直驱式风力发电系统

第一章双PWM型变流电路简介
本文讨论克驱式风电系统的一种电力变换装拓扑结构，选取背靠
背双PWM型变流电路为研究对彖.
直驱式风电系统结构原理如图1-1所示。

风轮电机
图1-1永磁同步电机直驱式风力发电系统并网结构图双脉宽调制(pulse-width modulation, PWM)变流器是由2个电压源型变流器(voltage source converter, VSC)背靠背连接构成，2 VSC直流侧通过直流母线并联，两极直流母线Z间并联滤波电容器以提高直流电压的电能品质。

由于该电路结构是完全镜面对称的，文献中称这种结构为背靠背连接。

背靠背双PWM变流器以其控制功能灵活、交流侧功率因数可调和直流电压可控等诸多优点，在轻型直流输电、统潮流控制器和柔性功率调节器等柔性交流输电技术领域
中获得了广泛的应用。

该电路拓扑结构如图1-2所示，整流和逆变部分都采用PWM三相桥实现，这种结构的优点：输入电流为正弦波，减少了发电机的铜耗和铁耗；发电机功率因数可调节为1,且能够与大阻抗的同步发电机相联接。

凤轮
图1-2三相电压型PWM逆变器的拓扑结构
第二章双PWM变流器动态数学模型
三相桥式拓扑结构构中交流侧采用三相对称的无中线连接方式, 图中L代表交流侧滤波电感参数，R为电感中的寄生电阻，图中直流电压源1｝血代表并网变流器直流母线电压，同时也是与发电机转了绕组相连的变流器直流母线电压。

为建立三相电压源型并网变流器的数学模型，根据其其拓扑结构，首先作以下假设：
1.电网电动势为平稳的纯正弦波电动势（e a,e b,e c）o
2・主电路开关元器件为理想开关，无损耗。

3・三相参数是对称的。

4・网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。

以A相为例，当VI导通V2关断时，直流电源Ude正极直接加到节点a处，由图可知，U M1 =U dc/2；当V2导通VI关断时，直流电源Ude负极接于节点a处，同理可知，=-U dc/2,同理易知节点b和c也是根据上下MOS管V5、V6 ）导通情况决定其电位的，由此可见，三相中任一相输出的相电压都有正负两个电平，因此这种结构的逆变器称为三相两电平逆变器。

图中1｝如是逆变器输入的直流电压，Ug,b,c）、i（a,b,c）分别为逆变器输出的电压和电流，e（a,b,cj是电网的正弦波电压。

通过对VI至V6六个MOS管进行合适的PWM控制，就可以实现逆变器输出电流与电网电压相位相同这一目标。

在上述假设条件下，根据三相有源逆变器的拓扑结构和三相电压源型PWM并网变流器的开关工作原理，利用基尔霍夫电压、电流定律，建
立得到三相有源逆变器的一般数学描述。

根据三相桥式电压型逆变器特性分析需要，三相桥式电压型逆变器可采用开关函数或占空比描述两种形式建立其一般数学模型，本文逆变器控制系统的仿真采用开关函数描述的数学模型，因为采用开关函数描述的数学模型是对三相桥式电压型逆变器开关过程的精确描述，较适合于逆变器的波形仿真。

2.1三相静止坐标系(a, b, c)下的数学模型
为了使得采用开关函数描述的电压型逆变器数学模型易于理解, 首先作如下定义：
单极性二值逻辑开关函数Sx
c
fl上桥臂导通，下桥曹关断“ k、
*■(0上桥臂关断，下桥臂导通(' ,£)
表2-1列举了各开关函数对应关系表，逆变器的开关信号
(S a,S b,S c)可以产生8种状态。

开关状态(S/S氛SJ 相电压(如如如) 线电压(I仏％如) 000000000
001
・
Ud」3532U/3053
010532U dc f3・
」・Ud/3UdQ0
011U dc J3U Jc/3033
1002UM3•U/3S/3%/30S./3
101如3・2%/3U dc/3U/3•Ude/30
110%3U dc/3・2%30如3
111000000
表2-1各开关函数对应关系表
由表2-1可以得到用开关信号(S a,Sb，S』表示的逆变器交流侧相电压和线电压，它们分别是：
采用基尔霍夫电压定律可以建立三相逆变器各相回路电压方程为:
式中Em ——电网相电压的幅值;
U) ---- 电网基波角频率。

对式(2-4)进行化简，整理得到逆变器三相坐标系交流侧数学模 型的状态方程为 「％1
1
1 0 0'
1
_
1 0 0' 5
1
~-R 0 0 _ 4
L 0 1 0
0 1 0 % + _ L
-R 0 ■ l
b
0 0 1 A.
0 0 1 A.
0 0 -R •
dt
从(2-5 )式可知，三相电路之间相互独立，即三相电压型逆变 器表现为线性解耦系统，通过调节逆变器输出电压％,业,和1%，从 而改变交流侧电流Jh 和J 来实现逆变器的控制，从根本上讲就是通 过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位来达到控制的目的；这种 数学模型有直观、物理意义清晰等优点，但其缺点也较显著，在这种 数学模型中包含时变的交流量，不利于控制系统设计，因此可以转换
2 -1
u b 厶 -1
2 If
3
-1
-1
% -U<ir X ■ 1 0 -1 1 0_
-1 £
-1 0 1 S.
u
a = % + Riu + L
T (b 二勺 + Rib +
L
叭=e + R — + L dt
%
dt e a = Eicosa 其中《 勺
=E m cos(fiX-2^/3)
e c = E m cos(a + 2JF /3)
dt
-1 Sb 2
到两相旋转坐标系上，将交流量变换为直流量，从而实现控制上的解 耦。

2.2两相静止坐标系（a , p ）下的数学模型
坐标变换通常可分成以下两种：第一种，“等量”坐标变换即2/3 变换，是指变换前后通用矢量相等；第二种，“等功率”变换或称为 72?3变换，是指在坐标变换前后功率不变，本文采用“等功率”变 换建立（a ,卩）坐标系下的模型。

在（a,b,c ）与（a ,卩）坐标系之间的变换中，选4相绕组的轴 线为
a 轴，p 轴方向由a 轴沿逆时针旋转90 °得到，（a , 0 ）坐 标系上的各分
量与坐标系（a, b, c ）与各分量之间，有如下关系:
■ ■
A 1
f"
1
-%
.A p.
A
‘％
变量采用2-7式代替，整理可得三相有源逆变器在两相静止坐标下 交流侧数学模型的状态方程：
dt
由式（2-8 ）可以看出，虽然逆变器交流侧的状态方程在a （3坐 标系下是解耦的，但变量还是时变的交流量，因此有必要将其转换到 与电网基波频率3同步旋转的dq 坐标系下。

2.3两相旋转坐标系（d,q ）下的数学模型
根据以上坐标变换关系, 结合式（2-5 ）,把三相静止坐标下的 di
a dt
1 ~-R
0 ■ ia 1 + —
叽—J
~L _ 0 -R % L M ~e p_
A
P
两相同步旋转坐标系中，在坐标轴上的分量是静止直流量，因此 可以简化控制系统的设计，若同步旋转坐标系在初始时刻d 轴与两 相静止坐标系的a 轴重合，逆时针旋转90 °则为q 轴方向，d 、 q 轴分别表示有功分量和无功分量，这样就可以独立的控制有功和无 功分量，根据瞬时无功功率理论，将旋转坐标系dq 中d 轴按电网 电压矢量方向，从静止坐标系到旋转坐标系的变换，其变换阵必然是 时间的函数，a p 坐标系到dq 坐标系之间的变换关系如下：
4/_
cos 曲
sin^x A'
一 sin 血
cos eut
■
■
COSftX
-sin^uf
_A P.
sin cot
cos 处
式中Ad , Aq ——dq 坐标系中的变量; A a , Ap ——a P 坐标系中的变量；
U)——电网基波角频率。

上式整理得：
3.1内环控制
双PWM 变流器中的2个VSC 控制均采用内外双环控制。

其中， 各外环控制根据VSC 待实现的控制功能，确定VSC 电网侧输出电流id 、
结合(2-8 )和(2-10 ),可以得到dq 坐标系下的三相逆变器 的状态方程：
■ ■
.叫一爲
(1 (「cos6i/ -sin^zr 14
刃 cos
C0S6L T -sine i d
COST?/
1 cosctl 一sinM L si nr?/
COSO/
第三章 双PWM 变流器闭环控制设计
-CD
+屮宀
iq分量的目标值。

内环控制用于实现VSC输出调制电压的控制，通过对调制电压皋波分量的准确控制，使VSC交流侧实际输出电流的id、iq分量快速跟踪外环控制输出的电流参考值。

背靠背VSC系统是5阶非线性耦合系统，其中idl、id2、iql、
iq2、 %为状态变量，nidi、m（!2、n】qi、niq2为控制量；当控制量给定后，则可确定一组状态变量的解。

但是，可以同时看出其d、q轴电流
分量之间存在耦合，仅仅对d、q轴电流进行负反馈控制并不能消除d 轴和q轴Z间的电流耦合，因此，如何对id和iq进行解耦控制将是实
现双PWM变流器内环控制的核心。

以图1-2所示的VSC1为例，d、q轴电流除受控制量51（5广叫15c）、U ql（U ql=n）ql U dc）的影响外，还受d、q轴耦合电压分量3］Liiqi、-U）］Liidi以及电网电压Es, Esq的影响。

为了消除这些影响，可通过在式（l）U dl> %屮引入VSC1电网侧d、q轴电流和电网电压Esd、Esq,构建能够抵消这些耦合控制分量的合成控制量，从而实现对d、q轴电流的解耦控制，同时消除电网电压对2个电流分量控制的扰动。

引入电流反馈和电压前馈补偿的Udi、Uqi控制量为
51 = -kpWdgf一z di）一
V（Z dlref + ①厶心 +
Uql = _kp2（df - ％1）-
勺2 J（Z qlref 一心）击一①厶心+乓q
式4 idT、iqlref分别为VSC1电网侧有功电流和无功电流iq］的参考
值。

Ud］和Uqi中PI调节器的采用是为了实现变流器输出电流对目标电流的准确跟踪。

将式（5）代入式（1）可得
-右)+ kfj O'dlref 一 )山=厶+ Rgl - fql) + 勺2 JOqlref _Z ql)^ =心1( Gref
A +用ql
由式（6）可以看出，引入电流状态反馈可实现d、q轴电流的独立控制，使对电流控制呈现出简单的一阶惯性环节特性。

引入的电网
电压前馈补偿，则可使系统的动态性能进一步得到提高。

电流内环控 制的原理如图2所示。

图3-1电流内环控制原理
3.2外环控制
3.2.1直流电压恒定控制
尽管双PWM 变流器根据其在电力系统具体应用的不同，其外环控制 的控制策略也不相同，但归纳起来，双PWM 变流器外环控制主要用 于实现2个构成VSC 并联直流母线电压的恒定控制、按给定参考电 压动态调节VSC 交流侧输出电压以及按给定参考功率动态调节VSC 输入输出有功和无功功率等多种控制功能。

在忽略双PWM 变流器屮VSC 的功率损耗情况下，要保持直流电压恒定, 需使流入和流出双PWM 变流器的有功功率平衡。

由式(4)可知，对于
VSC1侧，要使Ude 恒定，须控制VSC1电网侧d 轴电流
分量idi 恒定，因而选用直流电压误差进行PI 控制，d 轴电流分量的 参考值为
'dlref =(心 ------------- )(C\fcref - Cdc)
S
图3-2给出了利用VSC1实现定直流电压控制的外坏控制原理，图中 Q 冷和卩血点分別为被控量的参考输入。

由该图可以看出，VSC1在实 现直流电压恒定控制的同时，亦能够实现对所连接电网的无功调节。

锁相环
▼
PWM 触发 脉冲
发生器
触 二＞发
脉 冲
3.2.2交流电压跟踪控制
由于双PWM 变流器在实现既定控制功能时必须有一个变流器实现对 VSC 并联直流母线电压的恒定控制，因此，当另一个变流器实现交流 电压跟踪控制时，该变流器可以等效为一个逆变器进行控制。

为了提 高逆变器输出交流电压的电压质量，在其电网侧通常投入滤波电容器 组C”此时，
式中:Ud 、Uq 和id 、iq 是逆变器输出的d 、 U)为VSC 输出交流电压的角频率。

由式(8)可得外环电流控制方程 S
-f- + - XQq dr
r
ATT
如 s 〔 a
图4为利用VSC 实现对其交流侧电压跟踪的控制原理图。

图中，交流 电压跟踪控制包括刘控制交流电压的幅值和频率的控制。

其中，电压 幅值控制主要由电压的闭环反馈控制完成。

在d-q 同步旋转坐标系下, 将逆变器输出交流电压d 、Q 分量给定值U ；d 和Ug 与其实际输出电压
的
等效逆变器的数学模型为
d di
Uq
q 轴电压和电流;
图3-2定直流电压控制原理
1
彳
工
0-±
4
1輛、U"的差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出与电压状态反馈解耦、电流扰动前馈补偿共同构成电流内环d、q轴电流分量的参考值。

待调节交流电压的频率主要由0）决定。

S
图3-3定交流电压控制原理
3. 2. 3功率跟踪控制
利用稳态逆模型设计有功功率控制器和无功功率控制器，其有功电流和无功电流的预估值分别为
•r
4
输入输出功率动态跟踪的控制原理如图5所示。

由图5町知，有功功率指令值的偏差经PI调节后转换为id的修正量id，该修正量与逆模型输
出的预估值id相加作为有功功率电流的参考值id“f。

图3-4定功率控制原理
同理，无功功率与无功功率指令值的偏差经PI调节，转换为iq的修正量iq、iq与逆模型输出的估计值咕相加作为无功功率电流的参考量jqrefo通过有功功率控制器和无功功率控制器的相结合，提高了控制器的响应特性并消除了静差。

利用上述双PWM变流器的内坏电流跟踪控制和外环的直流电压恒定、交流给定电压跟踪以及功率动态调节，可以实现双PWM变流器在FPC、高压直流输电和UPFC中的应用。

例如，在FPC屮可以将VSC1与电网连接，通过控制直流侧母线电压和无功功率，实现电网与FPC的功率
平衡和FPC的单位功率因数运行，同时将VSC2与储能电机的转子侧连接，使其跟踪来自FPC控制系统的三相转子电压参考指令，输出转子
各相绕组的励磁电压和励磁电流，以达到对储能电机转速的控制，进而实现FPC功率的四象限调节；利用双PWM变流器构成多端VSC-HVDC 系统，可将VSC1作为直流输电的送端，连接分布式电源或电网，VSC2 作为直流输电的受端，连接无源负荷，通过控制VSC1交流侧电压和直流侧母线电压，匹配分布式电源电压和实现有功功率的平衡，通过控制VSC2交流电压，满足负荷侧的电压质量要求和恒定功率控制；将双PWM变流器的VSC1并联接入系统，VSC2串联接入系统，即可组成用于调节线路功率的UFPC,其屮，VSC1控制并联节点电压和直流侧母线电压，VSC2采用有功功率和无功功率恒定控制，改变线路的有功和无功功率的流动，实现控制潮流的目的。