直驱式风力发电系统并网逆变器控制策略研究

1、第44卷第5期2010年5月电力电子技术Power ElectronicsVol.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

2、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 t(1式中:E m 为相电压峰值;为电网角频率。设网侧线路总电阻为R ,可得:u k =Ri k +L d

3、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,坐标系下数学模型为:u u =23姨1-1/2-1/2姨/2-姨/2u a u b u c 姨姨姨姨姨姨姨姨=Ri +L d id t +e Ri +L d i d t +e 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=cos t sin t -sin tcos te e(4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

4、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 (201005-0004-02The Control Strategy Study of Grid -connected Inverterin Dir

5、ect -driven Type Wind Power SystemZHAO 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

6、 pulse width modulation (SVPWM method 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

7、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 orientedFoundation

8、 Project :Supported by Grants from the Power Electronics Science and Education Development Programof Delta Environmental &Educational Foundation (No.DRES2007002图1直驱式风力发电系统的结构根据等式(3和(4得:e d e q =u d u q -Ri d Ri q -L d d t i d i q -L-i qi d(5 经整理得:u d =e d +Ri d +L d i d d t -Li qu q =e q +Ri q +L d

9、i q d t +Li d(64网侧逆变器控制策略在以上动态数学模型的基础上,采用电网电压合成矢量定向的控制策略,将同步旋转d ,q 坐标系下面的d 轴定于电网电压合成矢量E s 上面,q 轴超前d 轴90,即:e d =E s ,e q =0。 图2示出忽略R 的空间矢量图。U s 为网侧逆变器输出电压合成矢量;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;为功率因数角。E s 与轴的交角=乙dt 。 将ed =E s ,e q =0代入式(6整理得:u d =e d +Ri d +L d i d d t -Li q u q =Ri q +L d i q -Li d(7由

10、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 +Li q ,u q =u q -Li 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

11、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 -Li q ,u q *=u q +Li d(10E 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

12、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3s 。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

13、=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 =100s 。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5

14、c 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

15、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1Katsumi Nishida ,Tarek Ahmed ,Mutsuo Nakaoka.A Novel Current Control System Using PLL Circuit For Interior Per -manent Magnet Synchronous GeneratorA.Power Electron -ics

16、Specialists ConferenceC.2007:4717-4722.2Mohamed YARI ,El -Saadany E F.Robust High Bandwidth Discrete -time Predictive Current Control with Predictive In -ternal Model -A Unified Approach for Voltage -Source PWMConvertersJ.IEEE Trans.on Power Electronics ,2007,23(1:126-136.3黄苏融,张琪,谢国栋,等.多重电枢混合励直驱式风力发

17、电系统中国发明专利申请S.2007.4YANG Yong ,RUAN Yi .Grid -connected Inverter for Wind Pow -er Generation SystemJ.Journal of Shanghai University ,2009,13(1:51-56.5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

18、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,2007,13(12:38-43.2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,2007,9(2:176-179.3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,2005,25(14:57-61.4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,2004,19(12:59-64.5H Tao ,A Kotsopoulos.Multi -Input Bidirectional DC/DC Con -