向中图分类号TM614;TM46 文献标识码A 文章编号1000-100X 201005-0004-02 The Control Strategy Study of Grid -connected Inverter in Direct -driven Type Wind Power System ZHAO Mei -hua 1,2,RUAN Yi 1,YANG Yong 1 1.Shanghai University ,Shanghai 200072,China ; 2.Luoyang Institute of Science and Technology ,Luoyang 471023,China Abstract B ased on dynamic mathematical model of the wind power grid -connected inverter ,with the space vector pulse width modulation SVPWM and grid voltage vector oriented.The decoupling for the current active component and re -active component is realized ,and the power factor can be adjusted.The feasibility and correctness of control strategy are veri -fied by experiment.The experimental results show that the system has a fast dynamic response ,good sinusoidal current and small harmonic component.This paper provide a reliable theory for the further study to direct -driven type wind power system.Keywords wind power generation ;grid -connected inverter ;grid voltage vector oriented Foundation Project Supported by Grants from the Power Electronics Science and Education Development Program of Delta Environmental I s 为网侧逆变器输出电流合成矢量;U L 为电感电压合成矢量;φ为功率因数角。 E s 与α轴的交角θ 乙ωd t 。 将e d E s , e q 0代入式6整理得 u d e d Ri d L d i d d t -ωLi q u q Ri q L d i q -ωLi d 7 由式7得到并网逆变器在电网电压合成矢量定向下的数学模型,d ,q 轴电流分量仍然存在交叉耦合,为了实现d ,q 轴电流分量的解耦控制,达到有功功率和无功功率的解耦控制,令 u d ′u d -E s ωLi q ,u q ′u q -ωLi d 8则有Ri d L d i d u d ′,Ri q L d i q u q ′9 从而实现了电流有功分量i d 和电流无功分量i q 的解耦控制。为了使得输出电流能够尽快的跟踪给定电流,将检测到的电流施行3/2变换和旋转变换,得到按电网电压合成矢量定向下的电流分量i d ,i q 采用电流PI 调节器实现闭环控制,电流调节器的输出为逆变侧输出电压的给定值u d *和u q *,再经过SVPWM 控制逆变器输出三相电压。 根据式8得网侧逆变器的d ,q 轴电压给定为u d *u d ′E s -ωLi q ,u q *u q ′ωLi d 10 E s 定向的网侧逆变器的电流控制结构如图3所示。当i d 为正,i d 为零时,功率因数为1,并网逆变器仅向电网发送有功功率;当i d 为正,i d 为负时,并网逆变器同时向电网发送有功功率,并且向电网实现无功功率补偿,改变i d 和i q 可以控制向电网输出 的能量大小和功率因数[4]。 5 并网逆变器实验平台及实验结果 5.1 实验系统平台的搭建 为验证所提出控制策略的可行性和并网逆变器 的实际性能,搭建了如图4所示的基于DSP 芯片XC167CI 的单套电枢并网实验平台[5]。 整个系统由三相二极管整流桥、三相PWM 逆 变器、电压和电流检测以及保护电路等组成。IGBT 的开关频率设置为10kHz ,死区时间设置为3μs 。并网逆变器控制系统中软件锁相环、3s/2s 变换、2s/2r 旋转变换、2r/2s 逆变换、电流PI 调节器、电压空间矢量模块、虚拟磁链观测器等算法由高性能的16位DSP 芯片XC167CI 来完成。电流给定值通过CAN 通讯,由上位机给定。由于多重电枢混合励磁风力发电机尚未在实验中应用,暂用电网加调压器代替风力发电机来完成实验。 5.2实验结果及分析 实验参数为直流母线电压U DC 537V ,电网相 电压有效值E 173V ,交流侧滤波电感L 20mH ,电网基波角频率f 50Hz ,PWM 开关周期T 100μs 。 为考察该控制系统的启动特性、功率因数控制特性、i d ,i q 两个PI 闭环的控制性能,实验通过同时输出电网相电压的值和相电流的值,利用示波器进行观测。 图5a 示出电流给定为i d *8A ,i q *0时系统启动时a 相电流和电压响应图。可见,单位功率因数控制时系统启动响应快,电流正弦度好。图5b 为系统从 i d *8A ,i q *0,到i d *4A ,i q *0时的电流响应图。可见,系统的电流控制响应好,并网能量的控制好。图5c 为系统从单位功率因数控制即i d *6A ,下转第19页 图2空间矢量图 上接第5页i q *0时的只向电网发送有功功率到 i d * 6A ,i q *-5A 时向电网发送有功功率又向电网补偿 无功功率时的电压、电流波形图可见,系统的电流有功分量和无功分量能很好地解耦控制,使并网系统很好地工作在上述两种状态下。 实验结果表明,电流启动响应快,能够在一个工频周期内达到所要求的功率因数控制。电流有功分量给定增大时即并网能量增大时,电流响应好。系统能够很好地实现电流有功分量和电流无功分量的解耦控制。总体而言,系统单套电枢并网逆变运行时有着良好的静、动态性能,电流正弦度好,谐波分量小,功率因数控制好。 6结论 在风力发电网侧逆变器动态数学模型基础上,采用SVPWM 控制方式和电网电压合成矢量定向控制策略,实现了电流有功分量和电流无功分量的解耦和功率因数的可调控制。实验结果表明,该方案完全可行,系统动态响应快,性能良好,电流正弦度良好,谐波分量小。 参考文献 [1] Katsumi Nishida ,Tarek Ahmed ,Mutsuo Nakaoka.A Novel Current Control System Using PLL Circuit For Interior Per -manent Magnet Synchronous Generator[A].Power Electron -ics Specialists Conference[C].20074717-4722.[2] Mohamed YARI ,El -Saadany E F.Robust High Bandwidth Discrete -time Predictive Current Control with Predictive In -ternal Model -A Unified Approach for Voltage -Source PWM Converters[J].IEEE Trans.on Power Electronics ,2007,231126-136.[3] 黄苏融,张 琪,谢国栋,等.多重电枢混合励直驱式风 力发电系统中国发明专利申请[S].2007. [4]YANG Yong ,RUAN Yi .Grid -connected Inverter for Wind Pow -er Generation System[J].Journal of Shanghai University ,2009,13151-56.[5] 沈欢庆,阮 毅,汤燕燕,等.基于XC167CI 的风力发电 并网系统[A].台达电力电子新技术研讨会议论文集[C].2008. 图5 实验波形 5结论 由图5可见,VT 1实现零电压开通,基本实现了零电压关断;辅助开关管VT 2实现零电流开通,近似零电压关断;推挽管VT 3完全实现零电压开通与零电流关断的波形。由于变压器漏感的存在,从VT 4关断到VT 3导通前,漏感中的能量将通过VT 3的体二极管续流,因此VT 3在开通前有一个反向电流,与理想波形略有不同。 提出了一种新的应用到混合动力汽车上的双向软开关DC/DC 变换器,该变换器实现了主要开关管 的零电压零电流动作,同时由于采用了两级式电路结构,使得升压变换由前级Boost 电路和后级推挽电路共同完成,一定程度上解决了开关管承受电压应力过高和变压器匝比过大问题。采用此技术提高了系统的开关频率,降低了变换器的损耗,大幅提高了变换器的效率,最高效率可达93.6。 参考文献 [1]胡庆波,吕征宇,郑继文.混合动力电动汽车中主要技术的发展状况[J].变频器世界,2007,131238-43.[2] 曹 磊,张承宁,孙逢春.基于DSP 的混合动力车辆综合控制系统设计[J].微计算机信息,2007,92176-179. [3]张方华,严仰光.变压器匝比不同的正反激组合式双向DC/ DC 变换器[J].中国电机工程学报,2005,251457-61. [4] 张方华,严仰光.推挽正激移相式双向DC/DC 变换器[J].电工技术学报,2004,191259-64. [5]H Tao ,A Kotsopoulos.Multi - Bidirectional DC/DC Con -verter Combining DC -Link and Magnetic -Coupling for Fuel Cell Systems[C].IAS ,20052021-2028. [6]Zhu L.A Novel Soft -commutating Isolated Boost Full -bridge ZVS -PWM DC/DC Convertr for Bidirectional High Power Ap -plications Power Electronics[J].IEEE Trans.on 2006,212422-429. 图5 实验波形 一种用于混合动力汽车的新型变换器 19