第二章风电系统PWM并网变流器
2．1直驱风力发电变流系统概述
直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换"其交／直整流既可以采用ＩGBＴPＷＭ整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波＂后者使用的大功率ＩＧBT开关管少,因而性价比更高"本文研究的MW级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变器的功率变换拓扑结构"通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型PWM变流器"系统变流部分拓扑如图2一1所示＂
图2一１直驱风力发电变流系统拓扑结构
发电机采用多极永磁同步电机＂发．出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往
不能达到网侧逆变(ＰＷM变换）对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压＂三相电压型ＰWＭ变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网＂图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元IGBT导通,电阻消耗能量,从而减小并网电流＂网侧采用ＬCＬ滤波技术可以有效地滤除PＷＭ变换中产生的高频谐波"
系统结构具有以下特点：
１.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本"
２.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容量的要求"
3．升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构，一方面分担电流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波"
4.PＷＭ变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线绝缘性能的要求；而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于中线的连接,引入了零序电流＂
5.斩波器输出之后加入了制动单元"当电网电压突然跌落时,由于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增＂此时使制动
单元IGＢT导通,旁路PWM变流器,电阻能耗制动,降低并网电流"待电网电压恢复后再断开制动单元开关管,系统正常运行"
6.ＰＷM变流器网侧采用LCL滤波，实现了风电变流系统与电网的隔离：既滤除ＰWM变换的高频谐波，又滤除电网尖峰信号对功率变换系统的干扰"变流系统控制主要针对斩波器和逆变器"斩波器通过调节输入电流控制系统传输的有功功率"因为斩波器输出侧直流电压由ＰＷＭ变流器控制恒定,所以控制输入电流时，调节IGBT开关管的占空比即控制了升压斩波器的输出电流，进而控制输入风能的功率"对变速恒频系统，斩波器输入电压会随风速的变化而改变＂为了控制系统的有功功率,其输入电流指令也必然会相应的改变"所以快速的动态跟随性是斩波器的重要指标"网侧逆变器有两个控制要求,其一要求控制直流侧电压恒定,其二要求控制并网输出电流谐波畸变(THＤ)小,且保持单位功率因数(ｕnｉtｙpowerfactor）,以控制系统无功功率为零"当然在必要的情况下,也应可以向电网发出需要的感性无功或容性无功"而网侧逆变器由于与风轮机和同步发电机隔离,其主要控制目标是保持良好的抗扰性能"当然在系统指令改变时,ＰWM变流器也应具有快速的动态响应"
２.2PwＭ变流器的分类及其拓扑
从电力电子技术的发展来看,变流器较早应用的一种形式就是ＡC心C变换装置,即整流器"它的发展经历了由不控整流器（二极管整流)!相控整流器(采用半控开关器件,如晶闸管)到ＰwＭ整流器(采用全控开关器件,如IGBT)的发展历程"传统的相控整流器，应用的时间
较长,技术也较为成熟,但存在以下问题:图２一1直驱风力发电变流系统拓扑结构发电机采用多极永磁同步电机"发.出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往不能达到网侧逆变(ＰWM变换）对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压"三相电压型PＷM变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网"图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元ＩGBT导通,电阻消耗能量，从而减小并网电流"网侧采用LCL滤波技术可以有效地滤除PWM变换中产生的高频谐波"
并网变流器作用
(l）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变;
(2)网侧谐波电流对电网产生谐波污染;
(3）深控时功率因数很低；
(4)闭环控制时动态响应慢；
虽然二极管整流器改善了网侧功率因数，但是仍会产生网侧谐波电流而污染电网,另外二极管整流的不足还在于直流侧电压的稳定性差"针对上述不足，PＷM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进＂其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流,功能上也已经远远超过了最初的整流,所以名称也渐渐演变成变流器
"PWM变流器可以取得以下优良性能:
(ｌ)网侧电流近似正弦波;
(２）网侧功率因数控制(如单位功率因数控制）;
(３)电能双向传输;
(4)较快的动态响应；
（5)可进行并网逆变;
目前已设计出多种的ＰＷＭ变流器，电压型和电流型是最基本的分类方法＂这两种类型的PWM变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着各自的特点,并且两者存在着电路上的对偶性"电压型的ＰWM变流器研究和应用较多，因此本文主要介绍电压型PWM变流器(VＳＲ)＂
1.单相半桥!全桥VSR拓扑
图2一２分别示出了vsR单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构Ｉ．４>"两者交流侧具有相同的电路结构,其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波"由图2一2(ａ）可看出，单相半桥VSR拓扑只有一个桥臂采用了功率开关,另一桥臂则由两电容串联组成,同时串联电容又兼作直流侧储能电容;单相全桥ＶSＲ拓扑结构则如图2一2(b)所示,它采用了具有4个功率开关的/H0桥结构"值得注意的是:电压型PWM变流器主电路功率开关必须反并联一个续流二极管以缓冲PWM 过程中的无功电能＂比较两者,显然半桥电路具有较简单的主电路结构，!1.功率开关数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低,常用于低成本!小功率应用场合"进一步研究表明,在相同的交流侧电路参数
条件下，要使单相半桥VＳR以及单相全桥VSR获得同样的交流侧电流控制特性,半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此单相半桥ＶＳR的直流侧电压利用率低,功率开关管耐压要求相对提高,另外,为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制,可见单相半桥VSR的控制相对复杂"
2.三相桥式VSR拓扑结构
图2-3为三相桥式VSR拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，采用6个功率开关管,这是一种最常用的三相电压型ＰＷM整流器,广泛应用于电力系统的有源滤波和谐波补偿，以及作为大功率拖动设备的前端整流。三相桥式VＳＲ工作原理同单相全桥VSR类似，但是脉冲调制的时候是三相调制
３．三电平ＶＳR拓扑
图２-4是三电平VＳＲ常见的拓扑结构。和二电平VSR相比而一言，三电jＶSR的主要优点在于:一是对于同样的基波和谐波要求，它的开关频率低得多从而可以大幅度降低开关损耗:二是它适用于更高的交、直流侧电压规模（１４]这两点都有利于加大变流机组的容量。不过三电平VSR的缺点也显而易见，-方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多；另一方面,它的控制也要比二电一’ＶSR复杂，尤其需要解决中点电位平衡问题。
２.３三相电压型PWM变流器的工作原理
PWM变流器不同于传统意义上的AＣ/DＣ整流器,具有网侧功率因数控制、能量双向传输的性能。当PWM变流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态,当PWＭ变流器向电网传输电能时，其运行于逆变工作状态。单位功率因数控制是指:当PWM变流器运行于整流状态时,网侧电压!电流同相,当PWM变流器运行于逆变状态时,其网侧电压!电流反相"进一步研究表明,PWM变流器其网侧电流及功率因数均可控，因而在风力并网变流器领域有着广泛的应用
图2一5给出了三相电压型PWM变流器的典型电路结构＂图2一5中共有四个储能元件，三个交流电感Ｌ和直流电容C,另外R表示功率开关管损耗等效电阻与交流电感及网侧等效电阻之和，为PＷM变流器交流侧等效电阻＂
交流电感的主要作用为:隔离电网电动势与变流器桥臂交流电压,控制变流器交流侧电压实现四象限运行；滤除交流电流谐波;储能,实现变流器与电网传递无功功率；使变换器具有升压变换(Boost)特性"直流电容的主要作用为：缓冲交流侧与直流负载之间的能量交换，稳定直流电压;使直流侧具有电压源特性,构成电压型PＷM变流器;
抑制直流侧电压谐波"根据PWM变换电路的原理,直流电压由直流电压闭环控制，桥臂中点电压通过开关管的PWM模式控制，类似于同步电机励磁电压矢量的方向和幅值可控=.６]"图２一6表示电压型PwM 变流器的等效电路图"根据正弦调制和载波比较技术对功率开关管进行PWM调制,可以在桥臂交流侧产生正弦调制的PWM电压波形,如图２-6所示＂正弦调制PWM波含与调制波频率相同且幅值成正比的基波分量和与载波相关的高频谐波＂这些高次谐波会产生电感电流脉动"忽略PWM高次谐波，如下相量方程（2一1)式成立:
其中E为电网电动势相量,U，为桥臂交流电压"!的基波分量的相量而夕表示线电流基波分量的相量＂以电网电动势为参考,控制桥臂交流电压相量U!可以控制PWＭ变流器的运行状态,使其不仅能工作于单位功率因数的整流或逆变状态,也可以根据需要发出超前或滞后的无功"图2一７给出系统相量图＂图2一7a）中U!超前E相角占，而电流夕超前云相角少"这里,，9０",其有功分量少；与云相位相反,电路工作在逆变状态,实现了能量的回馈;同时电流无功分量了,超前E相角９０0,表明其具有超前的无功,呈现容性负载特性"图(2一7b)
中U！滞后E相角占,而电流I滞后云相角中"这里价<90"，其有功分量2"与云相位相同，电路工作在整流状态：同时电流无功分量I;滞后E相角900,表明其具有滞后的无功,呈现感性负载特性＂
实际上由于可以调节电流幅值的大小和电网电动势与线电流之间的相位差,系统既可以控制交直流侧有功功率的传递，又可以控制变流器从电网吸收或发出的无功功率,方便地实现了四象.限运行"由此可见,要实现PWＭ变流器运行状态的控制，关键在于网侧线电流的调节＂一方面可以通过控制桥臂交流电压来间接控制网侧电流(幅值相位控制);另一方面,也可以通过网侧电流的闭环调节直接控制变流器的网侧电流"
2.4三相电压型ＰWM变流器的数学模型
对控制对象的数学建模主要是为了提出相应的控制策略,设计控制参数并分析系统的动!静态特性"本节建立两种数学模型:一般电路拓扑在三相静止坐标系(a-ｂ一c)下的数学模型(包括低频和高频模型),两相旋转坐标系(ｄ一q)下的数学模型"针对图2一8所示的主电路图,图中ｅa,气，eｃ为电源电压,ia,心,i.为电源电流,叽，叽,叽为整流前端输出PｗＭ电压一几为直流回路输出电流,瓜为直流负载电流,红为直流滤波电容输入电流,呱为直流母线电压，UN(，为图中N点对O点的电压，尺等效为开关损耗等效电阻和交流侧电感电阻含量之和,凡．为直流侧等效负载电阻,几为直流侧滤波电容值,ｅ:为直流电动势"各电压电流量均为瞬时值,正方向如图2一8所示"为了简化分析作如下假设
(l）交流三相电网为理想电压源，即三相对称!稳定！内阻为零；
(2)三相回路等效电阻相等,均为尺;
(３)各相电感相等，均为入;
(4）忽略开关器件的导通压降和开关损耗;
(5)忽略分布参数的影响;
２:41静止坐标系数学模型
所谓静止坐标系数学模型就是根据三相电压型PWM变流器拓扑结构,在三相静止坐标系(a,ｂ,")中,利用电路基本定律对变流器所建立的一般数学进行描述"如图2一6所示，当直流电动势气=o时,直流侧为纯电阻负载,此时三相vsR只能运行于整流模式;当气>Vuc 时候,三相vSR既可运行与整流模式，又可运行于有源逆变模式,此时三相vSR将气所发电能向电网侧输送，有时也称这种模式为再生发电模式;当气<呱时,三相VＳR则运行于整流模式＂为便于分析,定义三相整流桥开关函数Sａ,凡,Ｓc为: