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1、二九年九月十四日,李 辉,双馈风力发电机双PWM变流器的控制及实现,主要内容,一、双馈发电机工作原理二、双馈用变流器的要求及拓扑三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制四、网侧PWM变流器及其控制五、SVPWM变换技术原理六、双PWM变流器的DFIG系统及设计七、结论和讨论,一、双馈发电机工作原理,1.什么是双馈发电机,双馈发电机(Doubly Fed Induction Generator: DFIG)的基本结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电
2、机转速。,一、双馈发电机工作原理,2.双馈发电机特点,具有较好的转速适应能力，能实现变速恒频发电具有独立的有功、无功调节能力具有深度进相运行能力具有良好的稳定运行能力,亚同步转速运行(定、转子电流同相序)同步转速运行超同步转速运行(定、转子电流反相序),一、双馈发电机工作原理,3.双馈发电机运行状态,调节输入转子的电流相序和频率时，双馈电机便可以运行在亚同步、同步及超同步状态。,一、双馈发电机工作原理,4.双馈发电机等效电路和稳态方程,一、双馈发电机工作原理,5.双馈发电机能量流动关系,一、双馈发电机工作原理,5.双馈发电机能量流动关系,一、双馈发电机工作原理,5.双馈发电机能量流动关系,发电
3、机转子能量是在电网和电机之间双向流动的，这也是双馈发电机中“双馈”的本质。此外，接转子回路的变流器，即发电机转子励磁的电源必须是一个能量能够双向流动的变流器。,二、双馈用变流器的要求及拓扑,1.双馈发电机用变流器的要求,网侧变流器要求,转子侧变流器要求,二、双馈用变流器的要求及拓扑,1.双馈发电机用变流器的要求,二、双馈用变流器的要求及拓扑,2.双馈发电机用变流器的形式,两电平电压型双PWM变流器多电平双P W M 变流器,晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器,二、双馈用变流器的要求及拓扑,两电平电压型双PWM变流器,由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变流器通
4、过直流母线连接而成，通常为背靠背变流器，英文为back-to-back PWM converter由于在双馈风力发电运行中，两个变流器的工作状态时刻发生变化，因此通常不按整流或逆变来区分，而是按照其位置称为转子侧变流器和网侧变流器。,两电平电压型双PWM变流器,二、双馈用变流器的要求及拓扑,两电平电压型双PWM变流器,网侧PWM变流器任务,转子侧PWM变流器任务,两电平电压型双PWM变流器,两电平电压型双PWM变流器,双PWM变流器运行状态,两电平电压型双PWM变流器,优点,两电平电压型双PWM变流器,优点,两电平电压型双PWM变流器,优点,两电平电压型双PWM变流器,两电平电压型双PWM变流
5、器,Voltage and currents,缺点,两电平电压型双PWM变流器,中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来解决。,缺点,两电平电压型双PWM变流器,中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来解决。,二、双馈用变流器的要求及拓扑,多电平双P W M 变流器,为了满足风力发电对高压、大功率和高品质变流器的需求，多电平变流技术得到广泛应用。采用多电平变流技术后，可以在常规功率器件的耐压基础上，提高电压等级，获得更高级（
6、台阶）的输出电压，使波形更接近正弦。谐波含量少，电压变化率小，并获得更大的输出容量。典型的多电平拓扑结构有：二极管箝拉型、飞越电容型，级联H桥型、混合箝拉型等。随着电平数增加，箝拉器件的数目也增加，导致系统实现困难。通常以三电平、五电平变流应用居多。,二、双馈用变流器的要求及拓扑,三电平双P W M 变流器形式,二极管箝位三电平双P W M 变流器,当由于功率器件的容量受制造水平的限制时，多电平变流器最主要的优点是能够实现较大容量的电能转换。和两电平相比：三电平变换器输出三个电压等级，减小了波形的谐波含量；在相同直流母线电压下，输出的dv/dt 减小了一半，同时也有利于电机或滤波器的绝缘和安全
7、运行，降低了滤波器的设计难度。三电平变换器主电路中的每个开关器件仅承受一半的直流侧电压，且无需动态均压电路，开关损耗小，为两电平的25%。中点箝位三电平双P W M 变换器成为目前最为适合在高压大容量场合的双P W M 电路拓扑结构。目前在2MW以上的风电机组中已采用。,优点,二极管箝位三电平双P W M 变流器,和两电平相比：功率器件和电容增加1倍，额外增加了箝位二极管。整流侧由两个完全一样的电容串联而成。电容中点作为变流器的箝位点，由网侧变流器保持直流侧两个电容的电压均衡。如果电平数超过三，一般会出现电压平衡问题。( 电容值、死区时间和负载不平衡),缺点,二极管箝位三电平双P W M 变流
8、器,二极管箝位三电平双P W M 变流器,Voltage and currents,二、双馈用变流器的要求及拓扑,变流器比较及发展趋势,主功率元器件数量：尽管交-交变流器和矩阵变流器无需中间直流环节，但是主功率器件比两电平变流器多。电压型两电平双PWM变流器具有优势。,两电平电压型双PWM变流器多电平双P W M 变流器晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器,电压传输比：电压型PWM变流器高。效率：谐振变流器高，其次是多电平。谐波和滤波问题：多电平最好。对电网故障适应能力：无中间环节，输出和输入直接耦合，因此有中间环节的变流器具有较好的故障适应能力。,二、双馈用变流
9、器的要求及拓扑,变流器比较及发展趋势,控制复杂程度：两电平变流器方案简单、可靠，技术最成熟。转子侧：电气传动领域的电压型PWM逆变器控制；网侧：PWM整流器。,两电平电压型双PWM变流器多电平双P W M 变流器晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双PWM变流器钳位谐振双PWM变流器,主电路实现的难易度和成熟度：最易实现的是两电平变流器，其次是多电平变流器。目前2MW以下都采用的两电平变流器方式；同样额定功率器件采用多电平方式可应用到大功率场合，2MW以上通常采用，已有商品化模块。,两电平电压型双PWM变流器是双馈用最具有优势的一种变流器，而多电平和软开关的结合将是双馈风电机组变流器的发展趋势。,三
10、、转子侧PWM变流器及对DFIG控制,1. 转子侧PWM变流器功能,双馈风力发电系统控制主要是对DFIG的控制双PWM转子侧变流器对DFIG实现有效控制，决定运行性能网侧PWM变流器功能独立，控制直流母线电压稳定和好的输入特性。,三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制,2. 转子侧变流器控制目标,通过对DFIG转速或有功功率控制，实现最大风能追踪和功率控制对DFIG定子输出无功功率的控制,DFIG有功、无功功率和转子电流密切相关双PWM转子侧变流器对其电流控制DFIG是控制对象，转子侧变流器是控制指令的执行者,三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制,3. 转子侧变流器控制思路,转子侧变流器控制
11、应以DFIG的数学模型为基础来设计DFIG三相坐标系下的数学模型为高阶、非线性系统借助坐标变换，应用矢量控制技术，将转子电流分解为有功和无功分量，实现DFIG的有功和无功的解耦控制，实现其控制目标。,坐标变换原理、DFIG数学模型推导在下一步算法开发中详细进行介绍,三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制,4. 电网电压恒定下DFIG简化电压方程,并网DFIG的电压幅值、频率和相位恒定定子磁链恒定，即忽略定子励磁电流的动态过程,PI调节参数设计依据,可控量是转子电压、直接被控的对象是转子电流。转子电压和电流是矢量控制环设计的基础。不同的矢量定向就有不同的控制方案。常用的定子磁链和定子电压定向。,
12、消除交叉耦合补偿项依据,DFIG定子磁链定向控制,通常采用低通滤波器代替纯积分器。,定子磁链观察器算法,DFIG定子磁链定向控制,采用定子磁链定向后，实现了DFIG定子有功和无功功率解耦。,DFIG定子磁链定向控制,转子电流闭环设计,DFIG定子磁链定向控制,转子电流闭环设计,DFIG定子电压定向控制,DFIG定子电压定向控制,采用定子电压定向后，实现了DFIG定子有功和无功功率解耦。,DFIG定子电压定向控制,转子电流闭环设计,DFIG定子电压定向控制,转子电流闭环设计,DFIG定子电压定向控制,DFIG的功率控制,DFIG定子电压定向控制,四、网侧PWM变流器及其控制,1. 网侧PWM变流
13、器实际是三相电压型PWM整流器,2. 双馈用双PWM变流器关系,3. 网侧变流器的数学模型,3. 网侧变流器的数学模型,网侧变流器可看做是可控的三相交流电压源。,单位功率因数整流运行单位功率因数逆变运行非单为功率因数运行,当直流侧电压恒定时,通过PWM控制，可调节变流器输入电压ur幅值、相位，从而调节输入电流大小及其和电网电压相位。,3. 网侧变流器的数学模型,3. 网侧变流器的数学模型,3. 网侧变流器的数学模型,每相输入电流均由三相开关函数共同控制，强耦合的高阶非线性系统，需要进行坐标变换。,4. 同步旋转坐标下的网侧变流器数学模型,5. 网侧变流器功率流,5. 网侧变流器功率流,5. 网
14、侧变流器功率流,6. 网侧变流器控制技术,6. 网侧变流器控制技术,凡是用于PWM逆变器供电的交流电机的控制方法，大都可以用于网侧PWM变流器的控制。电流内环的控制方法,如预测控制、非线性控制、直接功率控制等。,7. 基于电网电压定向的网侧变流器控制,7. 基于电网电压定向的网侧变流器控制,7. 瞬时功率直接反馈的网侧变流器控制,五、SVPWM变换技术原理,1. PWM技术概述,所谓PWM(Pulse Width Modulation)技术，就是在交流传动中利用半导体器件的开通和关断把直流电压变为一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压，以实现有效控制和消除谐波的一门技术。,控制技术：正弦PW
15、M；优化PWM；随机PWM实现方法：模拟式和数字式控制特性：开环式和闭环,逆变器输出电压尽量接近正弦波，谐波成分少；电流波形受负载电路参数的影响。,经典的SPWM,电流跟踪控制,电压空间矢量控制SVPWM,输出电流是否按正弦变化。,跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，磁链跟踪控制。而磁链轨迹通过电压空间矢量相加得到,2. SVPWM技术优点,五、SVPWM变换技术原理,3. SVPWM技术原理,3. SVPWM技术原理,不同开关组合的交流侧电压可用一个模为2/3Vdc的空间电压矢量在复平面表示。8个开关状态对应8个基本输出电压空间矢量，其中2条为0矢量。对于任意给定的电压空间矢量V*，均可用其8
16、条基本电压空间矢量合成。,3. SVPWM技术原理,6个基本电压电压矢量端点的运动轨迹是一个正六边形利用8个基本电压的矢量的线性组合，获得和基本空间矢量相位不同的电压空间矢量，构成等幅不同相的电压空间矢量，逼近圆形磁场(SVPWM特点)。任意电压参考矢量可以由该矢量所在扇形区域的两边电压矢量合成。,3. SVPWM技术原理,确定每个电压矢量的作用时间确定每个电压矢量的作用次序。,4. SVPWM实现,DSP硬件配合软件产生(死区和零矢量集中插入方式)纯软件方式,参考电压矢量所在扇区各矢量作用的时间,7段式电压空间矢量PWM波，其中3段零矢量4段非零矢量， 3段零矢量位于PWM波的开始、中间和结
17、尾。一个PWM周期，每个桥臂动作两次。,4. SVPWM实现,将参考电压两投影到两相坐标系确定参考电压向量所在的扇区计算该扇区两个相邻相量和零相量个自所占的时间给三个全比较单元的比较寄存器分别赋值成。,5. SVPWM仿真,全控桥输出相电压0,1/3Vdc和2/3Vdc电压脉冲,六、双PWM变流器的DFIG系统及设计,1. 双PWM控制系统硬件设计,1. 双PWM控制系统硬件设计,1. 双PWM控制系统硬件设计,由于实验系统功率小，网侧和机侧变流器的功率器件都采用日本三菱公司的智能模块IPM，集成了驱动和保护电路，如PM100CSA060和PM150CVA060等。六合一封装形式，内部含六只独
18、立的IGBT。通常只需要PN引入直流侧，UVW引入交流侧。除了自身保护外，在DSP程序中也设置保护。,2. 网侧PWM控制硬件结构,3. 双PWM控制系统软件设计,软件结构：模块化主程序和各种中断服务程序。软件体系具有5个优先等级，其中定时器中断是实现DFIG实时控制任务，是软件核心。主程序执行状态显示，可被任何使能的中断打断。,初始化变量，屏蔽中断，封锁触发脉冲，通过反并联二极管给直流侧电容充电，充电后才开始进行PWM控制。,DSP2定时器T1中断程序执行基于电网电压定向的网侧PWM变流器对直流母线电压的控制。最后通过电压矢量调制算法得到每个开关管的开通时间，并把开通时间装载到DSP相应的寄
19、存器。,DSP1定时器T1中断程序执行基于定子磁场定向的转子侧PWM变流器对DFIG并网和变速恒频功率解耦控制,空载稳态运行实验,空载稳态运行实验,主程序流程图,定时器中断程序流程图,软件设计：主程序、网侧变流器控制程序、转子侧变流器控制程序和一系列相关事件程序。网侧和转子侧变流器控制程序在一个控制周期内完成(150us)，由定时器中断服务程序实现。AD采样转换程序和主控制程序同步。,机侧变流器控制流程图,网侧变流器控制流程图,4. 双PWM控制软件要点,七、结论和讨论,双馈发电机转子侧功率双向流动，实现变速恒频发电。双馈用变流器采用两电平双PWM控制技术是主流，多电平和软开关技术的结合是发展
20、趋势，特别是三电平控制技术。基于DFIG的数学模型和矢量控制技术，建立了转子侧PWM变流器的控制算法。基于电网电压定向的网侧PWM变流器控制算法SVPWM变换技术及其软件实现双PWM变流器的DFIG实验系统,双PWM控制技术成熟，控制简单，在掌握其控制算法和实现思路的基础上，尽快实现变流器的开发是可能和可行的。,下一步培训计划,直驱永磁风电机组控制及其变流器控制双馈式LVRT的算法及其实现直驱式LVRT的算法及其实现,可能思路,技术部进一步讨论，形成双馈用变流器研发方案，尽快掌握控制算法和实现思路，建立科研队伍，在模型和算法上进一步研究和开发。形成直驱式用变流器研发思路及其方案投入OAT变桨控制技术的变流器模块的研究加大对多电平以及变流器新控制技术的研究（为了适应电网需求）,Thanks for your attention!,
