直驱式风电并网变流器的控制与应用--毕业设计.doc

直驱式风电并网变流器的控制与应用

摘要

在常规能源日益紧张，.环境污染问题日益严重的今天，开发和利用无污染且资源丰富的风能具有十分重要的意义，为此，世界各国竞相发展风电产业，风电技术得到了一前所未有的快速发展，涌现出多种风电机组类型。其中，永磁直驱式风电系统以其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有优势正受到越来越多的关注，己经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。
本文以永磁直驱风电变流系统的运行与控制为主题，对其控制策略进行了综述，以及研究电压跌落条件下风力发电机组对电网的无功功率支持，并对其在电网电压跌落时的运行特性进行分析和电路设计。最后通过实验进行验证。

目 录
第一章 绪论 1
1课题研究的目的及意义 1
2.风力发电机控制系统国内外研究现状及发展趋势 2
3.风电机组的控制技术 3
4.本文研究的主要内容 6
第二章 直驱永磁风力发电机控制策略 7
1系统描述 7
2.最大风能捕捉 8
3.控制原理 9
4.控制策略 11
第三章 直驱永磁风力发电机控制系统的设计 15
1.全功率变流器 15
2.电压跌落时特性研究 18
3 控制电路设计 18
第四章 模拟试验与结论 21
1恒压恒频输出模拟试验 21
2结论 22
参考文献 23

1

第一章 绪论
1．课题研究的目的及意义
在环境污染与能源危机的大背景下，风能作为无污染的新能源，已经成为世界研究的热门话题，其中又以变速恒频(variable speed constant frequency，VSCF)风力发电技术为当前的研究热点。目前主流的变速恒频风电机组多采用有刷双馈交流励磁发电系统，该系统可实现有功和无功解耦控制、最佳风能捕获控制以及变速恒频发电运行。但由于系统中需采用齿轮箱连接风力机和发电机，且有刷双馈电机存在电刷和滑环，导致系统结构复杂，齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率低；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素，所以降低了系统发电效率和运行可靠性。
永磁直驱风机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)风力发电系统就是在这种情况下出现的，应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以工作，直驱永磁同步风力发电系统当中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件（IGBT等）和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。
永磁直驱风机更能适应低风速，对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。目前，通用变频器技术成熟，价格便宜，为中小型直驱发电机的普及提供方便；性能优良的大功率电力电子器件的不断涌现，促进了大型直驱发电机的研究和应用，同时，伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用；应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0～150%的额定转速，提高了风能的利用范围。直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势，因此它具有广阔的发展和应用前景，国外形容其为风力发电的一场革命。
直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。
2.直驱永磁风力发电机控制系统的发展历史，国内外研究现状及发展趋势
直驱永磁式电机起源于1995年，当时美国纽约州的一家研究机构设计出了一种新型可变磁阻发电机，它用风力发动机中的磁性装置取代了机械齿轮箱。该设计的特点在于，可变磁阻电机的极结构能够承受各个方向操作而不需要支付箱齿轮箱那样的费用。在2000年，加拿大M.eng. M.Dubois博士提出将风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间会对部分工作负载的效率产生负面影响，而且较易受损耗，若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱，并对直驱式低速旋转电机应用于风力发电机的一些问题进行了研究。但直到1997 年，市场上才开始出现兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力机，容量约在330kW~2MW，并且多由德国于1992年开始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可变速风力发电机组，它包括了永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量为3MW、高约70m、风扇直径约90m。在2003年，Okinawa电力公司开始运行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机MWT-S2000型风力机，该风机采用了小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机和新型轻质的叶片。由此可见，直驱式无齿轮风力发电机始于20多年前，却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣，并将该技术积极应用于产品推向风力发电市场，德国、美国、丹麦都是在该技术领域中发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的直驱式无齿轮同步发电机被用在世界最大的挪威风力发电场，据称效率达98%[1]。
作为一个新兴能源行业，风电业在我国起步并不算晚，但由于诸多原因，国内的风力发电机研究进展并不快。在1996年我国制订“乘风计划”，旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率，2001年国家863计划能源技术领域后续能源技术主题“兆瓦级风力发电机组及其关键部件研制”课题开始实施。2007年11月，中国资源综合利用协会可再生能源专委会、国际环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2007》，报告指出，自1995年至2006年，我国风电装机容量的年平均增长率为46.8%；截至2006年底，我国共建设风电场100多个，风电装机容量己达2.6GW，跃居世界第六位。
2005年4月24日，我国第一台国产兆瓦级风力发电机在乌鲁木齐市达坂城风力发电场完成吊装，投入运行。这台1.2MW直驱式永磁风力发电机是我国第一台整机设计、制造并拥有自主知识产权的兆瓦级风机，它的运行意味着我国风机设计制造能力已达到世界先进水平。虽然成绩显著，但我们国内的风机市场占有率并不高，而且现在世界上多数风电发达的国家都建有国家投资的研发服务机构，专门为市场中的企业发展提供技术和政策支持，如丹麦的国家实验室(Risoe)、德国的风能研究所(DWEI)等[2]。
新疆金风公司与国外合作已成功研制1.2 MW～1.5 MW直驱型风力发电机组并成功实现并网运行；丹麦BOUNS公司(现已被西门子收购)选择了无刷感应发电机配备全功率变流器；GE风能公司也在其最新的2.X系列(2.3 MW，2.5 MW，2.7 MW)中把双馈发电机换成了带全功率变流的同步发电机，GE风电系统的逐步转型是为了适应新的“电网故障穿越”规则。
我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合《关于风电建设管理有关要求的通知》中风机国产化率要求及国内风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4000台，占2014年新增风机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%。
3.风电机组的控制技术
当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频是指在风力发电过程中，保持风力机的转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频是指在风力发电过程中，让风力机的转速按照一定的关系随风速而变化，并通过其他控制方式得到恒频的电能。
（1）恒速恒频发电系统
此系统中，多采用龙型异步电动机作为并网运行的发电机，异步发电机的转子速度高于同步转速，当风力机传给发电机的机械功率随风速的增加而增加时，发动机的输出功率及其反转距也增大，运行点发生了变化。若转子速度超过同步转速3%-5%时，发电机进入不稳定区，产生的反转距减小，导致转速迅速升高，引起飞车，后果严重。
另外，对恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴，齿轮箱和发电机等部件，在这件部件上产生很大机械应力，如果上述过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加，而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，一部分被加速旋转的风轮所吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大扭矩和应力，当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网、风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用使风力机内部能量传输部件应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风电机组运行更加平稳和安全。
异步发电机并网运行时，一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收无功功率。异步发电机向电网输出的电流大小及功率因数，取决于转差率及电机的参数，而转差率与异步发电机的负荷大小有关，电机的参数无法改变，风力发电机多采用机端并联电容器以提高功率因数。运行中当发电机和并联电容器与电网突然断开时，电容器的过励和异步发电机的转速上升可能引起有害的自励现象。自励产生的过电压可能危及发电机和电容器的绝缘，必须予以重视。一方面应从最不利的过速情况来选择电容器的电容量，另一方面在保护线路上要采取措施。这种运行方式除了有风能利用系数低的弊端，主要弊端还是当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量增大，制造成本增加。
（2）变速恒频发电系统
变速恒频发电系统相对于恒速恒频发电系统，主要有以下优点：
A风能利用系数高
利用变速恒频发电方式，风力机就可以改变恒速运行为变速运行。这样就可能使风力机的转速随风速而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获得更多的能量。
B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
这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也被风力机吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭转及应力。在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风电机组运行更加平稳和安全。
C低风速下以低转速运行，降低噪音
恒速运行时风力机转速不能太高，因为在低风速时，环境噪音不大，掩盖不了叶片的气动噪声，所以恒速风力机的叶尖速度一般局限在60m/s左右，相应的叶尖速比在7.5左右。由于空气动力学的原因，风力机转速越低，叶片尺寸就必须越大；而变速机组由于风力机转速与风速成比例变化，所以较少受低风速时噪音的限制，设计时可以采用更大的叶尖速比。同样由于空气动力学原理，较大的叶尖速比，可将叶片做的更薄，从而降低制造成本。变速机组即使设计叶尖速比大于恒速机组，低风速时的转速仍会大大低于恒速机组，因而噪声低，更具有竞争性。
D改善系统的功率因数
目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，它在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率（通常是安装电容器，以补偿大部分消耗的无功）。而现代变速风电机组却能够十分准确地控制功率因数，甚至向电网输送无功，改善系统的功率因数。
由于以上原因，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大型机组中将更为引人注目。当然，决定变速机组工作性能的一个关键是变速恒频发电系统的控制装置和控制策略的设计。
变速恒频风力发电系统主要由风力机、齿轮箱（可选）、发电机、变频器和控制器组成，实现变速恒频的基本方式有两种，一种是采用交流励磁双馈电机的风力发电系统，另一种是采用电励磁或永磁式同步电机。

4. 常用风电机组类型
风力发电技术从风机组的定桨距恒速运行发展到基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。以下给出了当今几种并网型风力发电系统结构图，并概述了它们的优缺点。
A 普通三相同步发电系统
早期的恒速恒频风力发电系统中是采用普通三相同步发电机，风力机与发电机之间通过齿轮箱连接，风力机采用定桨距控制技术，发电机通过断路器直接与电网连接，这就是所谓的刚性连接。同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，频率稳定，电能质量高，己被电力系统广泛采用。然而，由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度，因此把它用于到风力发电机组上使用效果并不太理想。该系统需要调速机构和励磁机构对同步发电机的频率、电压和功率进行有效的控制，否则可能会造成无功振荡与失步，重载下尤为严重。普通三相同步发电机型风力发电系统结构示意图如图1-1所示:

图1-1 三相同步发电机系统结构图
B 双馈风力发电系统
双馈式风力发电系统是变速运行风电系统的一种，由风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等构成。双馈电机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，使得机组可在较大速度范围内运行，并与电网之间实现能量双向传输。当发电机运行在超同步速度时，发电机定子和转子同时向电网输送能量;而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。
相比于传统的恒速发电系统，双馈电机的优势在于:降低输出功率的波动和机组的机械应力;不需要无功补偿装置;可以追踪最大风能，提高风能利用率;控制转子电流;就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性;在转子侧控制功率因数，可提高电能质量;变频器容量仅占发电机额定容量的25%左右，与其它
全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。而其缺点在于控制方式相对复杂，并且价格较昂贵，其结构图如图1-2：
图1-2 双馈风力发电系统结构图
C 直驱式风力发电系统：
在直驱式风力发电系统中，风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网，需要保证机组电压的值、频率、相位、相序与电网保持一致。
直驱式永磁同步风力发电系统采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆盘形状，为了简化系统的控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是具有较大的优势仁’3一‘4」。风电系统将发电机发出的全部交流电经整流逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。工GBT(绝缘栅极双极型晶体管)是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。系统结构如图1-3：
图1-3 直驱式风力发电系统结构图
5.风力发电变流器技术现状
就目前情况来看，双馈型风力发电机仍是主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也开始逐渐受到关注。变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置。直驱风力发电系统中，并网变流器在风电整机成本中占15%、200k的比例，是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通道，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，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、ABB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700/0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。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。
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，哈尔滨九洲电气股份有限公司、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。2007
年10月20日，国内首台1.SMW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。
6. 本文研究的主要内容
通过大量的文献调研，全面论述直驱式风电并网变流器的主要拓扑结构、对应的控制方式、实现的功能、适用的场合以及对电网故障的应对措施等

第二章 直驱式风力发电机组网侧变流器控制策略研究

网侧变流器的控制目的主要是将母线电压逆变为与电网电压同频的交流电，维持直流母线电压稳定，同时满足电力系统有功和无功功率的需求，通过电流解祸控制，实现有功和无功的单独控制。
n 1.变流器控制方法概述
风力发电系统中大功率变流器系统一般采用三相逆变器，而在中小功率系统中，可以应用单相逆变器。变流器中大都使用IGBT开关器件，为电压、电流控制带来了方便。通过变流器自身多次有规律的开关可以控制电压和电流波形，这就是控制技术。变流器的本质就是利用开关把电压或电流在时间上离散化并按一定规律组合成一个新的电压或电流。
变流器接在发电机和电网之间，变流器在稳定中间直流电压的同时，将单位功率因数的正弦电流送入电网。变流器的电流控制技术是一种新颖的控制技术，由美国B.K.BOSS教授提出。近十年来这一技术在再生能源系统中得到重视，获得了很大的发展和应用。PWM变流器电流控制策略分为两类：一类是间接电流控制，另一类是直接电流控制。间接电流控制的是通过控制变流桥臂中点基波电压的幅值和相位，进而间接控制网侧电流。间接电流控制没有电流传感器，网侧电流的动态响应慢，因此这种控制策略已经逐步被直接电流控制取代。直接电流控制引入电流闭环控制，以其快速的电流响应和鲁棒性受到重视，控制方法主要包括电流跟踪控制、同步PI电流控制。
n 2.间接电流控制
间接电流控制系统结构如图2-1，控制系统是只有直流侧电压控制环的单闭环控制系统。控制原理为直流电压给定信号和实际检测得到的直流电压比较后送入直流电压环PI调节器，根据功率平衡原则，调节器输出与三相电网侧流入或流出的电流大小有关。风力发电机产生的电流增大时，给直流侧电容C充电而使上升，PI的输入端出现负偏差，使其输出增大，进而使交流输出电流给定值增大，从而加快直流侧电容C的放电速度，这样逐渐使恢复到设定值。当达到新的稳态时，和相等，PI调节器输入仍恢复到零，而电流信号的幅值的给定值则稳定在新的值上。与之相反，风力发电机产生的电流减小时，调节过程和上述过程相反。

图2-1 间接电流控制系统结构
电流信号的幅值与检测到的电网电压相角的正弦值相乘，得到与电源同相位的三相电流信号。图中上面的乘法器是分别乘以和电网三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在R上的压降；图中下面的乘法器是分别乘以比三相电网相电压的相位超前π/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感L上的压降；各相电源相电压分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到交流输入端各相所需要的相电压的控制调制信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制各开关功率器件，得到桥臂中点电压，从而控制流过电感L的电流大小，同时实现功率因数为1的控制效果。
间接电流控制不需要电流传感器，存在缺陷。其一是变流器桥臂中点电压依据变流器低频稳态数学模型运算得到，运算过程中用到电路参数L和R，当L和R的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果，难以保证系统动态性能；其二是在稳态向量关系基础上控制电流，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际上电网电压由于负载扰动经常会发生畸变，这必定影响控制效果；其三是没有电流反馈，系统没有自身限流功能。因此，间接电流控制的系统在动态性能要求比较高的系统中应用较少。
n 3.直接电流控制
网侧变换器的控制目标是：(1)保持直流侧电压恒定且有良好的动态响应能力；(2)控制桥路使交流侧电流为正弦，功率因数为1。交流侧电流的控制是网侧变换器控制的关键。从本质上讲，网侧变流器是一个交、直流电能形态转换的能量变换装置。由于无穷大电网电压基本恒定，对变流器桥臂中点电压进行控制就能有效地控制网侧电流的方向和大小。直接电流控制分为瞬时电流控制和同步电流控制，也称为直接电流控制。
n 3.1.瞬时滞环电流跟踪控制技术
瞬时电流控制是将交流侧电流检测回来，组成电流闭环电路。瞬时电流控制是基于静止坐标系下的控制策略，由于采用电流控制这使电流响应速度快，有利于过电流保护。瞬时电流控制常用滞环电流跟踪控制技术，一般应用对小功率变流器的控制。滞环电流跟踪控制是一种以给定电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过滞环比较器将两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出电流跟踪指令信号变化，也被称为电流跟踪SPWM控制法。
这种控制方法简单，但存在一些问题，由于控制系统频带宽度有限，实际控制电流会存在相位滞后和幅值误差，要实现单位功率因数逆变就会得有一定困难。另外对电流控制环所需产生的正弦指令电压给定信号的要求也很高。
滞环比较器的环宽，当指令电流和实际并网电流ik(k=a,b,c)的差值超过环宽时，就产生PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制IGBT的通断，从而使并网电流i跟随给定电流的变化而变化。越小，则输出电流误差越小，但是开关频率也越高。这样，实际电流围绕给定电流波形做锯齿状变化，并将偏差控制在一定范围。
这种控制方案的特点：
a.实时控制，电流响应快，控制准确，控制方法简单。不存在载波，输出电压中不含定频率的谐波分量；
b.滞环电路控制方式的开关频率不固定，其平均开关频率随直流负载电流的变化而变化，导致开关状态的不稳定性和任意性，同时对开关器件造成的冲击较大；
c.开关频率变化范围较大，增加了滤波器设计的难度，给驱动保护电路和主电路的设计带来困难，它以牺牲系统开关频率特性来达到好的电流控制。
d.滞环电路控制的滞环宽度选择比较困难，需要同时兼顾电流跟踪的速度和给定电流大小，否则滞环将失去调节作用。
n 3.2. 同步旋转坐标系下PI调节电流控制
近年来以空间电压矢量SVPWM调制为基础的同步PI电流控制理论被用于并网变流器研究。同步旋转坐标系下PI调节电流控制的核心思想就是将交流量转化为直流量然后借用经典的PI调节器进行控制，以得到良好的动态和静态控制特性。
这种控制方法在遵循变换前后功率不变原则条件下，将abc坐标系下的三相系统通过3s/2s变换转化到两相α，β静止坐标系中，可得α，β坐标系下变流器的数学模型。然后以电网频率为基准进行旋转变换，得到与电网同步旋转坐标系下的dq数学模型。在同步旋转坐标系中，原来三相坐标系中的交流量都变成了直流量。
下面将讨论在dq模型下有两个直流量是如何控制交流量的幅值和相角的。首先，d轴定义为有功功率分量，q轴定义为无功功率分量。控制d轴分量即可控制有功功率，控制q轴分量即可控制无功功率。其次，电压或电流合成矢量是d和q轴矢量决定的，变化dq矢量中的一个不仅改变矢量幅度，而且还改变d和q轴之间的夹角。因为角度是频率的导数，所以角度的变化将导致频率变化。为使变流器运行在单位功率因数状态，应设定=0，以使网侧无功功率为零。
在旋转坐标系下，三相静止坐标系下的交流量都变成了两相旋转坐标系下的直流量，这样就可利用传统PI调节器构建电流内环控制系统。控制系统通过电流反馈和电网电压前馈，使输入电流解耦，提高了动态性能，同时系统对参数变化的敏感性降低，稳定性也相应提高。由于变流器桥路与电网间可选用单电感L滤波或LCL滤波，其电流内环控制模型所不同，以下对这两种情况进行讨论。
3.2.1基于单电感L的同步PI电流控制
变流器桥路相当于一组开关，无法将直流电源和交流电网两种性质不同电源隔离，需要加入电感滤波器进行隔离；在开关状态下滤波器通过充放电，滤除功率器件开关带来的谐波，从而将离散的脉冲能量变为连续的正弦电能送人电网。另外，滤波器的特性决定整个控制系统的控制性能，其主电路结构如图3-1。事实上，电压型PWM变流器整体设计包括滤波性能和控制的动态性能问题，这依赖于变流器桥路两侧直流侧和交流侧两个滤波器相配合，才能达到满意效果。

图3-1 单电感L电压型PWM变流器拓扑图
一般三相静止对称坐标系(a，b，c)中的PWM变流器数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但在这种数学模型中变量均为时变交流量，因而不利于控制系统设计。为此，通过坐标变换将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系。这样，经坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，简化了控制系统设计。
基于单电感L的同步PI控制算法推导如下：
根据第二章的变流器两相旋转坐标下低频数学模型知，dq轴电流除受到控制量的影响外，还受到交叉耦合项和电网电压影响。为消除dq轴之间的影响，实现对两轴的独立控制，需要构建能解除d、q轴间电流耦合和消除电网电压扰动的解耦控制方法。

（3.1）

令：

（3.2）

其中为调节项，，为解耦项，为电压前馈，将调节项用dq轴电流PI调节器输出代替，则：

（3.3）

将式（3.3）（3.2）代入（3.1）可得完全解耦方程

（3.4）

由（式3.4）可以看出dq轴的完全解耦，并可根据此式（3.2）、式（3.3）得到同步PI电流控制框图，如图3-2。由图可知，控制d轴电流就可控制有功功率，控制q轴电流就可控制无功功率。为使变流器实现功率因数为1，即网侧无功功率为零，将q轴指令电流=0。由于在同步旋转坐标系中，原来三相坐标系中的交流量都变成了直流量，于是可以采用PI调节进行电流控制，可消除电流环静态误差。另外，电压前馈可以在一定范围内消除电网电压波动对变流器工作特性的影响。

图3-2 同步PI电流控制结构框图
3.2.2基于LCL滤波网络的同步PI电流控制
变流装置对风力发电机组性能以及送入电网的电力质量有很大影响。风力发电机组并网时需要满足产生的电压与电网电压的相序、频率、幅值和相位分别相等，且输入电网电流谐波应满足一定要求。满足以上条件还可以减小发电机并网过程对电网及发电机自身的冲击，同时将单位功率因数的低谐波优质电能送入电网，其主电路结构如图3-3：

图3-3 基于LCL滤波器的电压型PWM变流器主电路
现在大容量风力发电变流器开关频率较低，交流侧电流中含有较低频率的谐波，采用LCL结构比单电感L结构滤波有更好的电流谐波衰减特性，能更好抑止电流谐波，同时LCL滤波电路的等效阻抗小于去掉电容的纯电感电路阻抗，从而可减小滤波回路的电压降。但LCL滤波器是一个三阶系统，其系统结构远复杂于一阶单电感L滤波器构建的变流器。因此，有必要对LCL滤波器组成的并网变流器数学模型及控制策略进行研究。
基于LCL滤波的电压型变流器需要设计成稳定的和高效的系统。此文，设计了一个基于LCL滤波器简化模型，并采用同步PI电流控制环构成的变流器。在不降低系统性能同时，不增加阻尼电阻、传感器和控制方法复杂程度的情况下，通过选择传感器在LCL滤波电路中安装位置并合理配置电容和电感值使系统获得稳定，通常电流传感器设置在电网侧比放置在变流器侧更容易实现单位功率因数逆变并使系统稳定。
根据风力发电系统交流侧滤波器主要作用，确定LCL滤波器元件设计规则，用于选择合适的滤波电路器件，三相并网逆变器由三相IGBT组成的桥路经过并网LCL滤波电路后并到电网。
在设计LCL滤波网络时，应先确定变流器的PWM调制方法，然后考虑电网电压和网侧电流的检测位置对器件参数选取的影响。在确定变流器侧电感电网网侧电感及中间滤波电容C大小时，要满足滤波要求，还需考虑电感和电容吸收的无功功率大小，并使变流器输出电压对网侧基波电流的控制能力尽可能的大。
3.2.3基于LCL滤波的同步PI电流环控制系统
LCL滤波网络由于增加了滤波器件，系统由一阶变为三阶；而滤波电容的分流作用，使网侧电压电流传感器的放置共有四种方式，这使变流器电流控制形成多种方式。但就并网逆变而言，在电网电压平衡情况下，有两种可用电流控制方式。一种方式是控制LCL的网侧电感电流，另一种是控制LCL输出侧电感电流，而选用第二种方式构建控制系统会更容易实现单位功率因数，并可提高系统稳定裕度。此控制系统包括直流电压控制和dq轴电流控制，这种结构与单电感系统相似，易于实现单位功率因数逆变。
(1)LCL的滤波网络数学模型
a.三相静止坐标系下，基于LCL滤波网络的并网逆变器数学模型描述如下：

（3.5）

（3.6）

（3.7）

其u为变流器桥臂中点输出电压，v为电容端电压；e为电网相电压；i为电流；L为电感量；R为电感的电阻值；c为滤波电容量。
b.两相静止坐标系下，LCL滤波网络数学模型
在三相三线PWM变流器中，三相交流输出电流之和为零，且三相电路有两相相互独立。这样将式（3.5），（3.6），（3.7）经3/2变换得到两相静止坐标系下方程为：

（3.8）

（3.9）

（3.10）

c.两相旋转坐标系下LCL滤波网络数学模型
三相平衡的三相电系统，以角速度进行旋转变换，其中f是电网的基波频率，经过旋转变换可使交流量转换为直流量。与静止3/2变换的时不变性和线性转换性不同的是旋转变换改变了系统固有时间特性，系统数学模型方程在旋转变换后，使模型方程增加了与时间有关的新增项。这些新增项引起了变量间的耦合。三相三线单电感滤波的PWM变流器的电流环只有一对耦合项。如果使用LCL滤波器，耦合的变量则大大增加，为更好实现电流控制，可以通过增加解耦项进行解耦。解耦后相互影响的变量相互独立的，可以进行独立控制。对式（3.8)、(3.9)、(3.10)进行旋转变换dq坐标系下数学模型：

（3.11）

（3.12）

（3.13）

由经旋转变换得到式（3.11)、(3.12)、(3.13)可以看出有三组耦合项。将以上六个方程组中的四个变量消去，得到如下LCL完整数学模型：

（3.14）

其中，，此模型前两项为旋转变换之前所固有，后五项为基于电网角频率旋转变换产生的耦合项。
(2)电流环控制系统
根据旋转坐标系下滤波电路模型构建电流控制系统。首先忽略电网电压的扰动，经过旋转变换，原来与时间有关的正弦变化的电网电压变成了常数，电网电流在平衡且不含谐波时也变为常数。根据模型式（3.14）并采用PI调节与前馈解耦方法构建同步PI电流闭环控制的LCL变流器同步PI电流控制系统，如图3-4。

图3-4 基于LCL滤波器完整模型的解耦电流环模型
基于LCL滤波的单位功率因数变流器电流环的两种构成方式中，如果将变流器输出电流作为反馈所构成的电流控制系统，那么为实现单位功率因数逆变，在设计电流控制环时，需要增加算法以补偿因滤波电容C和电感引起的并网电流幅值和相位变化。而以另一种方式，即检测网侧电感的电流构成电流环时，则无须增加控制算法的复杂程度。
将电流控制环的dq两个通道解耦后，两解耦通道变成两个相互独立的对称直流电流环节。这样就可利用经典控制理论对系统的稳定性和动态响应进行设计。
(3)LCL滤波器模型简化
由图3-4可以看到基于完整LCL滤波器数学模型构建的变流器电流环十分复杂，从工程角度可以对滤波器模型进行简化。依据LCL滤波网络设计原则选取的电感和电容量可知则所有与电容C有关的项均可忽略，可将式（3.14)简化为：

（3.15）

这样与电容有关的耦合项可以全部忽略，此时简化模型与单电感模型一致，只是电感量等于。
(4)基于LCL滤波器简化模型的电流控制
系统简化的LCL滤波并网PWM变流器电流控制系统可以利用图3-2结构，只是前馈解耦电感量设定为得到图3-5。
电流反馈控制是基于旋转坐标系的PI同步解耦控制。由于通过坐标变换已将交流正弦信号转化为直流信号，这样一个交流系统就变成了直流系统。可以用典控制理论中PI调节器进行控制。对于闭环控制系统，其特性由闭环系统的开环传递函数决定，而只要使设计的电流环开环传递函数的放大倍数小于一定值就可以保证系统稳定。

图3-5 基于LCL滤波器简化模型的变流器拓扑图

35
第三章 直驱式风力发电