下载文档原格式
190SVPWM 双馈风力发电并联变流器的控制探讨文/佘峰摘要：大功率双馈风力发电系统采用双PWM 变流器通过向双馈发电机的转子绕组中注入转差频率的电流进行励磁，从而实现定子侧感应电压的调节及并网。
单个并网变流器输出能量小，冗余性差，且受现有器件及其开关频率和发热等条件的制约，故难以满足系统要求。
通过电网电压定向矢量控制对并网并联变流器进行控制可实现直流侧电容电压的恒定和最大风能的跟踪控制。
关键词：变速恒频；变流器；SVPWM 一、系统配置双馈风力发电机组在实际中被广泛采用。
DFIG 双馈风力发电系统结构图如图1所示。
图1双馈风力发电系统结构图二、网侧并联变流器的等效模型（一）网侧变流器数学模型网侧变流器能够保持直流侧电压不变，同时能够对电网的功率因数进行一定程度的调整。
网侧并联变流器的拓扑结构如图2所示。
图中电网侧的三相电压分别用e a 、e b 、e c 表示，电网侧三相电流分别用i a 、i b 、i c 表示，变流器桥臂交流侧电压分别用v a 、v b 、v c 表示，直流侧电流用i dc 表示，直流侧电容电压用u dc 表示。
R、L g 、C 分别表示电网侧等效电感、电阻和直流侧电容器。
图2网侧并联变流器的拓扑结构（二）并网变流器的等效模型为了便于分析并联变流器系统的等效电路，针对每一相桥臂进行等效电路分析，其单相等效电路模型如图3所示。
图3系统单相等效电路模型图中,L e ､U e 分别表示并联变流器侧的等效电感和输出电压｡i x 表示流过每一相网侧电感的电流｡为简化等效模型,假设所有变流器中的电感值相等,因此L e =L p /2=L n /2｡U dc 表示直流母线电压,d 表示占空比,x 表示a ､b ､c 相｡根据等效原理,在一个开关周期内,每相桥臂中点的电压u ､流过上桥臂的功率开关管的电流i 可以表示为:u e ＝du dc （1）（2）根据电压定律，在ABC坐标系下的电压方程为：（3）由基尔霍夫定律，可得：i x ＝d a ·i a ＋d b ·i b ＋d c ·i c （4）因此可得到网侧变流器的状态方程为：（5）三、网侧变流器的控制策略网侧变流器主要运用双闭环控制策略，分别对电压环和电流环进行调节。
1、双馈型风力发电系统的运行原理双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。
其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。
通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。
双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用，因此又名交流励磁发电机。
双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。
正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。
图1、双馈风力发电系统结构图双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式：12r n n n =±2160f n n f r p ±=1211r n n n s n n −==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，ss n n n s −=为发电机的转差率。
由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。
当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。
三相双PWM控制变流系统张海燕一概述传统的整流器由二极管或晶闸管组成，由于其控制简单，工作可靠，故作为电力电子设备的电网接口在工业领域得到了广泛的应用，然而这类整流器存在以下主要缺点：（1）输入电流谐波含量较高，成为电网主要的谐波污染源；（2）从电网吸收无功功率，输入功率因数较低；（3）能量单向传递，只能从交流侧传递到直流侧；而PWM 整流器技术较好地同时解决了以上问题，其主要特点有：（1）输入电流高度正弦化；（2）输入功率因数可调，既可运行于单位功率因数，也可完成无功补偿；（3）能量可在交流侧、直流侧间双向流动；因此研制高性能PWM 整流器，对于未来实现传动领域大容量、高效能的电机调速系统有深远意义。
1．PWM整流器工作原理（1）主电路拓扑电压型PWM整流器包括单相、三相以及半波、全波PWM整流器，它们有个共同特点就是在PWM整流器直流输出侧有一个电容作为储能元件。
图1-1给出了三相VSR的主电路拓扑结构，可以看出，主电路中采用了6个开关管，此结构与三相逆变器的结构非常相似，但是，其主电路的输出是直流侧，而三相逆变器的输出是交流侧。
主电路中交流侧有3个滤波电感，用来滤除网侧电流的谐波。
图1-1三相VSR主电路拓扑图（2）工作原理PWM整流器采用了全控器件，不同于一般传统意义上的AC/DC变换器。
由于电流在其主电路中具有双向流动性，这就决定了PWM整流器能够工作于不同的状态。
当PWM整流器从电网吸收能量时，它就运行于整流状态。
反之，若PWM整流器向电网传输能量时，PWM整流器就工作于有源逆变状态。
实际上，PWM整流器是一个其交、直流侧均可控的四象限运行的变流装置。
图1-2 PWM 整流器等效模型PWM 整流器可以等效为如图1-2所示的模型电路。
从图1-2可以看出：PWM 整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。
交流侧电压、网侧电流分别为)(t V jN ，t I j ，（j=a,b,c ），直流侧电压、电流为dc V ，)(t i dc 由交直流功率平衡关系，有（2-1）所以，从交流侧就能控制直流侧的各个量。
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。
PWM , ,PWMPWM PWM PI PWM1 PWM1.1 PWM d-q1 PWMPWM VSR dq2 (d, q)2(d, q) PWMe d, e q—— E d, qu d, u q——VSR U d, qi d, i q——VSR I d, q1.2 PWMVSR VSR (d, q) PWM(1)d E d q qe q i q i q*VSR 33 VSR(1-1) d, q d, q u , u sq PIsd(1-2)i q*, i d*—— i d, i q(2)VSR 44 VSRd, q i d, i q i d 4 PI d, q VSR d, q VSR1.3VSR d [23] i L U dc U dc i LVSR VSR P ac P dc e q=0K f'—— K f'=i d*/i LK f''—— d K f''=e d i d*(1-5) [24] (1-5)(1-6) [21] (1-6)(1-8)VSR i d* PI552TI TMS320F2812 PWM D/APWM PWM6 :DSP :(1) , TPS70351 , 3.3V 1.8V , DSP ,(2) AD 2812 AD , AD , 1V 2V DSP, AD 2812 0—3V , DSP, 1.5V DSP DSP 1V 2V , 0-3V(3)D/A , 16 DA AD574(4)PWM IGBT(5) INA114 INA21376 PWMDSP3, , ,I/O , ,PWM ,AD PI , ,A D , , , , ,SVP WM THD 77 48 9 , PWM , , ,8 A9PWM 1.5MW ,589100080Analysis on Topology and Modulation Strategy for High Power Inverter in Wind Power SystemLI Jianlin HUShuju SHAOGuiping W ANG Yulong ZHAOBin XUHonghuaInstitute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science Beijing 100080 China Abstract Due to the great demand of medium-voltage high-power inverter for wind power system, thehigh power inverter has drawn tremendous interest ever since. It is presented a detailed review for topologies and modulation strategy for high power inverter, such as device series and shunt, multilevelinverter, parallel inverter, multimodular inverter, multimodular and multilevel inverter. The valuable resultis drawn.Keywords wind power system high power inverter topology modulation strategyMW1.2 MW1kW 3 kV 6 kV 10 kV ] - - -1.1AB 18 Bulletin1557 1 - - GTO1 Bulletin 1557 18 GTOIGBT 21.2“ ”EMIABB ACS 1000 IGCT 2.2 kV 3.3 kV 4.16 kV 3 ABB ACS 1000 12 IGBTSIMOVERTMVALSTOM IGBT ALSPAVDM6000 441 3.3 kV 4.16 kV 6.6 kV 10 kV234 dv/dt5 ALSPAVDM6000 12 18ALSTOM IGCT1.3BENNING 512 n+134 EUE1.4PWM 6 12Robicon 315 kW~10 MW Perfect Harmony 3.3 kV 6 kV1 SPWM23 0.95 THD<1% 97%6 PWM7 -1 0 1 5 11 ±5U ±4U ±3U ±2U ±U 0 U PWM1/5 1/15 PWM 5 12° A 5 A 5 11 21 30 291231.58 IGBT FRENIC 4600 FM4 [9] PWMIEEE519-1992IGBT 98 0.95 9121.6 HH 10 H Robicon HARMONY2PWM PWM Space Vector PWM, SVPWM Carrier phaseshifted SPWM CPS-SPWMSample Time Staggered SVM STS-SVM2.1 PWMPWM PWM Selected Harmonic Eliminated ModulationSHEM PWM PWM2.2 PWMPWM “ ”PWM PWM 11 A B C2.3SVMNPC SVM SVM2.4CPS-SPWM SPWM2.5STS-SVM CPS-SPWM SVM nKC m SVM /nKC STS-SVM CPS-SPWM3Robicon “ ” Siemens ABB GE Siemens IGBT ABB IGCT IGBTIGBT IGBT1976-1978- (1967-)[1] . -[M]. 2005 10.[2] Idris Z ,Hamzah, M K , Saidon M F. Implementation ofSingle -Phase Matrix Converter as a Direct AC -ACConverter with Commutation Strategies [C]. PowerElectronics Specialists Conference, PESC '06 37th IEEE,2006:1-7.[3] Petry C A Fagundes, J C S , Barbi I. New AC-AC ConverterTopologies [C]. 2003 IEEE InternationalSymposium on Industrial Electronics 2003 1 427 - 431.[4] . [J].2003 25 4 :5-12.[5] “IGBT ”[J]. 2006 1:22-23. [6] ACS 1000-world's first standard AC drive for mediumvoltage applications[J]. ABB Review 1998 2 :4-11.[7] .[J]. 2004 4:96-99.[8] .[J]. 2005 43 1 :16-18.[9] /product.asp [Z].[10] . H[D].2005 5.。
基于DSP的双FedWind发电系统电网侧PWM变换器的研究摘要:电网侧变换器双馈风力发电系统，是本文的研究对象。
首先本文分析了电网侧变流器的关键问题。
在关键问题的基础上我们提出了一个新的基于DSP的电网侧变流器的实现方法。
本文建立了双馈电机的数学模型和dq坐标电网侧变流器的数学模型，基于PWM变换器的数学模型，控制策略及电网侧的目标提出。
控制系统的软件设计详细解释，包括总体结构，流程图，还有在控制策略的实现过程中的细节问题。
我们为11千瓦双馈风力仿真平台建成发电系统。
基于该平台，为电网侧变流器进行了实验。
实验结果充分证明了控制策略的有效性和满意的控制性能已经达到。
并且，文中给出实验波形。
关键词：双馈风力发电，DSP，电网侧变流器一、导言随着日益紧张的能源供应，可再生能源发电技术，吸引了世界的目光。
双馈风力发电系统以其优越的性能越来越关注。
转换为转子提供合适的激励电流发生器，这是一个双馈风力发电系统的关键组成部分。
参考文献[1][2][3][4]分析了它的控制模型。
本文结合上述文献与各自的优势和缺点。
基于对他们提出一个新的基于DSP 的双馈风力发电系统在电网侧变流器的实现方法。
电网侧PWM变换器双馈风力发电系统，是本文的研究对象。
首先，本文建立的数学模型，对电网侧变流器的控制目标进行了分析。
基于PWM变换器的数学模型和控制目标，控制策略及电网侧的目标被提出。
最后，软件设计由DSP控制战略的实施。
建立11千瓦双馈风力发电系统的仿真平台，基于该平台，为电网侧变流器进行了实验。
实验结果充分证明了电网侧变流器，双程能量流的要求相匹配。
直流侧电压和电网侧电流的闭环控制，可以实现。
此外，在电网侧的单位功率因数运行的要求也相匹配。
二。
电网侧变流器的关键问题双馈电机转子在不同的操作系统下运行，具有不同的能量流动方向：亚同步运行状态，能量流从电网的转子;超同步运行状态，能量在相反的方向流动。
因此，为了使系统在很宽的速度范围内运行，以确保转子的能量，可以在双单向流动。
全功率风机变流器介绍一、全功率变流器控制原理全功率风力发电系统主体电路结构，如图1所示。
发电机的输出端连接变流器的机侧，变流器的网侧输出经升压变器后，连接电网。
图1全功率风力发电系统主体电路结构。
随着风速的变化，发电机的转速也变化，因此发电机输出的电压幅值和频率是变化的，而电网的电压幅值和频率是恒定的。
为了将发电机输出的频率和幅值变化的交流电送入到电网，变流器起到中间纽带环节的作用。
首先将发电机输出的交流电经机侧变流器部分整流成直流电，再经由网侧变流器部分逆变成交流电送入电网。
图2为全功率风力发电功率控制原理图，风机总控依据当前的风况，通过变桨和偏航控制叶片吸收的机械能，获得发电机的转矩量。
然后将转矩量值下发给变流器。
变流器根据总控下发的转矩指令，控制对发电机电能的抽取，从而控制并网电流大小。
总控依据当前风况，下发发电机转矩指令。
变流器响应转矩指令，控制并网功率。
图2 功率控制原理图对于机侧的变流器部分，在无速度传感器控制技术的基础上，采用基于定子电流定向的复合矢量控制技术，实现最大转矩电流比矢量控制的控制性能。
图3为发电机的控制矢量图。
图3 发电机控制矢量图对于网侧的变流器部分，采用电流解耦控制技术及并网电流对称控制技术。
通过对并网电流的解耦，将并网电流分解为有功电流、无功电流单独控制，实现有功功率和无功功率的控制。
同时为实现三相并网电流的对称控制，将负序的有功电流和无功电流控制为零。
控制结构框图如图4所示。
*dc图4 网侧变流器控制框图根据机侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图5为机侧变流器的主体电路结构，图6为转换为数学模型的机侧控制框图。
V图5 机侧变流器主体电路结构图6机侧变流器控制数学模型框图根据网侧变流器主体电路及控制策略，进行建模分析。
图7为网侧变流器的主体电路机构，图8为为转换为数学模型的网侧控制框图。
V0图7 网侧变流器主体电路结构图8 网侧变流器控制数学模型框图全功率风机变流器网侧、机侧协同控制策略如图9所示。
基于双PWM控制永磁直驱风电变流器的研究风电/永磁直驱/变流器/双PWM风电/永磁1引言当前市场流行的变速恒频风力发电系统主要有两种：一种为双馈发电机加转子变流器定转子分别并网的双馈方式；另一种为永磁直驱发电机加全功率变流器并网方式。
前者发展时间比较长，技术相对成熟，但存在发电机控制复杂、后期维护工作量大、齿轮箱等部件易出故障、维修不方便等缺点。
后者具有控制简单、风能利用率高、利于电网安全稳定运行等优点，因此，它更能代表未来风电机组的发展方向[1][2]。
永磁直驱风电机组并网变流器在国内的研究还时间不长，本文对永磁直驱风电机组双PWM控制并网变流器的原理、拓扑结构、控制策略进行了研究，并进行搭建试验平台进行了相应的试验，达到了预定的效果。
2双PWM变流器系统拓扑原理[3][4]本文采用的永磁直驱双PWM风电变流器的拓扑结构如下：如图1所示，电机侧变流器采用三相IGBT桥，通过PWM控制实现整流，电网侧变流器也采用三相IGBT 桥，通过PWM控制实现逆变，两个变流器中间直流母线加电容器作为直流支撑，这一拓扑结构解决了采用二极管整流桥具有的非线性特性、导致整流器输入侧电流波形畸变的缺点，因此采用PWM整流技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。
此时PWM整流器可以同时实现整流和BOOST电路的升压作用。
图1 双PWM控制型变流器拓扑结构PWM整流器通过解耦控制，可以实现发电机的单位功率因数输出。
通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，可以实现发电机最大转矩、最大效率、最小损耗控制。
可见整个发电系统控制方法灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性。
3网侧变流器控制策略针对图2-1所示拓扑结构，网侧变流器数学模型[5]：(1)式中：id，iq为交流侧电流矢量的dq轴分量；ud，uq为交流侧电压矢量的dq轴分量；ed，eq为电网电压矢量的dq轴分量。
根据式(1)可以设计出双闭环的网侧变流器控制策略，如图2所示。
文：裴景斌周维来孙敬华来源：九洲电气摘要：本文介绍了风电变流器网侧PWM变换器的数学模型和控制框图,给出了控制电路的硬件构成和软件流程,并给出实验波形。
关键词：风电变流器，PWM，控制器0 引言PWM变换器的控制技术是风力发电技术的核心技术之一，本文设计的PWM变换器是基于PI调节器的双闭环控制系统，并对提高网侧PWM变换器抗扰动性能的前馈控制策略进行了研究。
采用改进的前馈控制策略，对于负载扰动和电网电压三相平衡跌落，具有很好的抗干扰能力。
1 PWM变换器的数学模型和控制框图1.1 PWM变换器d-q轴下的数学模型图1 PWM整流器主电路将三相静止对称轴系中PWM整流器的一般数学模型经坐标变换后，即得到VSR的dq 模型，可解决对时变系数微分方程的求解，便于对参量解耦及获得控制策略。
坐标系及矢量分解如图2所示，其中(d, q)轴系以电网基波角频率ω同步逆时针旋转。
图2 坐标系及矢量分解根据幅值不变原理，进行矢量分解。
经推导，可得同步旋转(d, q)轴系下的PWM整流器数学模型：式中e d, e q——电网电压E的d, q轴分量；u d, u q——VSR交流侧电压矢量U的d, q轴分量；i d, i q——VSR交流侧电流矢量I的d, q轴分量。
1.2 PWM整流器的控制策略三相VSR控制系统设计采用双闭环控制，电压外环主要控制三相VSR直流侧电压稳定在指定值，电流内环按照电压外环输出的电流指令对有功无功电流进行控制，在同步旋转(d, q)轴系下电流控制器跟踪参考电流产生合适的参考电压。
然后，参考电压矢量被转换到三相静止轴系中，产生PWM脉冲，驱动开关。
(1) 电网电压定向矢量控制选取d轴与电网电压矢量E重合，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴。
此时，电网电压的q轴分量e q为零。
为了实现单位功率因数，无功电流分量i q 的参考值i q*设为零。
VSR双闭环控制系统结构图如图3所示。
图3 VSR双闭环控制系统结构框图由式(1-1)可以看出，变换器交流侧电流的d, q轴分量存在着相互耦合，无法对电流的d, q轴分量进行单独控制，给控制器设计造成一定困难。
为此，可采用前馈解耦控制策略，对u sd, u sq进行前馈补偿。
当电流调节器采用PI调节器，则指令电压可以计算为(1-2)式中i q*, i d*——电流i d, i q的指令参考值。
(2) 电流内环的前馈解耦控制VSR电流内环控制结构框图如图4所示。
图4 VSR电流内环控制结构框图由于电流的d, q轴分量具有对称性，i d, i q控制器可以使用相同的参数，因此主要对i d 控制器进行设计。
由图4可以看出：PI调节器的输出补偿了交流侧电感和电阻上的电压降；控制器采用电流d, q轴分量的解耦项抵消了VSR系统中电流d, q轴分量的交叉耦合项；电网电压的前馈分量抵消了VSR系统中电网电压的影响。
解耦后，被控对象简化为交流侧电感，控制量为流过电感的电流。
显然系统为线性系统，可以采用线性控制理论进行控制器设计。
1.3 改进的前馈控制策略VSR的传统控制方式下只有d轴电流可供控制，致使负载突变时动态响应受到限制[23]。
当负载电流i L变化时，首先使直流输出电压U dc偏离设定值，然后通过电压调节器的调节，减小直到消除U dc同设定值之间的差，系统重新进入稳态。
可见，负载电流i L对于整个控制系统而言是一个外部扰动信号。
根据控制理论，前馈控制可以消除扰动对系统的影响，引入前馈控制后能克服电压调节环调节速度慢的不足，从而改善系统的动态响应，减小负载扰动对系统的影响。
忽略三相VSR桥路自身损耗和开关器件的开关损耗，则三相VSR交流侧有功功率P ac 应与桥路直流侧功率P dc相等。
且e q=0，稳态运行时有式中K f'——负载电流与指令电流的比例系数，K f'=i d*/i L；K f''——输入电压d轴分量与指令电流比例系数，K f''=e d i d*。
式(1-5)是负载电流前馈控制[24]。
由式(1-5)可以看出，母线电压与电网电压直接相关，因此负载电流前馈控制对电网电压波动的抗干扰能力较差。
式(1-6)是输入电压的一种前馈控制[21]。
由式(1-6)可以看出，母线电压稳态时与电网电压无关，对电网电压的波动具有较强的抗干扰能力。
但是，此时母线电压与负载电流直接相关，对负载变化的抗干扰能力较差。
因此，本文采用了一种改进的前馈控制策略，对负载扰动和电网电压的波动具有很好的抗干扰能力。
令由式(1-8)可以看出，母线电压稳态时与负载和电网电压都无关。
负载或电网电压发生变化时，前馈信号都能够动态跟踪变化，快速调整进线电流，维持输入与输出之间的功率平衡，从而维持母线电压的稳定。
VSR控制系统中电流参考信号i d*由电压PI控制器的输出和前馈信号两部分组成。
改进的前馈控制框图如图5所示。
图5改进的前馈控制方案2 控制器的硬件设计硬件控制电路是以TI公司的TMS320F2812为核心的控制板。
其主要功能有采样信号的调理，PWM脉冲的产生，D/A信号输出，网侧电压过零点检测等。
风力发电机组的核心控制由主控制系统和PWM变流控制系统共同实现，其中主控系统的作用是实现整机的控制，包括风速测量、功率计算、PWM变流系统的指令给定、变速变桨控制、所有接触器的控制等，变流控制系统的作用是根据主控板提供的给定信号，分别向变流系统中的电机侧逆变器、制动单元和并网逆变器发出相应控制脉冲，使发电机的能量通过整流、和逆变后送入电网，在保持中间直流电压恒定的同时，使逆变器输出电流达到电网连接要求。
控制系统硬件框图如图6所示:DSP外围电路由以下几部分成:(1)电源及复位电路,此功能由TPS70351芯片实现,该芯片可以输出3.3V和1.8V两种电压,满足DSP供电的需要。
同时可以输出复位信号,并可以接手动位按钮。
(2) AD基准电路，2812芯片内部自带AD采样的基准电路,可以满足AD采集的需要,也可以利用电压源和运放芯片产生1V和2V的信号提供给DSP,提高AD采集的精度。
由于2812芯片只能接受0—3V的电压信号,而信号调理板给DSP控制板的信号为双极性信号,所以需要把信号抬高1.5V后再送给DSP。
恰好可以利用DSP输出的1V和2V 信号给一运放芯片,把双极性的模拟量输入调整到0-3V之间。
(3)D/A输出电路,采用并口16位DA芯片AD574。
(4)PWM输出驱动和IGBT故障检测电路。
(5)模拟量输入调理电路，由差分放大器INA114和运放INA2137组成。
图6 PWM风电系统中大功率逆变器及其相应调制策略分析点击数：589李建林，胡书举，邵桂萍，王宇龙，赵斌，许洪华中国科学院电工研究所，北京100080摘要风电系统对中压大功率逆变器的需求日益增加，大功率逆变器已引起人们极大的兴趣。
就当前水平的各种大功率逆变器的拓扑：器件串并联型大功率变频器、多电平大功率变频器、并联逆变器、变频器多重化、多电平结合多重化型变频器及其相应的调制策略进行了详尽的分析，得出了一些有益的结论。
关键字风电系统；大功率；逆变器；拓扑；调制策略Analysis on Topology and Modulation Strategy for High Power Inverter in Wind Power SystemLI Jianlin，HUShuju，SHAOGuiping，WANG Yulong，ZHAOBin，XUHonghuaInstitute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science，Beijing 100080 China）Abstract Due to the great demand of medium-voltage high-power inverter for wind power system, the high power inverter has drawn tremendous interest ever since. It is presented a detailed review for topologies and modulation strategy for high power inverter, such as device series and shunt, multilevel inverter, parallel inverter, multimodular inverter, multimodular and multilevel inverter. The valuable result is drawn.Keywords wind power system；high power；inverter；topology；modulation strategy0 引言在目前的MW级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型是主流机型，与双馈型相比，直驱型减少了齿轮箱，降低了系统成本和维护成本，因为齿轮箱价格昂贵，易于损坏且维修复杂，我国尚不能完全独立生产；发电机采用永磁同步发电机，能量密度大，转速低，可靠性提高；但直驱型所用的逆变器需要传递全部电能，对容量要求比较大，增加了逆变器的制造难度，同时，永磁同步发电机转速很低，发电机体积大、成本较高。
风力发电机的单机容量越来越大，更多的风力发电拓扑正在被研究和开发中。
就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注，例如我国新疆金风科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驱型风力发电机组并成功实现并网运行。
直驱型风力发电系统中，电能都要通过逆变器传递到电网上，这就要求功率器件具备较高的功率等级。
然而受功率器件耐压极限和制作工艺的限制，单一功率器件的容量是有限的，同时，由于逆变器的功率很大，基于降低开关损耗，器件的开关频率也不可能太高，但开关频率太低又会导致逆变器输出波形的畸变率增加，进而增加后续滤波器的设计难度，并对电网产生污染。
因此适合于直驱型风力发电系统的逆变器拓扑须很好地进行研究。
逆变器作为风力电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等各方面要求很高。
逆变器的设计和制造，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。
1 大功率逆变器拓扑结构逆变器的作用是完成电能由直流到交流的变换，逆变器的研究和发展现状同变频器的发展状况密切相关，这是因为在变频器主要采用的交－直－交变频方案中，第一部分需要整流来完成，而第二部分便需要逆变来完成。
