双馈风力发电机双PWM变换器控制及实现ppt课件

1、风为我控，引领未来风为我控，引领未来二九年九月十四日李 辉双馈风力发电机双双馈风力发电机双PWM变流器的控制及实现变流器的控制及实现风为我控，引领未来风为我控，引领未来主要内容主要内容一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑三、转子侧三、转子侧PWMPWM变流器及对变流器及对DFIGDFIG控制控制四、网侧四、网侧PWMPWM变流器及其控制变流器及其控制五、五、SVPWMSVPWM变换技术原理变换技术原理六、双六、双PWMPWM变流器的变流器的DFIGDFIG系统及设计系统及设计七、结论和讨论七、结论和讨论风为我控，引领未来风为我控，

2、引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理1.1.什么是双馈发电机什么是双馈发电机双馈发电机双馈发电机(Doubly Fed Induction Generator: DFIG)的根本的根本构造与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变构造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机转速。磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。风为我控

3、，引领未来风为我控，引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理2.2.双馈发电机特点双馈发电机特点具有较好的转速顺应才干，能实现变速恒频发电具有较好的转速顺应才干，能实现变速恒频发电具有独立的有功、无功调理才干具有独立的有功、无功调理才干具有深度进相运转才干具有深度进相运转才干具有良好的稳定运转才干具有良好的稳定运转才干12r风为我控，引领未来风为我控，引领未来亚同步转速运转亚同步转速运转(定、转子电流同相序定、转子电流同相序)同步转速运转同步转速运转超同步转速运转超同步转速运转(定、转子电流反相序定、转子电流反相序)一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理3.3.双馈发电机运转

4、形状双馈发电机运转形状12r21ff1r20f 1r1r调理输入转子的电调理输入转子的电流相序和频率时，流相序和频率时，双馈电机便可以运双馈电机便可以运转在亚同步、同步转在亚同步、同步及超同步形状。及超同步形状。21ff风为我控，引领未来风为我控，引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理4.4.双馈发电机等效电路和稳态方程双馈发电机等效电路和稳态方程风为我控，引领未来风为我控，引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理5.5.双馈发电机能量流动关系双馈发电机能量流动关系风为我控，引领未来风为我控，引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理5.5.双馈发电机能量流

5、动关系双馈发电机能量流动关系风为我控，引领未来风为我控，引领未来一、双馈发电机任务原理一、双馈发电机任务原理5.5.双馈发电机能量流动关系双馈发电机能量流动关系发电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发电机中“双馈的本质。此外，接转子回路的变流器，即发双馈的本质。此外，接转子回路的变流器，即发电机转子励磁的电源必需是一个能量可以双向流动的变流器。电机转子励磁的电源必需是一个能量可以双向流动的变流器。风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑1.1.双馈发电机用变流器的要

6、求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风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑1.1.双馈发电机用变流器的要求双馈发电机用变流器的要求风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑2.2.双馈发电机用变流器的方式双馈发电机用变流器的方式两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器多电平双多电平双P W M 变流器变流器 晶闸管相控交交直接变流器晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双矩阵式双PWM变流器变流器钳位谐振双钳位谐振双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、

7、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器由两个完全一样的两电平电压型三相由两个完全一样的两电平电压型三相PWM变流器经过直变流器经过直流母线衔接而成，通常为背靠背变流器，英文为流母线衔接而成，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转中，两个变流器的任务形状时辰由于在双馈风力发电运转中，两个变流器的任务形状时辰发生变化，因此通常不按整流或逆变来区分，而是按照其发生变化，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。位置称为转子侧变流器和网侧变流器。风为

8、我控，引领未来风为我控，引领未来两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑风为我控，引领未来风为我控，引领未来两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器网侧网侧PWM变流器义务变流器义务风为我控，引领未来风为我控，引领未来转子侧转子侧PWM变流器义务变流器义务两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来双双PWM变流器运转形状变流器运转形状两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，

9、引领未来优点优点两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来优点优点两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来优点优点两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器Voltage and currents风为我控，引领未来风为我控，引领未来缺陷缺陷两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器 中间直流侧电压的动摇。假设添加直流母线电容值，电容中间直流侧电压的动摇。假设添加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的添加电容值减少，影响寿命

10、。目前通常体积庞大，随着时间的添加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来处理。采用功率平衡控制方式来处理。风为我控，引领未来风为我控，引领未来缺陷缺陷两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器 中间直流侧电压的动摇。假设添加直流母线电容值，电容中间直流侧电压的动摇。假设添加直流母线电容值，电容体积庞大，随着时间的添加电容值减少，影响寿命。目前通常体积庞大，随着时间的添加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡控制方式来处理。采用功率平衡控制方式来处理。风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑多电平双多电平双P W M 变流

11、器变流器为了满足风力发电对高压、大功率和高质量变流器的需求，多电平变流技术得到广泛运用。采用多电平变流技术后，可以在常规功率器件的耐压根底上，提高电压等级，获得更高级台阶的输出电压，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。典型的多电平拓扑构造有：二极管箝拉型、飞越电容型，级联H桥型、混合箝拉型等。随着电平数添加，箝拉器件的数目也添加，导致系统实现困难。通常以三电平、五电平变流运用居多。风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑三电平双三电平双P W M 变流器方式变流器方式风为我控，引领未来风为我控，引领未来二极管箝位

12、三电平双二极管箝位三电平双P W M 变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来当由于功率器件的容量受制造程度的限制时，多电平变流器最主要的优点是可以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；在一样直流母线电压下，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平安运转，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接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宜在高压大容量场所的双P W M 电路拓扑构造。目前在2MW以上的风电机组中已采

13、用。优点优点二极管箝位三电平双二极管箝位三电平双P W M 变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来和两电平相比：功率器件和电容添加1倍，额外添加了箝位二极管。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，由网侧变流器坚持直流侧两个电容的电压平衡。假设电平数超越三，普通会出现电压平衡问题。( 电容值、死区时间和负载不平衡)缺陷缺陷二极管箝位三电平双二极管箝位三电平双P W M 变流器变流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来二极管箝位三电平双二极管箝位三电平双P W M 变流器变流器Voltage and currents风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用

14、变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑变流器比较及开展趋势变流器比较及开展趋势主功率元器件数量：虽然交-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。两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器多电平双多电平双P W M 变流器变流器晶闸管相控交交直接变流器晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双矩阵式双PWM变流器变流器钳位谐振双钳位谐振双PWM变流器变流器电压传输比：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。对电网缺点顺应才干：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

15、好的缺点顺应才干。风为我控，引领未来风为我控，引领未来二、双馈用变流器的要求及拓扑二、双馈用变流器的要求及拓扑变流器比较及开展趋势变流器比较及开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。两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器变流器多电平双多电平双P W M 变流器变流器晶闸管相控交交直接变流器晶闸管相控交交直接变流器矩阵式双矩阵式双PWM变流器变流器钳位谐振双钳位谐振双PWM变流器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

16、率器件采用多电平方式可运用到大功率场所，2MW以上通常采用，已有商品化模块。两电平电压型双两电平电压型双PWM变流器是双馈用最具有优势的一种变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开展趋势。开展趋势。风为我控，引领未来风为我控，引领未来三、转子侧三、转子侧PWM变流器及对变流器及对DFIG控制控制1. 转子侧转子侧PWM变流器功能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，决议运转性能网侧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。

17、风为我控，引领未来风为我控，引领未来三、转子侧三、转子侧PWM变流器及对变流器及对DFIG控制控制2. 转子侧变流器控制目的转子侧变流器控制目的经过对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亲密相关双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风为我控，引领未来风为我控，引领未来三、转子侧三、转子侧PWM变流器及对变流器及对DFIG控制控制3. 转子侧变流器控制思绪转子侧变流器控制思绪转子侧变流器控制应以DFIG的数学模型为根底来设计DFIG三相坐标系下的数学模型为高阶、非线性系统

18、借助坐标变换，运用矢量控制技术，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，实现其控制目的。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展引见风为我控，引领未来风为我控，引领未来三、转子侧三、转子侧PWM变流器及对变流器及对DFIG控制控制4. 电网电压恒定下电网电压恒定下DFIG简化电压方程简化电压方程并网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调理参数设计根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根底。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。消除交叉耦

19、合补偿项根据风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制定子磁链定向控制通常采用低通滤波器替代纯积分器。定子磁链察看器算法风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制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。风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制定子磁链定向控制转子电流闭环设计转子电流闭环设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子磁链定向控制定子磁链定向控制转子电流闭环设计转子电流闭环设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制定子电压定向控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来

20、DFIG定子电压定向控制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。风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制定子电压定向控制转子电流闭环设计转子电流闭环设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制定子电压定向控制转子电流闭环设计转子电流闭环设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制定子电压定向控制DFIG的功率控制的功率控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来DFIG定子电压定向控制定子电压定向控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来四、网侧四、网侧PWM变流器及其控制变流器及其控制1. 网侧网侧PWM

21、变流器实践是三相电压型变流器实践是三相电压型PWM整流器整流器风为我控，引领未来风为我控，引领未来2. 双馈用双双馈用双PWM变流器关系变流器关系风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 网侧变流器的数学模型网侧变流器的数学模型风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 网侧变流器的数学模型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转单位功率因数逆变运转非单为功率因数运转当直流侧电压恒定时,经过PWM控制，可调理变流器输入电压ur幅值、相位，从而调理输入电流大小及其和电网电压相位。风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 网侧变流器的数学模型网侧变流器的数学模

22、型风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 网侧变流器的数学模型网侧变流器的数学模型风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 网侧变流器的数学模型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，需求进展坐标变换。风为我控，引领未来风为我控，引领未来4. 同步旋转坐标下的网侧变流器数学模型同步旋转坐标下的网侧变流器数学模型风为我控，引领未来风为我控，引领未来5. 网侧变流器功率流网侧变流器功率流风为我控，引领未来风为我控，引领未来5. 网侧变流器功率流网侧变流器功率流风为我控，引领未来风为我控，引领未来5. 网侧变流器功率流网侧变流器功率流风为我控，引领未来风为

23、我控，引领未来6. 网侧变流器控制技术网侧变流器控制技术风为我控，引领未来风为我控，引领未来6. 网侧变流器控制技术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。风为我控，引领未来风为我控，引领未来7. 基于电网电压定向的网侧变流器控制基于电网电压定向的网侧变流器控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来7. 基于电网电压定向的网侧变流器控制基于电网电压定向的网侧变流器控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来风为我控，引领未来风为我控，引领未来7. 瞬时功率直接反响的网侧变流器控制瞬

24、时功率直接反响的网侧变流器控制风为我控，引领未来风为我控，引领未来五、五、SVPWM变换技术原理变换技术原理1. PWM技术概述技术概述所谓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外形的电压脉冲序列，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PWM；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输出电流能否按正弦变化。跟踪圆形旋转磁场来控制P

25、WM电压，磁链跟踪控制。而磁链轨迹经过电压空间矢量相加得到风为我控，引领未来风为我控，引领未来2. SVPWM技术优点技术优点五、五、SVPWM变换技术原理变换技术原理风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. SVPWM技术原理技术原理风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. SVPWM技术原理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个开关形状对应8个根本输出电压空间矢量，其中2条为0矢量。对于恣意给定的电压空间矢量V*，均可用其8条根本电压空间矢量合成。风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. SVPWM技术原理技术原理6个根本电压电压矢量端点的

26、运动轨迹是一个正六边形利用8个根本电压的矢量的线性组合，获得和根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)。恣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。风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. SVPWM技术原理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。风为我控，引领未来风为我控，引领未来4. SVPWM实现实现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波的开场、中间和结尾。一

27、个PWM周期，每个桥臂动作两次。风为我控，引领未来风为我控，引领未来4. SVPWM实现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存放器分别赋值成。风为我控，引领未来风为我控，引领未来5. SVPWM仿真仿真全控桥输出相电压0,1/3Vdc和2/3Vdc电压脉冲风为我控，引领未来风为我控，引领未来六、双六、双PWM变流器的变流器的DFIG系统及设计系统及设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来1. 双双PWM控制系统硬件设计控制系统硬件设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来1. 双双PWM控制系统硬件设计控制系

28、统硬件设计风为我控，引领未来风为我控，引领未来1. 双双PWM控制系统硬件设计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，集成了驱动和维护电路，如PM100CSA060和PM150CVA060等。六合一封装方式，内部含六只独立的IGBT。通常只需求PN引入直流侧，UVW引入交流侧。除了本身维护外，在DSP程序中也设置维护。风为我控，引领未来风为我控，引领未来2. 网侧网侧PWM控制硬件构造控制硬件构造风为我控，引领未来风为我控，引领未来3. 双双PWM控制系统软件设计控制系统软件设计软件构造：模块化主程序和各种中断效力程序。软件体系具有5个优先等级，其中定时器中断是实现DFIG实时控制义务，是软件中心。主程序执行形状显示，可被任何使能的中断打断。风为我控，引领未来风为我控，引领未来初始化变量，屏蔽中断，封锁触发脉冲，经过反并联二极管给直流侧电容充电，充电后才开场进展PWM控制。风为我控，引领未来风为我控，引领