变速恒频风力发电PWM整流及其控制策略的仿真研究

1、变速恒频风力发电PWM整流及其控制策略的仿真研究    摘 要： 整流器是风力发电系统中有着不可或缺的作用，对三相升压型PWM整流器的拓扑结构、数学模型、控制策略、主电路参数的设计进行研究，在系统模型分析的基础上，随后使用Matlab/Simulink软件构建三相VSR的仿真平台，对仿真实验波形和数据进行分析，仿真结果表明，文中所述的三相VSR控制系统设计方法可以实现高功率因数整流、低谐波输入电流和维持直流电压的要求。关键词： 风力发电；PWM整流器；控制；仿真中图分类号：TM303 文献标识码：A 文章编号：16717597（2011）12100750

2、21 概述近几年我国风力发电装机容量保持了快速的增长，截至2010年年底，中国全年风力发电累计装机容量达到4182.7万千瓦。中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会和国际环保组织绿色和平发布的中国风电发展报告2010预测：2020年，中国风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，相称于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相称于取代200个火电厂。风力发电系统一般由风力发电机组、整流器、蓄电池组、逆变器和控制器等构成。其中变速恒频风力发电的特点是风轮和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率，不仅可高系统的风能利用率，适应电网并网需求，同时更平稳安全、噪音小。本文在参阅国内外

3、大量文献的基础上，针对变速恒频风力发电系统的整流电路进行研究，建立三相PWM电压源型整流器的一般数学模型，并且对PWM整流器的参数和控制系统进行分析和设计，最后通过Matlab仿真软件进行仿真，分析仿真结果，改进方法。2 PWM整流电路拓扑随着PWM整流器技术的发展，现已设计出多种PWM整流器，尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将PWM整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型PWM整流器，无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。电压型PWM整流器直流输出电压高于电网电压，具有升压的特性；而电流型PWM整流器

4、直流输出电压可低于电网电压，具有降压的特性，两者在应用方面具有互补特性。本次仿真研究仅对具有升压特性的三相电压源型PWM整流器电路拓扑为基础进行详细研究，主电路拓扑结构如图1所示。图1 三相半桥VSR结构图3 三相电压型PWM整流器的数学模型本次主要采用开关函数描述VSR的一般数学模型1 ，建立三相VSR dq模型，同时将模型线性化。改进后的数学模型为：4 双闭环三相VSR控制系统设计将双闭环控制器设计方法用于PWM整流器，只需要经过为数不多的几步简单计算，就可以确定控制器的参数，特别适合控制器参数的现场整定。双闭环控制的另一个优点也是它特有的优点是：由于电流内环的存在，只要使电流指令限幅，可

5、以使整流器工作于恒流状态，自然实现了对装置的过载保护。5 三相PWM整流器的仿真分析Matlab的Simulink库中，具有多种电力电子器件，比较适合于面向结构仿真。本次将采用SimPowerSystems库搭建模型进行仿真，对上述的理论分析进行了验证。5.1 三相VSR仿真参数仿真模型中的参数计算选取三相交流电压有效值220V、直流侧初始电压538V、交流侧电感8mH、电流内环参数 =50、 =250，直流侧电容6mF、电压外环参数 =20、 =250、直流侧参考电压800V、开关频率10kHz、负载电阻=100 、采样时间5e-6s。5.2 PWM整流器的simulink仿真搭建为了表述清

6、晰，将仿真模型搭建为三大模块，分别是主电路模块、控制系统模块和数据测量分析模块。主电路模块用于实现整流器所主回路的能量流通，主要由交流侧电感、功率开关器件（IGBT模块）、直流侧滤波电容以及电阻负载组成。此外，主电路中还包含了三相交流电压、电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）、SPWM调制模块（Discrete PWM Generator）和直流电压测量模块（VoltageMeasurement）。数据测量分析模块为外部示波器输出四个量，分别是交流a相电压、交流a相电流、交流侧有功无功PQ以及直流电压 。而交流侧电流多接一个示波器则是为了进行对交流侧电流的谐波

7、分析。5.3 VSR控制系统仿真结果分析直流侧输出电压 如图2所示， 在系统运行时从510V开始，这是因为与IGBT反并联的二极管存在，使得在PWM整流不工作的情况下也会产生一个值为线电压1.35倍的直流电压，在仿真环境中对电容C的起始电压进行了设置。 在起始阶段会产生较大的过电压，这是由于比例积分控制的超调引起的，在0.3s后稳定在了800V。在图中，我们可以在这张动态响应图上可以看到其动态指标如下：以上这些动态性能指标可以体现一个系统动态过程的特征。其中，和 反应了一个系统响应的初始快速性； 可以反应一个系统的总体快速性；而超调量 描述了系统响应的平稳性或系统的阻尼程度。由上可知，系统在不

8、到0.1s就第一次达到稳定值，并且达到峰值，在0.3s后达到稳定值，且超调量较小，初步达到了系统控制的三个条件：快速性、准确性和快速性。图2 直流侧输出电压波形图由于是三相对称系统，选取a相电压和电流，其稳态时的波形仿真结果输入电压和电流同相位，满足整流器系统的单位功率因数要求。这样一个仿真结果是可以满意的，电流波形接近正弦波，从而避免了传统晶闸管整流对电网造成的谐波污染，且运行在一个较高功率因数下。图3是电网输入的有功无功变化曲线，从图中可以清晰看到，在进入稳态阶段后，有功P维持在6500W这样，而无功Q维持在0，这从另一个角度证明了整流器工作在单位功率因数下，与设计要求符合。图3 电网输入

9、的有功功率和无功功率波形图图4 交流输入端电流条状频谱运用仿真系统提供的FFT分析，从Matlab的工作空间中对存储的交流a相电流运算，可以得到图5所示的PWM整流器交流输入端电流条状频谱。观察可以发现，在整流器进入稳态后（分析从0.6s至2s期间的电流值）交流输入端的电流谐波成分主要集中在5次谐波，THD值仅为2.57%。6 结论经过20多年的研究与探索，PWM控制技术已经成功应用于整流器的设计之中，使整流器获得了前所未有的优良性能。与传统的整流器相比，PWM整流器不仅获得了可控的AC/DC变换性能，而且可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制，甚至能使电能双向传输。本文讨论了三相PWM整流器

10、的拓扑分类，在基于电压型三相PWM整流器拓扑结构的基础上，建立了其在三相静止坐标系和两相旋转坐标系的一般数学模型，并讨论了主电路中交流侧电感L和直流侧电容C的设计理论，为本论文的各种控制策略和算法提供了实验平台。在电压电流双闭环控制器的基础上，对PI参数的设计进行了推导，并给出了dq坐标系下的解耦方程和参数设计的理论依据。最后在MATLAB/SIMLINK环境下，建立了三相VSR的控制的仿真模型，并进行了仿真，仿真结果显示该模型能达到要求值，验证了控制系统的正确性。参考文献：1张崇巍、张兴，PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社，2003.2李玲玉，电流型PWM整流器及其控制策略的研究D

11、.浙江大学，2006.3胡学芝，基于Matlab的三相电压型PWM整流器建模与仿真J.自动化与仪器仪表，2005（6）.4熊健、张凯、陈坚，PWM整流器的控制器工程化设计方法J.电工电能新技术，2002（7）.5胡学芝，三相电压型PWM整流器的建模和仿真J.船电技术，2005（6）.6方宇、裘迅，三相高功率因数PWM整流器的建模与仿真J.电工技术学报，2006（10）.7赵振波、李和明，PWM整流器PI参数设计J.华北电力大学学报，2003（7）.8邱涛、陈林康，变频器中PWM整流器设计仿真J.微特电机，2005（5）.9徐金榜、赵金、何顶新，基于MATLAB的网侧变流系统建模仿真J.华中科技

12、大学学报，2004（9）.10王清灵、孙凤香、马支波，基于矢量控制技术的PWM整流器理论与仿真J.安徽理工大学学报，2006（12）.11朱俊洁、周凯，双闭环PWM整流器SIMULINK建模与仿真J.电气传动自动化，2005.12林飞、郝瑞祥，应用于风电场内部组网的多端直流系统研究J.电气应用，2005.13John Salmon, Hao Zhang A hybrid current controller for a 1-phase PWM rectifier combining hysteresis and carrier-based schemes to achieve a zero current error and unipolar PWM waveformsJ.35th AnnualIEEE Power Electronics Specialists Conference Aachen,Germany,2004.   &#