（电机与电器专业论文）风力发电网侧变流器控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo fg r i d - s i d ec o n v e r t e r f o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o n a b s t r a c t t h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ni sak i n do fe f f e c t i v er e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e ， w h i c hi sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t h eg r i d s i d ec o n v e g e r p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n t h i st h e s i sd o e ss o m e r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eg r i d - - s i d ec o n v e r t e r , t a k i n gt h r e e - - p h a s ev o l t a g e s o u r c ep w mc o n v e r t e rw i t hl c l f i l t e r ( l c l v s c ) a st h eo b je c to fs t u d y f i r s t l y , u n d e rt h eb a l a n c e dv o l t a g ec o n d i t i o n ，l c l v s cm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d i nt h et h r e e - p h a s es t a t i ca n dt w o p h a s er o t a t ec o o r d i n a t e s ，t op r o v i d et h et h e o r yf o r t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i sa n dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n t h e nam u l t i l o o pc o n t r o ls c h e m ei s p r o p o s e df o rl c l - v s c w i t h i nt h i s s c h e m e ，3c a s c a d e di n n e rc u r r e n tl o o p sa l o n gw i t ha no u t e rv o l t a g el o o pa r eu s e dt o a c h i e v es t a b l ed c l i n kv o l t a g e ，c u r r e n t sd e c o u p l i n ga n df e e d f o r w a r d ，a sw e l la st h e u n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r 0 1 w i t ht h i ss c h e m e ，t h ec a p a c i t o rv o l t a g ee s t i m a t i o ni s p e r f o r m e dw i t hc o m p l e xp o w e rt h e o r yr e s u l t i n gt h eo m i s s i o no ft h et r a n s d u c e r sf o r t h ec a p a c i t o rv o l t a g em e a s u r e m e n t t oc o n t r o lt h el c l - v s ce f f e c t i v e l yu n d e ru n b a l a n c e dg r i dc o n d i t i o n ，t h e p o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c ep h a s es h o u l db ec a l c u l a t e d t h i st h e s i sp r o p o s e da n o v e lp h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) b a s e do nt h eu n b a l a n c e dg r i dc o n d i t i o n ，w h i c hm a y c a l c u l a t et h ep o s i t i v es e q u e n c ep h a s ea n g l ea n dt h en e g a t i v es e q u e n c ep h a s ea n g l e ， u s e df o rl c l v s cu n b a l a n c e dc o n t r 0 1 t h em a i ni d e ao ft h i sm e t h o di sf i r s tt o d r a wt h ep o s i v ea n dn e g a t i v e s e q u e n c ec o m p o n e n t su n d e rt h eu n b a l a n c e dg r i d c o n d i t i o n ，t h e nt og e tt h ep h a s e so fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c ew i t ht h e s f r s p l l s e p a r a t e l y t h el c l v s cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o ru n b a l a n c e dc o n t r o li se s t a b l i s h e d u n d e ru n b a l a n c e dg r i dc o n d i t i o n t h er e f e r e n c ec u r r e n ta l g o r i t h mi sg i v e nb a s e do n t h el c l v s c f o rd i f f e r e n tp u r p o s e s ，i tc a nb er e a l i z e de i t h e rs y m m e t r i c a l g r i d - s i d ec u r r e n to rc o n s t a n td c s i d ev o l t a g ew i t h o u tt w i c eo r d e rr i p p l e f i n a l l y , a 15 k v al c l v s c e x p e r i m e n t a ls y s t e m i se s t a b l i s h e d t h e s i m u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tv e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h e d e s i g n k e y w o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；l c l ；v s c ；u n b a l a n c e ；m u l t i l o o pc o n t r o l 表格清单 表1 12 0 0 8 年世界风力发电总装机容量和新增容量前十位列表2 表1 2风力发电变流器供应商清单4 表2 1l c l 滤波器仿真参数2 8 表2 2 调节器参数2 9 表3 1p i 调节器参数与性能指标4 7 表3 2 双s f r s p l l 仿真参数4 9 表5 1l c l 实验平台参数6 7 图 图 图 图 1 2 3 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 15 图2 16 图2 17 图2 18 图2 19 图2 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图2 2 6 图3 1 图3 2 图3 3 插图清单 世界风力发电装机容量增长示意图1 变速恒频系统图一6 变速发电不同电气系统组合图6 风力发电网侧变流器的两种滤波形式7 三相l c l v s c 原理图1 2 三相静止( a ，b ，c ) 坐标系中l c l v s c 模型1 3 两种坐标变换1 4 l c l 滤波器的单相等效电路1 6 l c l 滤波器单相等效结构图1 6 忽略电网条件下l c l 滤波器单相等效电路1 7 l c l 传递函数波特图1 7 l c l 滤波器网侧变流器系统结构图1 8 基于d q 坐标系的三相v s c 控制系统结构1 9 l c l v s c 的功率分布图1 9 电流环控制结构图2 1 i l 电流环最内环结构2 2 无u c 扰动时f l 电流环最内环控制框图2 2 未调整时的电流环最内环根轨迹及阶跃响应图2 3 调整时的电流环最内环根轨迹及阶跃响应图2 3 电流环最内环的开环传递函数波特图2 3 滤波器电容电压环控制框图2 4 电容电压环根轨迹及阶跃响应图2 5 滤波器电容电压环开环传递函数波特图2 5 网侧电流环控制框图2 5 网侧电流环波特图2 6 直流侧电压外环控制框图2 7 电流环阶跃响应：3 0 电流环稳态波形3 0 单位功率因数控制：3 1 直流侧电压阶跃响应3 1 对称6 相系统的电压向量图3 3 三相系统的对称分量3 4 正负序在线分序方法3 6 图3 4基于信号延迟法的实现3 7 图3 5基于信号延迟法的仿真结果3 7 图3 - 6正负序双坐标系3 8 图3 7带反馈环二阶广义积分器( g i f l ) 3 9 图3 8 g i f l 的d ( s ) 、q ( s ) 波特图4 0 图3 - 9g i f l 的输入与输出4 0 图3 1 0三相不平衡电压的分序仿真4 1 图3 1 1s s r f s p l l 矢量图4 2 图3 1 2s s r f s p l l 控制结构原理图4 2 图3 1 3s p l l 的简化线性化模型4 4 图3 1 4口与阻尼和带宽的关系一4 6 图3 1 5根轨迹图4 7 图3 1 6频率响应图4 8 图3 1 7 单位阶跃响应图4 8 图3 1 8 基于带反馈环广义积分器的双s f r s p l l 系统4 9 图3 1 9 三相不平衡电网电动势波形4 9 图3 - 2 0 不平衡电网的角频率与相位5 0 图3 2 1 不平衡电网分序后仿真波形5 0 图4 1三相l c l v s c 拓扑结构一5 3 图4 2三相v s c 交流侧等效电路5 3 图4 3双锁相环、三环电流环、双矢量电流控制系统结构6 2 图4 4抑制网侧负序电流的不平衡控制系统结构6 2 图4 5电网不平衡条件下的单电流环控制波形：6 4 图4 6不平衡条件下抑制网侧负序电流的双电流环控制波形6 5 图4 7不平衡条件下抑制直流侧电压二次纹波的双电流环控制波形一6 5 图5 1l c l v s c 样机系统结构6 6 图5 2智能功率模块的功能结构图6 7 图5 3 交流电流采样电路原理图7 1 图5 4交流电压检测7 1 图5 5直流量检测一7 1 图5 6驱动电路一7 2 图5 7主程序流程图7 3 图5 8中断服务程序流程图7 4 图5 - 9锁相环程序流程图7 4 图5 1o 桥臂电流和网侧电流波形对比7 5 图5 1 l 网侧电流阶跃响应7 5 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 16 图5 17 图5 18 单位功率因数波形7 6 直流电压阶跃响应波形7 6 三相不平衡电网波形7 6 分解后三相正负序电网电压波形7 7 电网正负序相位与正负序a 相电压7 7 电网不平衡单电流环控制波形一7 8 电网不平衡时双电流环控制波形7 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金鲤工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 糊一虢叩叉昌 签字日期：。于年够月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名：叩蝎 签字日期。可年乒月r 幻 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 结刚 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在两年多的硕士研究 生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。 导师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使 我受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提 高，更重要的是让学生的思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术 上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向张老 师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，在作者的整个课题研究过程中还得到了谢震、杨淑英、汪令祥三位 博士的无私帮助，在此表示深深的谢意。感谢实验室一起学习工作的同窗好友 们，他们是：张龙云、王鸿山、王成悦、曹伟、纪明伟、田新全、陈玲、孙龙 林、孙荣丙、王江、汪永智等，在共同的工作、学习和娱乐生活中，我们大家 相互了解、相互帮助、相互进步。和他们在一起，我愉快地度过了紧张而又难 忘的研究生生活。特别感谢师姐刘芳和师弟谭理华在课题研究过程中给予我的 帮助。此外，感谢论文中引用参考文献的所有作者! 最后，我要感谢默默支持我的父母、弟弟、祖父、外祖父、外祖母，他们 对我深深的爱是我不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真心的 祝福! 作者：邵文昌 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和选题意义 1 1 1风力发电及其意义 现代社会的存在和发展离不开能源，而人类的发展对环境的破坏情况又十 分严峻，所以能源和环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。随着世 界能源危机的日益严重以及公众对于改善生态环境要求的日益高涨，能源行业 更多的注意力集中在可再生能源的开发与利用上。从能源长远发展战略来看， 人类必须寻找一条发展绿色能源的道路。 风能作为一种清洁可再生能源，受到了世界各国的高度重视。风力发电是 利用风力发电机组将风的动能转化为电能的一种可再生能源发电方式。自1 9 9 0 年以来，风力发电技术得到了飞速发展，全球风力发电累计装机容量平均每年 增长超过2 0 t 1 1 。根据世界风能委员会的统计数据，仅在2 0 0 8 年，全球风力发 电产能就比上年增长了2 8 8 ，达到1 2 0 8 g w ；预计到2 0 1 2 年，全球风力发电 能力将再翻一番，达到2 4 0 g w t 2 1 。图1 1 所示为1 9 9 6 年- 2 0 0 8 年世界风力发电 总装机容量和年装机容量的示意图，由图可见风力的产能在逐年飞速增长。在 欧洲风能协会和绿色和平组织签署的风力1 2 报告指出，至2 0 2 0 年全球的 风力发电装机容量将达到12 0 0 g w ，风力发电量将占全球发电总量的1 2 p j 。 由此可见，风能已不再是一种可有可无的补充能源，风力发电作为最具有商业 化发展前景的新兴产业，已经成为解决世界能源问题不可或缺的重要力量。 ( a ) 年总装机容量( b ) 年新增装机容量 图1 1世界风力发电装机容量增长示意图 1 1 2国内外风电产业发展概况 就世界各国风电发展概况而言，长期以来欧洲一直是风力发电市场的领导 者，其中德国发展速度最快，截至2 0 0 8 年底，风电总装机容量已达到2 3 9 g w ， 接近世界风电总装机容量的1 5 。近年来，北美地区风力发电也呈现出强劲的 增长势头，2 0 0 8 年底，美国风电总装机容量达到2 5 1 7 g w ，高于德国、西班牙 ( 1 6 7 5 4 g w ) ，位列世界第一；新增装机容量为8 3 5 8 g w ，同样位列世界第一。 不过，德国的风力发电占总发电量的比率，仍远高于美国。截至2 0 0 8 年底，世 界风力发电总装机容量前十位和新增装机容量前十位的国家及其所占份额如表 1 1 所示【2 1 。 和世界风电强国相比，我国风力发电事业起步较晚。截至2 0 0 3 年底，全国 风电场总装机容量仅为0 5 6 7 g w ，占全国总装机容量的0 1 4 t 4 1 。为促进我国 经济和社会的可持续发展，近年来，政府将风力发电作为改善能源结构、应对 气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了大力扶持，我国风 电事业取得了突破性进展。2 0 0 7 年1 1 月，中国资源综合利用协会可再生能源 专委会、国际坏保组织绿色和平和全球风能理事会于上海国际风能大会上共同 发布了中国风电发展报告2 0 0 7 ，报告指出，自1 9 9 5 年至2 0 0 6 年，我国风 电装机容量的年平均增长率为4 6 8 ；2 0 0 8 年中国新增风电装机容量6 3 g w ， 新增量位列全球第二，截至2 0 0 8 年底总装机容量达到1 2 2 1g w ，同比增长 1 0 6 ，总装机容量位列全球第四。预料今年的产能可能再增加将近一倍。若按 此速度发展，中国到2 0 1 0 年时有望超越德国与西班牙，成为世界第二大风力发 电国。 表1 1 2 0 0 8 年世界风力发电总装机容量和新增容量前十位列表 总装机容量对比 装机容量所占份额 g w 美国2 5 1 7 02 0 8 德国 2 3 9 0 3 1 9 8 西班牙1 6 7 5 41 3 9 中国 1 2 2 1 0 1 0 1 印度9 6 4 58 0 意大利 3 7 3 6 3 1 法国3 4 0 42 8 英国3 。2 4 12 7 丹麦3 ，1 8 02 6 葡萄牙 2 8 6 2 2 4 其他国家1 6 6 9 31 3 8 总计1 2 0 7 9 81 0 0 0 2 新增装机容量对比 装机容量所占份额 g w 美国 8 3 5 83 0 9 中国6 3 0 0 2 3 3 印度 1 8 0 06 7 德国1 6 6 56 2 西班牙 i 6 0 95 9 意大利 1 0 1 03 7 法国0 9 5 0 3 5 英国 0 8 3 63 1 葡萄牙 0 7 1 22 6 加拿大0 5 2 61 9 其他国家3 2 8 5 1 2 2 总计 2 7 0 5 i1 0 0 0 1 1 3风力发电变流器的产业现状 风力发电并网变流器在风电整机成本中占1 5 2 0 的比例，是一种运用现 代高科技技术，集成现代控制理论，微电子技术及现代电力电子变换技术等交 叉学科的高新技术产品，是把风能转化为电能并入电网的纽带，既能对电网输 送风力发电的有功分量，又能连结、调节电网端无功分量，起到无功补偿的作 用。 由于风力发电整体技术起步比较晚，所以现今我国风电场应用的风电变流 器市场主要被维斯塔斯、西门子、a b b 等知名国外品牌占领，但是国家近几年 出台了很多政策和举措支持民族品牌的发展，为国内变流器企业提供了大力的 政治和经济支持。发改委在文件中明确提出，风力发电机组设备国产化率必须 达到7 0 以上。“十一五 期间，国家又发布了关于风力发电方面的一大批科 技支撑计划项目，在风电机组控制系统及变流器的研发及产业化方面投入了大 量资金。 近几年，中国风电领域的相关专家对于国外的变流器技术的相关文献进行 了学习和研究，而且变流器的核心电力电子器件技术发展很迅速，加之目前国 家大力提倡清洁能源开发和需求挂钩，使得风电前景一片看好。这样变流器生 产企业如雨后春笋般成立起来，使得变流器的彻底国产化呼之欲出。 这些政策和举措带动了近两三年国内的变流器企业发展，哈尔滨九州电气 股份有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、南 车株洲等企业目前都在积极地进行变流器产品的研发工作。 2 0 0 7 年1 0 月2 0 日，国内首台1 5 兆瓦风力发电全功率变流器在九洲电气 试制完成，拉开了我国在兆瓦级永磁直驱风力发电并网技术国产化的序幕，打 破了一向由国外企业在该领域内垄断格局。相信不远的将来，会有大批的自主 品牌的风电变流器和更多的国产自动化产品成功应用在风电领域。 近年来，国家大力提倡节能减排，推出一系列对可再生能源的支持政策， 并颁布了中华人民共和国可再生能源法，国内风力发电行业发展迅速，风力 发电并网变流器作为风电装置的关键产品，受到国内高校、研究所、企业的高 度重视，为占领市场，已有两三家公司声称开发成功，但都处于研发试验阶段。 据估计，我国风力发电机组的需求高速增长，预计，2 0 0 8 年2 0 10 年分别 可以达到3 6 0 万千瓦、5 0 0 万千瓦、6 5 0 万千瓦，同比增长5 0 、4 0 和3 0 ， 三年复合增长达到4 0 ，远远超过可再生能源发展“十一五规划的发展目标， 到2 0 1 2 年风力发电电量装机容量达到10 0 0 万千瓦，按兆瓦级风电并网变流器 容量计算，未来三年，年需求数千台，市场容量巨大，前景可观，极具有投资 价值。 目前，风力发电变流器在中国市场呈现出国外厂家与国内厂家并存、国内 厂家奋力追赶的局面。表1 2 共列出了9 家变频器供应商( 2 0 0 8 年数据) ，其 3 中前5 家是具有批量生产能力的企业，后4 家正在试验、试制及研发的企业。 表1 - 2风力发电交流器供应商清单 序厂家名称公司性质 地理产品产能 号位置 l 北京a b b 电气外资公司北京兆瓦级变频器2 0 0 7 年国内供货 传动系统有限 2 0 0 台，2 0 0 8 年已 公司 有8 0 0 多台 2 艾默生网络能外资公司深圳1 5 m w 双馈风电机 年产2 0 0 台，2 0 0 7 源有限公司组变流器 年7 0 台左右。 3 阿尔斯通外资公司北京变频器 2 0 0 8 年退出中国 市场 4 北京科诺伟业国有企业北京；变频器 年产1 0 0 0 台 科技有限公司河北 保定 5 哈尔滨九洲电民营企业黑龙 1 5 m w 永磁直驱 2 0 0 8 年开始小批 气股份有限公江哈风力发电系量生产，年产 司尔滨统变频器3 0 5 0 台，其中部 分供给金风。 6 北京清能华福中外合资北京1 5 m w 变速恒频双 未批量生产 风电技术有限馈异步风电机组变 公司频器 7 合肥阳光电源中外合资安徽 1 5 m w 双馈型风电 试验阶段，与东汽 有限公司合肥 机组变频器和湘潭电机在合 作试验，未进行商 业化运行 8 天威保变电气上市公司 河北变频器 正在研究，2 0 0 9 股份有限公司保定年计划完成2 台 3 m w 海上风电机 组控制器和变频 器研制 9 中国南车集团国有企业湖南兆瓦级风电变频器有一台试制品应 株洲电力机车 株洲用到金风i 2 m w 研究所机组，准备与 w i n d t e c 合作 4 1 1 4论文的选题意义 目前，随着我国风电市场的扩大，国内风电产业得到了迅速发展，各方面 技术和经验显著增强，相关科研人员也开展了广泛的科研攻关工作。然而，必 须看到，我国在风力发电并网变流技术领域和世界风电强国之间还存在较大差 距。在目前主流的兆瓦级风力发电系统中，变流机组仍依赖进口。如何打破国 外企业在兆瓦级以上机组风电市场中的垄断格局，在变流器设计及控制技术上 掌握自主知识产权，已成为我国风电产业进一步发展函待解决的关键问题。 目前m w 级主流的风力发电变速恒频机组包括双馈式和直驱式两种类型， 不管哪一种类型的风电机组都需要通过网侧变流器连接上电网，网侧变流器在 机组运行过程中扮演着很重要的角色，尤其是在电力系统故障期间，网侧变流 器与直流连接环节一起作为功率的传输通道与电机回路进行能量的交换，延缓 电机侧变流器与电网侧变流器之间的相互影响，起到平滑电机暂态电流的作用。 此外，在电机侧变流器因为过电流等因素发生闭锁时，电网侧变流器的存在为 前者的再启动提供了积极的支持，同时，故障期间的电网侧变流器还可以按照 控制系统的设定，运行在静止无功补偿器( s v c ) 的模式。综上所述，考虑到电 网侧变流器的重要性，风力发电网侧变流器控制策略的研究具有一定的理论前 沿性和较高的工程应用价值。因此，本文围绕网侧变流器展开研究，旨在对并 网变流技术进行深入探讨，掌握核心技术，并为后续的研究工作提供理论和实 践基础。 研究过程中，本文得到了“十一五 国家科技支撑计划“大功率风电机组 研制和示范”中的两个项目资金资助，即1 5 m w 以上直驱式风电机组控制系 统及变流器的研制与产业化( 2 0 0 6 b a a 0 1 a 2 0 ) 和1 5 m w 以上双馈式风电机组 控制系统及变流器的研制与产业化( 2 0 0 6 b a a 0 1 a 1 8 ) 。 1 2 风力发电中的网侧变流器研究现状 1 2 1风力发电中的电气系统 风力发电中的电气系统一般可分为三类垆】： 1j 无电力电子装置的系统，即风力机通过感应电机直接与电网连接； 2 ) 部分功率的电力电子装置组成的风力发电系统； 3 ) 全功率电力电子装置组成的风力发电系统。 其中，前一种为恒速恒频风力发电系统，后两种为变速恒频风力发电系统。 变速恒频系统是指在风力发电过程中，通过改变转子转速来控制风机，让风力 机的转速按照一定的关系随风速而变化，并通过电力电子装置与电网连接，从 而得到恒定频率的电能。相对于前者，主要有以下优点： 1 ) 可以运行在最大功率点，风能利用系数高； 2 ) 避免主轴及传动机构承受过大的扭转和应力减少部件磨损； 5 3 ) 低风速下以低转速运行，降低噪音； 4 ) 改善系统的功率因数； 鉴于以上原因，变速风电机组越来越受到风电界的重视，特别是在进一步 发展的m w 级机组中更为引人注目。随着风力发电机单机容量不断增大，变速 恒频风力机逐渐占据了主导地位。 图1 - 2 变速恒频系统图 变速恒频风力发电系统主要是由风力机( 包括控制器、齿轮箱等) 、发电机 一变频器、逆变器一电网三个部分组成，如图l 一2 所示。此外，在不同的系统 中，每一个部分的部件都有至少两种其他方案可供选择，例如齿轮箱为可选件， 发电机可以是异步机也可以是同步机，等。图1 3 所示为变速发电系统不同电 气系统的组合图，图中给出了由发电机到电网之间的各种不同的连接方案。 图1 3变速发电不同电气系统组合图 由图1 3 可见，风力发电必须通过逆变器才能并网。通常使用的并网逆变 器包括晶闸管逆变器、电压源型p w m 整流器( v s c ) 等。需要说明的是，v s c 需要一个最小的直流侧电压以便于正常运行，在一些情况中必须采用某些变流 装置以增加v s c 正常运行时的直流侧电压，例如d c d c 。v s c 通常是由绝缘 栅型门极可关断双向晶闸管( i g b t ) 组成。与普通晶闸管逆变器相比，v s c 并网具有以下优点【6 j ： 6 1 ) 电能的双向传输； 2 ) 无功功率可控( 通常设置为零，以获得单位功率因数) ； 3 ) 并网电流正弦化无低次谐波； 4 ) 较快的动态响应。 显然，通过采用先进的控制技术可以显著提高风力发电的电能质量，因此 本文将v s c 作为风力发电网侧变流器的实现形式，并将其控制作为研究重点。 1 2 2网侧变流器的拓扑结构 o 0 p 缸t n ( a ) 基于l 滤波器的v s c p 屯t 辨曳缸 + 玑 屯爷屯爷屯爷 一 ( b ) 基于l c l 滤波器的v s c 图1 - 4风力发电网侧变流器的两种滤波形式 如前所述，v s c 具有诸多的优点，然而由于v s c 采用的是p w m 或s v p w m 调制方式，不可避免的会出现开关频率高频谐波，为了抑制注入到电网的电流 谐波，通常采用滤波电感( l ) 滤波。然而，风力发电机功率等级的不断增加， 相应的并网变流器的功率等级也在不断提高。随着变流器功率等级的提高，采 用一阶l 型电感滤波逐步暴露出缺点：在中高功率应用场合，为了降低开关损 耗，开关频率往往较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大， 这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低，还会带来体积过大、 成本过高等一系列问题r 7 1 。近年来，不少研究人员对网侧滤波电感的设计进行 了深入研究，并提出了在大功率应用场合采用l c l 滤波器取代l 滤波器的设计 方法，能够使l c l 滤波器在总电感量小于l 滤波器的情况下，提高网侧电流谐 波的抑制效果 8 - 9 。 图1 - 4 ( a ) 所示为基于l 滤波器的v s c ，图1 - 4 ( b ) 所示为基于l c l 滤波器的 v s c 。由图可见，两种网侧v s c 的硬件差异只在于网侧滤波器的不同，而在控 制上l c l 滤波器的v s c 控制较为复杂。为了获得较好的滤波效果，本文将重 点研究具有l c l 滤波器的v s c 控制策略，其中包括l c l v s c 的不平衡控制策 略。值得注意到是，由于v s c 能量可双向流动，且工作于不同状态时的控制策 略没有改变，仅是能量的流动方向相反，因此为不失一般性，文中网侧变流器 的建模和控制均以整流状态为例对其进行研究。 1 2 3 网侧变流器控制策略的研究现状 本文以带l c l 型滤波器的三相电压型p w m 变流器( l c l v s c ) 拓扑作为 网侧变流器研究对象。三相v s c 因其具有允许能量双向流动、网侧电流谐波小、 并网功率因数可控等优点，近年来被广泛应用于电机驱动和分布式发电等场合， 它的设计方法、数学模型和控制策略也成为相关领域的研究热点之一 1 0 , 1 1 。 三相v s c 的控制策略按照电流控制方式可分为“间接电流控制”和“直接 电流控制”两种。由于“间接电流控制 实际上控制的是变流器交流侧输出电 压的幅值和相位，不做电流反馈，因此难以避免网侧电流动态响应慢、对系统 参数变化敏感等缺点，目前已逐步被“直接电流控制 所取代【o j 。 “直接电流控制 具有快速的电流响应，系统鲁棒性也较“间接电流控制 有了很大提高，是目前主流的控制策略。随着研究的不断深入，“直接电流控制 被赋予了越来越丰富的内涵，大体上可分为线性控制和非线性控制两类【lz | 。线 性控制包括p i 调节控制6 , 1 3 , 1 4 、状态反馈控制1 5 , 1 6 】、预测电流控制【1 7 , 1 8 等；非 线性控制包括滞环电流控制1 9 , 2 0 , 2 1 】、模糊控常l j 2 2 , 2 3 , 2 4 】、神经网络控带l j 2 5 , 2 6 , 2 7 等。 其中，基于坐标变换理论的调节控制获得了最为广泛的应用，按照坐标定向方 法的不同，又可将其分为基于网侧电压( v o l t a g e b a s e d ) 的控制策略和基于虚 拟磁链( v i r t u a lf l u x b a s e d ) 的控制策略两类，前者主要包括电压定向控制 ( v o l t a g eo r i e n t dc o n t r o l ，v o c ) ，和直接功率控制( d i r e c tp o w e rc o n t r o l ，d p c ) ， 后者主要包括虚拟磁链定向控制( v i r t u a lf l u xo r i e n t dc o n t r o l ，v f o c ) 和虚拟磁 链一直接功率控制( v i r t u a lf l u x d i r e c tp o w e rc o n t r o l ，v f d p c ) ，如文献 2 8 所 述。以上控制算法还可以和电压、电流估算方法相结合，形成三相v s c 无电压、 电流传感器控制策略，进一步提高系统可靠性。例如，文献 2 9 研究了网侧电 压和中间直流电压的估算方法，文献 3 0 研究了无网压传感器的v o c 和d p c 控制策略，并对两者的优缺点进行了分析对比。 鉴于滤波效果较好且使用的电感值也较小的优点，l c l 滤波器在m w 级风 机并网变流器中得到广泛使用。然而l c l 滤波器对系统引入了一个零阻抗谐振 频率点，如果没有适当的阻尼，系统稳定性将受到影响。为了抑制滤波器的谐 振，人们研究了相应的谐振阻尼办法，主要可分为无源阻尼( p a s s i v ed a m p i n g ) 8 和有源阻尼( a c t i v ed a m p i n g ) 两大类。无源阻尼法是通过直接加入电阻以增加 系统阻尼，设计上简单可靠，文献 3 1 ，3 2 】即采用这种方法。但是阻尼电阻的损 耗使得系统效率降低，在高压大功率场合阻尼电阻发热严重，可能需要强制风 冷。为有效解决效率和稳定性之间的矛盾，用算法来代替实际电阻的有源阻尼 法逐渐引起了学术界的关注，具体实现方法多种多样，目前主要有虚拟电阻、 超前滞后网络等方法。和无源阻尼相比，有源阻尼方法能够避免阻尼电阻引起的 额外效率损失，但也造成了控制算法的复杂化。p e k i ka r g od a h o n o 提出了“虚 拟电阻”的思想来替代实际电阻【3 3 1 ，与无源阻尼类似，该文提出了四个可能的 可以替代实际电阻的控制算法。该方法由于具有简明的物理意义，因而在工业 上获得了一定的应用。vb l a s k o 提出了基于超前滞后模块( l e a d l a g ) 的滤波 电容电压反馈a d 方法【3 4 1 。在此基础上，m a r c ol i s e r r e 利用z 域分析系统传递 函数的方法对超前网络参数的选择以及对系统特性的影响做了分析 3 5 1 ，为超前 网络参数的选择提供了一定的参考。此外，m a r c ol i s e r r e 又提出了基于双带通 滤波器的方法【3 6 1 ，该方法不需要额外的传感器。但是采用的遗传算法增加了控 制系统的复杂程度，目前在工业上还很难得到应用。从实际的角度即工业应用 的角度来看，有源阻尼有一些缺点，p e k i ka r g od a h o n o 提出的“虚拟电阻 需 要增加电容电流传感器；v b l a s k o 等提出基于超前网络的a d 方法需要来自滤 波器电容的电压反馈，增加了系统的造价，此外这种方法需要配置增益和零点、 极点，有三个参数需要调节，设计过程比较复杂，不太适合工程设计；m a r c o l i s e r r e 用遗传算法来调节系统，不需要增加传感器，但复杂了控制算法。因而， 与普通带l 滤波器的并网逆变器相比，增加了传感器的数量，也就增加了系统 的成本，并降低了运行的可靠性。为此，研究减少传感器数量的控制策略很有 必要。文献 3 7 根据瞬时无功功率理论对无交流电压传感器的l c l v s c 控制策 略作了初步研究。这两种有源阻尼方案的另一不足是没有直接控制网侧电流， 而是通过控制v s c 交流侧电流间接控制网侧电流。在风力发电系统中，为了能 实现电网电压不平衡跌落时的低电压穿越，往往需要实现并网电流的对称平衡 控制，这就需要对并网电流进行直接控制。显然，通过控制变流器侧电流实现 对网侧电流的间接控制是不适当的。 以上控制策略均是针对三相平衡电网而言的。在实际系统中，由于短路故 障或非线性负荷的存在，电网不平衡现象时有发生，因此不平衡控制策略的研 究也有重要意义。不平衡的电网电压会给系统引入低频谐波，网压中负序分量 的存在将引起变流器运行性能的下降。一方面，三相v s c 直流侧电流会由此产 生6 、1 2 、18 次等6 整数倍的特征谐波和2 、4 、8 、1 0 次等非特征谐波；另一 方面，由直流电流谐波引起的直流电压n 次谐波，将在三相交流侧产生n + 1 次 电压谐波，进一步影响网侧电流波形 3 8 】。为此，研究人员提出了多种不平衡工 况控制策略以改进变流器运行性能，如双电流内环控制【39 1 ，非线性控制【4 0 1 ，输 9 入输出谐波消除控制【4 l 】和最小拍控制等【4 2 1 。考虑到不平衡分量的快速准确检测 是控制策略实现的前提，因此，人们也广泛研究了正负序分量的检测算法。如 文献 3 8 采用陷波滤波器分离正负序分量，算法易于实现，但检测精度依赖于 滤波器参数的选取，且易受频率偏移的影响。文献 4 3 提到了几种正、负序分 量的检测方法，分别是：基于带阻滤波器法( b s ) ，基于陷波器法，基于低通 滤波器法( l p ) 以及信号延迟法( d s c ) 。其中利用信号延迟的方法检测动态 响应最快。 1 3 本论文的主要目标和主要工作 本文对基于l c l v s c 的风力发电网侧变流器的控制策略进行了较为深入 的理论分析和研究，主要为了实现以下控制目标： 1 ) 保持v s c 直流侧电压的恒定而不受电网不平衡的影响； 2 ) 最大程度的保持交流侧相电流的正弦波形： 3 ) 保持相电压和相电流同相位，即保持交流侧功率因数为1 ，电网侧变流 器不与电力系统进行无功功率的交换。 鉴于以