双馈风力发电机双PWM变换器控制及实现

风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
优点
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
优点
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
优点
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
Voltage and currents
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
缺点
中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞 大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡 控制方式来解决。
双馈风力发电机双PWM 变流器的控制及实现
李 辉
二○○九年九月十四日
风为我控，引领未来
主要内容
一、双馈发电机工作原理 二、双馈用变流器的要求及拓扑 三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制 四、网侧PWM变流器及其控制 五、SVPWM变换技术原理 六、双PWM变流器的DFIG系统及设计 七、结论和讨论
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坐标变换原理、DFIG数学模型推导在下一步算法开发中详细进行介绍
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三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制
4. 电网电压恒定下DFIG简化电压方程
并网DFIG的电压幅值、频率和相位恒定 定子磁链恒定，即忽略定子励磁电流的动态过程 可控量是转子电压、直接被控的对 象是转子电流。转子电压和电流是 矢量控制环设计的基础。不同的矢 量定向就有不同的控制方案。常用 的定子磁链和定子电压定向。 消除交叉耦合补偿项依据 PI调节参数设计依据
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
两电平电压型双PWM变流器
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器
网侧PWM变流器任务
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两电平电压型双PWM变流器
转子侧PWM变流器任务
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两电平电压型双PWM变流器
风为我控，引领未来
两电平电压型双PWM变流器 双PWM变流器运行状态
两电平电压型双PWM变流器是双馈用最具有优势的一种变 流器，而多电平和软开关的结合将是双馈风电机组变流器的 发展趋势。
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三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制
1. 转子侧PWM变流器功能
双馈风力发电系统控制主要是对DFIG的控制 双PWM转子侧变流器对DFIG实现有效控制，决定运行性能 网侧PWM变流器功能独立，控制直流母线电压稳定和好的输入特性。
谐波和滤波问题：多电平最好。
对电网故障适应能力：无中间环节，输出和输入直接耦合，因此有中 间环节的变流器具有较好的故障适应能力。
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
变流器比较及发展趋势
两电平电压型双PWM变流器
多电平双P W M 变流器
控制复杂程度：两电平变流器方案简单、 晶闸管相控交－交直接变流器 可靠，技术最成熟。转子侧：电气传动领 矩阵式双PWM变流器 域的电压型PWM逆变器控制；网侧： 钳位谐振双PWM变流器 PWM整流器。 主电路实现的难易度和成熟度：最易实现的是两电平变流器，其次是 多电平变流器。目前2MW以下都采用的两电平变流器方式；同样额定 功率器件采用多电平方式可应用到大功率场合，2MW以上通常采用， 已有商品化模块。
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5. 网侧变流器功率流
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6. 网侧变流器控制技术
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6. 网侧变流器控制技术
凡是用于PWM逆变器供 电的交流电机的控制方法， 大都可以用于网侧PWM 变流器的控制。电流内环 的控制方法,如预测控制、 非线性控制、直接功率控 制等。
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二极管箝位三电平双P W M 变流器
Voltage and currents
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
变流器比较及发展趋势
两电平电压型双PWM变流器
多电平双P W M 变流器
主功率元器件数量：尽管交-交变流器和 晶闸管相控交－交直接变流器 矩阵变流器无需中间直流环节，但是主功 矩阵式双PWM变流器 率器件比两电平变流器多。电压型两电平 钳位谐振双PWM变流器 双PWM变流器具有优势。 电压传输比：电压型PWM变流器高。 效率：谐振变流器高，其次是多电平。
Turbine Gearbox Wind DFIG
Ps , Qs
Transformer 3
Pgrid , Qgrid
3
3
Pr , Qr
Capacitor
3
PWM converter
PWM converter
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一、双馈发电机工作原理
2.双馈发电机特点
具有较好的转速适应能力，能实现变速恒频发电 具有独立的有功、无功调节能力
Gearbox Wind
DFIG
Ps , Qs
Transformer 3
Pgrid , Qgrid
3
3
Pr , Qr
Capacitor
3
PWM converter
PWM converter
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一、双馈发电机工作原理
4.双馈发电机等效电路和稳态方程
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一、双馈发电机工作原理
5.双馈发电机能量流动关系
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一、双馈发电机工作原理
5.双馈发电机能量流动关系
风为我控，引领未来
一、双馈发电机工作原理
5.双馈发电机能量流动关系
发电机转子能量是在电网和电机之间双向流动的，这也是双馈 发电机中“双馈”的本质。此外，接转子回路的变流器，即发 电机转子励磁的电源必须是一个能量能够双向流动的变流器。
3.双馈发电机运行状态
亚同步转速运行(定、转子电流同相序) r 1 同步转速运行 f2 0
1 2 r
f 2 f1
r 1
f 2 f1
超同步转速运行(定、转子电流反相序)
Turbine
r 1
调节输入转子的电 流相序和频率时， 双馈电机便可以运 行在亚同步、同步 及超同步状态。
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三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制
3. 转子侧变流器控制思路
转子侧变流器控制应以DFIG的数学模型为基础来设计
DFIG三相坐标系下的数学模型为高阶、非线性系统 借助坐标变换，应用矢量控制技术，将转子电流分解为有功和无功分 量，实现DFIG的有功和无功的解耦控制，实现其控制目标。
DFIG定子电压定向控制
DFIG的功率控制
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DFIG定子电压定向控制
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四、网侧PWM变流器及其控制
1. 网侧PWM变流器实际是三相电压型PWM整流器
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2. 双馈用双PWM变流器关系
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3. 网侧变流器的数学模型
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两电平电压型双PWM变流器
缺点
中间直流侧电压的波动。如果增加直流母线电容值，电容体积庞 大，随着时间的增加电容值减少，影响寿命。目前通常采用功率平衡 控制方式来解决。
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
多电平双P W M 变流器
为了满足风力发电对高压、大功率和高品质变流器的需求，多电 平变流技术得到广泛应用。 采用多电平变流技术后，可以在常规功率器件的耐压基础上，提 高电压等级，获得更高级（台阶）的输出电压，使波形更接近正弦。 谐波含量少，电压变化率小，并获得更大的输出容量。 典型的多电平拓扑结构有：二极管箝拉型、飞越电容型，级联H 桥型、混合箝拉型等。 随着电平数增加，箝拉器件的数目也增加，导致系统实现困难。 通常以三电平、五电平变流应用居多。
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一、双馈发电机工作原理
1.什么是双馈发电机
双馈发电机(Doubly Fed Induction Generator: DFIG)的基本 结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变 频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相 位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励 磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
两电平电压型双PWM变流器
由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变流器通过直 流母线连接而成，通常为背靠背变流器，英文为back-toback PWM converter 由于在双馈风力发电运行中，两个变流器的工作状态时刻 发生变化，因此通常不按整流或逆变来区分，而是按照其 位置称为转子侧变流器和网侧变流器。
1 2 r
具有深度进相运行能力
具有良好的稳定运行能力 Turbine
Gearbox Wind DFIG
Ps , Qs
Transformer 3
Pgrid , Qgrid
3
3
Pr , Qr
Capacitor
3
PWM converter
PWM converter
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一、双馈发电机工作原理
风为我控，引领未来
3. 网侧变流器的数学模型
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3. 网侧变流器的数学模型
每相输入电流均由三相开关函 数共同控制，强耦合的高阶非 线性系统，需要进行坐标变换。
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4. 同步旋转坐标下的网侧变流器数学模型
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5. 网侧变流器功率流
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5. 网侧变流器功率流
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DFIG定子磁链定向控制
通常采用低 通滤波器代 替纯积分器。
定子磁链观察器算法
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DFIG定子磁链定向控制
采用定子磁链定向 后，实现了DFIG定 子有功和无功功率 解耦。
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DFIG定子磁链定向控制
转子电流闭环设计
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DFIG定子磁链定向控制
转子电流闭环设计
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DFIG定子电压定向控制
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DFIG定子电压定向控制
采用定子电压定向 后，实现了DFIG定 子有功和无功功率 解耦。
风为我控，引领未来
DFIG定子电压定向控制
转子电流闭环设计
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DFIG定子电压定向控制
转子电流闭环设计
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三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制
2. 转子侧变流器控制目标
通过对DFIG转速或有功功率控制，实现最大风能追踪和功率控制 对DFIG定子输出无功功率的控制
DFIG有功、无功功率和转子电流密切 相关
双PWM转子侧变流器对其电流控制
DFIG是控制对象，转子侧变流器是控 制指令的执行者
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
1.双馈发电机用变流器的要求
转子侧变流器要求
网侧变流器要求
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
1.双馈发电机用变流器的要求
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
2.双馈发电机用变流器的形式
两电平电压型双PWM变流器 多电平双P W M 变流器 晶闸管相控交－交直接变流器 矩阵式双PWM变流器 钳位谐振双PWM变流器
3. 网侧变流器的数学模型
网侧变流器可看做是可控 的三相交流电压源。
当直流侧电压恒定时,通过PWM 控制，可调节变流器输入电压ur 幅值、相位，从而调节输入电 流大小及其和电网电压相位。
单位功率因数整流运行 单位功率因数逆变运行 非单为功率因数运行
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3. 网侧变流器的数学模型
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二、双馈用变流器的要求及拓扑
三电平双P W M 变流器形式
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二极管箝位三电平双P W M 变流器
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二极管箝位三电平双P W M 变流器 优点
当由于功率器件的容量受制造水平的限制时，多电平变流器最主要 的优点是能够实现较大容量的电能转换。 和两电平相比：三电平变换器输出三个电压等级，减小了波形的谐 波含量；在相同直流母线电压下，输出的dv/dt 减小了一半，同时也 有利于电机或滤波器的绝缘和安全运行，降低了滤波器的设计难度。 三电平变换器主电路中的每个开关器件仅承受一半的直流侧电压， 且无需动态均压电路，开关损耗小，为两电平的25%。 中点箝位三电平双P W M 变换器成为目前最为适合在高压大容量场 合的双P W M 电路拓扑结构。目前在2MW以上的风电机组中已采用。
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二极管箝位三电平双P W M 变流器 缺点
和两电平相比：功率器件和电容增加1倍，额外增加了箝位二极管。 整流侧由两个完全一样的电容串联而成。 电容中点作为变流器的箝位点，由网侧变流器保持直流侧两个电容 的电压均衡。如果电平数超过三，一般会出现电压平衡问题。( 电容 值、死区时间和负载不平衡)