風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)整流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程 遠(yuǎn)，孟昭亮，邵文權(quán)

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)整流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程 遠(yuǎn)，孟昭亮，邵文權(quán)

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

研究風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)換流器單位功率因數(shù)控制系統(tǒng).首先，設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)整流系統(tǒng)軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件平臺(tái)包括濾波器和主電路的設(shè)計(jì)，軟件平臺(tái)包括七段式SVPWM控制策略以及軟件控制流程.其次，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行并網(wǎng)整流，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、輸出紋波小、效率高.

風(fēng)電并網(wǎng)；整流器；單位功率因數(shù)；雙閉環(huán)

0 引 言

在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油和天然氣等非可再生能源在工業(yè)應(yīng)用中還占有著相當(dāng)大的比例，這不僅造成環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，同時(shí)也嚴(yán)重制約了能源的可持續(xù)發(fā)展.風(fēng)能作為一種用之不竭的可再生清潔能源，逐步成為目前解決我國能源緊缺的重要戰(zhàn)略選擇之一［1－3］.

目前國內(nèi)外常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)與同步直驅(qū)發(fā)電機(jī)，然而大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，齒輪箱是故障率較高的部件.采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)能提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性，降低故障率，提高風(fēng)電機(jī)組的壽命［4－6］.直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)成了國內(nèi)很多風(fēng)電場(chǎng)的新選擇.永磁機(jī)組同時(shí)還有其他優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；有較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，可以在－30～50%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行；控制簡單，可以靈活地調(diào)節(jié)有功和無功功率，同時(shí)機(jī)組具備極強(qiáng)的低電壓穿越能力，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓穿越［7－8］.

文獻(xiàn)［9－12］針對(duì)直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究，系統(tǒng)功率跟蹤與穩(wěn)定性能良好，然而缺乏一定的實(shí)驗(yàn)分析；文獻(xiàn)［13－18］以三相電壓型PWM整流器為研究對(duì)象，進(jìn)行矢量解耦控制獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，控制性能較好，可近似實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的校正.

基于此，文中在詳細(xì)分析風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出七段式空間矢量合成方法來生成SVPWM，采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)解耦控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)整流器單位功率因數(shù)控制.文中給出了詳細(xì)的理論分析與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，并為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性構(gòu)建了完整的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)控制性能良好，驗(yàn)證了所提出控制策略的正確性和有效性.

1 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)裝置采用交－直－交結(jié)構(gòu)，其中變頻器主電路主要由LCL濾波器以及IGBT三相橋式電路組成.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組整流變換器原理框圖如圖1所示.

圖1 整流實(shí)驗(yàn)接線原理圖Fig.1 The wiring principle diagram of rectifier experiment

從圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由整流器與控制系統(tǒng)2部分構(gòu)成，其中交流工頻側(cè)三相電壓經(jīng)三相調(diào)壓器調(diào)壓后，作為整流調(diào)試的輸入，通過控制IGBT的開通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓恒定，并且使得調(diào)壓器的相電流為三相對(duì)稱正弦波.LCL濾波器、支撐電容與開關(guān)元件IGBT的選型如下：

（1）濾波電容Cf當(dāng)PWM整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)阻抗Zb表達(dá)式為

式中，Zb為基準(zhǔn)阻抗，Ω；E為額定線電壓，V；P為額定功率，W.

為保證系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)，一般限制電容吸收系統(tǒng)的無功功率低于5%的額定功率，濾波電容Cf為

式中，α為系統(tǒng)吸收無功占有功的比例系數(shù)；ωb為系統(tǒng)的角速度，rad／s.

已知系統(tǒng)的額定角速度為314rad／s，令系統(tǒng)吸收的無功成分占有功成分的1%，即比例系數(shù)為1.01，算得為110μF，此時(shí)濾波電容對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)的影響可以忽略.

（2）變流側(cè)電感L1考慮到系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和開關(guān)損耗，一般選取諧波峰值電流ipk做為設(shè)計(jì)電感L1的標(biāo)準(zhǔn)，可得

式中：U為系統(tǒng)相電壓，V；fs為開關(guān)頻率，Hz；ipk為諧波峰值電流，A.

已知電網(wǎng)相電壓為220V，開關(guān)頻率為5kHz，諧波峰值一般為基波峰值電流的15%，計(jì)算得變流側(cè)電感為0.005 98H.

（3）網(wǎng)側(cè)電感L2對(duì)高頻諧波電流來說需要網(wǎng)側(cè)電阻呈現(xiàn)高阻抗，促使高頻諧波電流大部分流經(jīng)低阻抗的電容支路，使得流經(jīng)網(wǎng)側(cè)的諧波電流只占變流器側(cè)的很小一部分.根據(jù)對(duì)諧波的削弱量（一般為10%），可計(jì)算出網(wǎng)側(cè)電感，一般選取L2＝0.5L1，即L2取0.003H即可獲得很好的濾波效應(yīng).

（4）阻尼電阻R LCL濾波器設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇諧振頻率在10倍電網(wǎng)電壓頻率至0.5倍開關(guān)頻率之間，因?yàn)殡娏髟谶@段頻率的諧波含量較少，可以盡量避免諧振.諧振頻率fr的計(jì)算公式為為抑制LCL濾波器諧振，通常在濾波電容C支路串聯(lián)一個(gè)合適的阻尼電阻R.

（5）直流電容的選取 直流側(cè)電容的選取主要考慮電容的耐壓和容量2個(gè)方面，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)原則，取44μF的電容，提供50mA的電流.當(dāng)裝置運(yùn)行于實(shí)際工作線電壓為500V，功率額定時(shí)的電流為10A，此時(shí)需要的電容量為2 200μF，實(shí)際使用時(shí)采用4個(gè)DC400V，3 300μF的電容器構(gòu)成三串兩并的運(yùn)行方式，達(dá)到均壓和均流的作用，同時(shí)防止因電容故障造成的開關(guān)器件損毀，保證整個(gè)裝置能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行.

（6）開關(guān)器件IGBT的選型 IGBT選型主要考慮額定電壓，額定電流以及散熱條件等.考慮1.5～2.0倍的安全系數(shù)，主電路開關(guān)器件選用75A，1 200V的IGBT模塊.選用的元器件為EUPEC的BSM75GB120DN2.

2 控制策略

2.1 SVPWM控制策略

SVPWM控制策略采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在不高的開關(guān)頻率條件下，使得交流電動(dòng)機(jī)獲得較SPWM控制更好的性能.文中采用七段式空間矢量合成方法來生成SVPWM波形，由3段零矢量和4段非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開始、中間和結(jié)束.這種方法，每相每個(gè)PWM波只使功率器件開關(guān)一次，以I扇區(qū)為例，將矢量切換點(diǎn)TCM1，TCM2，TCM3分別與三角波比較，差值大于滯環(huán)比較器所定義的滯環(huán)寬度時(shí)，PWM信號(hào)輸出置為1，否則為0.

假設(shè)參考電壓空間矢量Ur處于第I扇區(qū)（0°～60°），則為了使Ur的相鄰矢量U1，U2的合成矢量等效于Ur，使得

式中，Tc為采樣周期；T1為U1的作用時(shí)間；T2為U2的作用時(shí)間.

設(shè)參考電壓空間矢量在α，β的分量分別為Uα，Uβ，則將Ur分解到α，β軸后可得

由于每個(gè)矢量的幅值均為2Udc／3，可得

同樣，可以解得參考電壓空間矢量在其他扇區(qū)內(nèi)時(shí)，兩個(gè)相鄰的非零矢量的作用時(shí)間.

由圖2可以得到電壓矢量比較器的TCM1，TCM2，TCM3切換點(diǎn)，TCM1的切換點(diǎn)為（T－T1－T2）／4，TCM2的切換點(diǎn)為（T＋T1－T2）／4，TCM3的切換點(diǎn)為（T＋T1＋T2）／4.類似可以得到其他扇區(qū)的切換時(shí)間，根據(jù)切換時(shí)間生成SVPWM波，對(duì)逆變器進(jìn)行控制便可以合成所期望的電壓空間矢量.

2.2 雙閉環(huán)解耦控制

圖3為系統(tǒng)控制框圖，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器正常工作，須通過對(duì)機(jī)側(cè)變流器的調(diào)節(jié)從而保證直流側(cè)電壓始終為恒定值，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器，使直流側(cè)電壓為恒定值，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng).電流內(nèi)環(huán)控制是為了確保電流動(dòng)態(tài)跟蹤的快速性，電壓外環(huán)控制不僅可以穩(wěn)定直流側(cè)

圖2 SVPWM波形圖Fig.2 The waveform figure of SVPWM

的電壓，且可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制.有功電流分量Id和無功電流分量Iq可以通過交流側(cè)三相電流ia，ib，ic經(jīng)過dq變換得到，然后有功電流分量Id與有功電流參考值Idref，無功電流分量Iq與無功電流參考值Iqref分別進(jìn)行比較，所得到的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出，輸出值經(jīng)過dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換到αβ坐標(biāo)系后，其輸出量就可以作為SVPWM的輸入，進(jìn)一步就可以得到開關(guān)功率管的控制信號(hào).將直流側(cè)電壓參考值Udref與直流側(cè)電容電壓實(shí)際所測(cè)得的反饋值UDC比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后就可以得到有功電流參考值Idref.由于參考值Idref，Iqref和反饋值Id，Iq在穩(wěn)態(tài)時(shí)均為直流信號(hào)，因此通過PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的電流跟蹤控制.

圖3 電壓型直接電流控制Fig.3 Voltage type direct current control

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)并網(wǎng)裝置整流側(cè)的控制，設(shè)計(jì)定時(shí)器T2中斷服務(wù)程序.當(dāng)T2下溢中斷發(fā)生時(shí)，軟啟動(dòng)AD采樣，采集直流母線電壓、網(wǎng)側(cè)三相線電壓及電網(wǎng)三相電流.由DSP完成定標(biāo)處理后將線電壓轉(zhuǎn)化為相電壓和坐標(biāo)變換等.對(duì)直流母線電壓PI調(diào)節(jié)，然后分別進(jìn)行d軸和q軸電流的PI調(diào)節(jié).通過前饋解耦得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓，進(jìn)行扇區(qū)判斷以及矢量作用時(shí)間，完成SVPWM控制，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并返回.

4 結(jié)果與分析

原LCL電路需要根據(jù)開關(guān)頻率對(duì)網(wǎng)側(cè)和變流器側(cè)電感值做調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中開關(guān)頻率為5kHz，將網(wǎng)側(cè)電感調(diào)整為1mH，變流器側(cè)電感調(diào)整為2mH.為避免LCL濾波器發(fā)生諧振，阻尼電阻也需要做調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中采用了0.5Ω，100W的電阻.實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)電流進(jìn)行采樣，所以系統(tǒng)不能空載，給電容兩端加一電阻負(fù)載Rdc＝100Ω.三相電壓采樣取調(diào)壓器的輸出電壓，電流采樣取輸入變流器的電流.

整流實(shí)驗(yàn)中機(jī)側(cè)變流器三相電壓的幅值為直流側(cè)電容兩端電壓的脈沖波，實(shí)際測(cè)得波形如圖4所示，其中由上到下4路信號(hào)分別為：機(jī)側(cè)變流器線電壓uab，ubc，uca，調(diào)壓器輸出電壓Uab，可以看出變流器端三相電壓相序和相位與三相調(diào)壓器的線電壓基本一致，幅值基本恒定為70V，即整流所得電容兩端電壓為70V.

圖4 整流變流器端電壓波形Fig.4 The current waveform of rectifier converter side

圖5 直流電壓為160V時(shí)三相電流Fig.5 The three－phase current of 160VDC voltage

圖5給出了整流時(shí)輸入到變流器端的電流波形，圖中1通道、2通道所示波形分別為輸入到變流器端的電流采樣波形，3通道、4通道分別為調(diào)壓器輸出線電壓uab和ubc.

實(shí)驗(yàn)中三相調(diào)壓器的輸出電壓始終保持線電壓峰值為35V，對(duì)于不同整流輸出，測(cè)得相電流如表1所示（表1中相電流均為峰值，負(fù)載電阻Rdc＝100Ω）.可知網(wǎng)側(cè)輸入到整流側(cè)輸出的功率傳輸效率隨著電容電壓的增大而增大.

表1 網(wǎng)側(cè)輸入功率與變流側(cè)負(fù)載功率對(duì)比Table 1 The comparison of grid side input power and load power converter side

圖6 系統(tǒng)輸出電壓電流波形Fig.6 The voltage and current waveform of system output

實(shí)驗(yàn)中還對(duì)比了相電流ib和對(duì)應(yīng)的線電壓ubc之間的關(guān)系，如圖6所示.從圖6可以看出，線電壓ubc超前相電流ib約1.5ms，轉(zhuǎn)化為角度即1.5×360°／20＝27°，功率因數(shù)為cos3°≈1，基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù).

5 結(jié)束語

文中針對(duì)機(jī)組網(wǎng)側(cè)換流器系統(tǒng)構(gòu)建了完整的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用七段式空間矢量合成方法生成SVPWM，采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明所提出控制策略的正確性和有效性，參數(shù)設(shè)計(jì)有通用性，系統(tǒng)控制性能良好，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)相關(guān)研究工作具有工程參考意義.

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編輯：孟 超；校對(duì)：武 暉

Design of rectifier system of wind turbines grid

CHENG Yuan，MENG Zhaoliang，SHAO Wenquan

（School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

The unit power factor control system of the wind turbine grid－side converter is investigated.Firstly，the hardware and the software test platform of wind turbine grid rectifier system are designed.The hardware platform includes the design of filters and primary circuits，while the software platform includes the seven－segment SVPWM control strategy and the software control flow.Then，the grid rectifier experiment on the test platform is carred out and unit power factor control system is implemented.Experimental results show that the system has fast response，low output ripple，and high efficiency.

wind power grid；rectifier；unit power factor；double closed loop

TM 461

A

1674－649X（2015）05－0611－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.017

2015－06－17

西安市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（CXY1437（3））

程遠(yuǎn)（1985—），男，陜西省西安市人，西安工程大學(xué)助教，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)研究.E－mail：chengyuan＠xpu.edu.cn