风力发电机交直交直接并网网侧逆变器的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 4.55MB 58 页 15积分
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摘 要
风力发电并网技术即如何将风电机组发出的能量高质量的并入电网成为学术
界研究的热点问题。在应用最广泛的变速恒频风力发电系统中，交直交直接并网
变流器分为机侧整流器和网侧逆变器，本课题对网侧逆变器进行深入的研究和分
析。
本文首先分析了网侧逆变器的拓扑结构及工作原理，从理论上说明了采用
PWM 变流器能够满足风力发电并网的要求。给出了主电路各器件的选取原则和
计算依据；研究了系统在三相静止坐标系和两相垂直旋转坐标系下的数学模型及
功率关系；确定了网侧逆变器的控制策略，并设计了电压、电流 PI 控制器。在对
理论分析的基础上，使用 MATLAB/SIMULINK 工具搭建了整个系统的仿真模型，
通过仿真验证了以上各理论设计的正确性并给出了相关的仿真结果。
在理论分析和仿真研究的基础上，对整个系统的主电路、控制电路、驱动和
保护电路及软件实现进行设计，研制了一台 1MW 风力发电交直交直接并网变流
器样机，在此样机平台上进行了大量的相关实验研究。通过实验进一步验证了：
本系统采用控制策略能够实现能量双向流动和高功率因数运行，在并网过程中能
够稳定直流电压和对电流进行精确的控制，降低了电流 THD，系统具有优良的并
网特性和良好的工程实用价值。
关键词：风力发电 并网变流器 PI 控制器 SVPWM
ABSTRACT
Grid-connected technology for wind power generation has become a hot point，
that is how to make the energy of wind turbine generator system(WTGS) incorporated
into the grid with high-quality. AC/DC/AC converters in VSCF wind power system
can devide into two parts that is the rectifier of motor side and inverter of grid side. In
the subject inverter of grid side is analyze in-depth.
Firstly, the circuit topology and basic principle of three-phase voltage-type
PWM inverter are analyzed，theoretically, It illuminates that PWM inverter can
meet the requirement of wind power. And the principles of calculated
and selected devices are given about main circuit . Second it is studied the system
mathematical model both in the three-phase static coordinate and two-phase rotating
coordinate. Control strategy is identified and also the voltage, current PI
controllers are designed. Thirdly, simulation model is achieved and then the above
designs is ensured. Related simulation results are presented.
Based on above analysis and simulation results, the article has carried on design
of hardware structure such as main circuit parameters ，control circuits ，IGBT
driver and protection circuit and the softwaredesign. And also has built 1MW wind
power AC-DC-AC converter prototype, on which massive experiments has been done.
Experimental results show that the control strategy and circuits is correctly and
effectively，
with appropriate control，
the power can flow from the supply to generator
or the reverse flow ,the system can run with high power factor , provide a steady DC
voltage, precise current control and reduce the current THD. In summery, the
converter has an excellent network characteristics, has good project practical value.
Key Word：Wind power, Grid-connected Converter, PI regulator,
SVPWM
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 引言 ....................................................................................................................1
§1.2 风力发电的现状和趋势 ....................................................................................2
§1.3 研究的目的及意义 ...........................................................................................4
§1.4 本课题所做的工作 ...........................................................................................5
第二章 网侧逆变器系统结构与工作原理 .....................................................................6
§2.1 主要技术指标 ...................................................................................................6
§2.2 网侧逆变器系统结构 .......................................................................................7
§2.3 网侧逆变器工作原理 .......................................................................................8
§2.4 本章小结 .........................................................................................................11
第三章 网侧逆变器控制策略与仿真研究 ...................................................................12
§3.1 引言 ..................................................................................................................12
§3.2 SVPWM 工作原理 ..............................................................................................12
§3.3 网侧逆变器的数学模型 .................................................................................14
§3.3.1 坐标变换 .....................................................................................................14
§3.3.2 网侧逆变器的数学模型 .............................................................................16
§3.4 双环控制器设计 .............................................................................................18
§3.4.1 双闭环控制策略 .........................................................................................18
§3.4.2 电流内环控制器的设计 .............................................................................20
§3.4.3 电压外环控制器的设计 .............................................................................22
§3.5 系统仿真 ..........................................................................................................24
§3.6 本章小结 ..........................................................................................................27
第四章 网侧逆变器的设计 ...........................................................................................28
§4.1 主电路设计 ......................................................................................................28
§4.1.1 IGBT 参数设计 ........................................................................................... 28
§4.1.2 LCL 滤波电路设计 ..................................................................................... 30
§4.1.3 直流母线电容选取 .....................................................................................32
§4.1.4 传感器选择 ..................................................................................................33
§4.1.5 母线吸收电路选取 ......................................................................................34
§4.1.6 软启动电路 ..................................................................................................34
§4.2 控制电路设计 ..................................................................................................34
§4.3 软件设计 ..........................................................................................................36
§4.3.1 模块化编程 .................................................................................................36
§4.3.2 控制策略的软件设计 ..................................................................................37
§4.3.3 二重化移相控制 ..........................................................................................40
§4.3.4 功率环流控制的软件实现 ..........................................................................40
§4.4 驱动与保护电路设计 ......................................................................................41
§4.4.1 驱动电路设计 .............................................................................................41
§4.4.2 保护电路设计 .............................................................................................42
§4.5 本章小结 ..........................................................................................................44
第五章 实验研究 ...........................................................................................................45
§5.1 样机研制 .........................................................................................................45
§5.2 实验系统设计 .................................................................................................46
§5.3 本章小结 ..........................................................................................................50
第六章 总结与展望 .......................................................................................................52
参考文献 .........................................................................................................................53
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55
致 谢 .............................................................................................................................56
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
本课题来源于上海市教委科研创新项目（08YZ101）“永磁直驱风力发电机交
直交直接并网技术的研究”和许继集团横向课题“MW 级垂直轴永磁直驱风力发
电机组并网及控制系统的研制”项目。
风力发电对于缓解当前能源紧张的局势，为传统的发电方式寻找替代能源以
及可持续发展都是有益的尝试[1~4]。利用风能来发电无需燃料，不需要占用耕地，
运行成本低，而且是一种旅游景观，具有多方面的意义。风力发电比常规的燃煤
发电具有无可比拟的优势，现在的火电厂虽然可安装脱硫脱氮等装置，但二氧化
碳的排放却难以控制[5]。风力发电可分为三种运行方式：一是独立运行，通常用
一台风力机向小范围提供电力，用蓄电池储能以保证在无风时的用电；二是风能
和其他方式联合发电，向更大范围供电；三是建立风电场，在风况好的地区安装
数十台甚至几百台风机，将电能并入常规电网，这是最重要的一种利用方式，是
风力发电的趋势，本课题也正是对这种风力发电方式中网侧逆变器进行研究。
当风力发电机组与电网并联运行时，要求风电的频率与电网频率保持一致，
即频率保持恒定。并网恒频的方法有两种：一是恒速恒频,也即在风力发电过程中，
不管风速如何变化，发电机转速基本保持不变，从而得到恒频的电能；二是变速
恒频, 也即在风力发电过程中，发电机的转速可随风速变化，在这种方式中发电
机和电网之间必须增加交直交直接并网变流器来得到恒频的电能[6]。变流器分为
机侧整流器和网侧逆变器，本文重点对网侧逆变器进行研究和分析。
风力机的功率和风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，若允许风
力机做变速运行，则能达到更好利用风能的目的。传统的恒速系统风力发电并网
方式，通常采用异步电机，这种并网方式在丹麦等国十分流行[7]，其控制简单，
但不能追踪最大风能，风速变化时对机电设备的冲击很大，保养和维护费用高。
变速恒频系统能够获取风力机的最大输出功率，从而最大限度的捕获风能，同时
由于并网变流器的使用大大提高电能的质量，因此，大功率风力发电系统均采用
变速恒频控制方案[8~9]。
随着电力电子器件和计算机技术以及自动控制技术的不断进步，变流器拓扑
结构和控制性能也不断地变化。早期的网侧逆变器采用晶闸管，这样一来使的网
侧含有大量的电流谐波，这些谐波对电网造成了严重的污染。而关于谐波的危害
风力发电机交直交直接并网网侧逆变器的研究
2
在相关文献有详细的论述[10]。为了使风能能够高效率高质量的并入电网并逐步从
辅助能源向替代能源转换，对“绿色”电能变换器的要求越来越迫切，而高性能
的并网变流器的应用是实现绿色电能变换的有效途径，本文对交直交直接并网网
侧逆变器的研制具有重要的意义。
§1.2 风力发电的现状和趋势
由于风能得天独厚的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重
要组成部分，发展十分迅速。根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业
正以惊人的速度增长，过去十年的平均年增长率达到 28%。我国风电资源的潜力
可开发量为 20 亿kW，主要分布在近海地区如福建、上海、江苏、浙江以及新疆、
内蒙、青海等省区，风力发电前景十分广阔。
目前大部分风电场采用水平轴风机，垂直轴风机很少有采用，风力发电机组
的单机容量越来越大，国外厂商陆续研制并投运了大功率的风电机组，MW 级风
电机组在国外已经商业化运行如 NEG MICON 公司 2.0MW 机组、
Nordex 2.5MW
风电机组机、GE 3.6MW 风力发电机、VESTAS 4.5MW、REPOWER 5MW 等。
而我国风电机组国产化水平很低，尤其是大功率风电机组与国外还有很大的差距，
MW 级风电机组在我国刚刚开始起步。
我国的并网风电从 20 世纪 80 年代开始发展，经历了初期示范阶段、产业化
建立阶段和规模化及国产化阶段[11]。目前我国风电装机大都属于兆瓦级以下的定
速型风机，与国外的容量和控制技术相比有很大的差距，国内相关专业制造厂按
照风电生产企业的要求，已经研制出风电机组的关键部件，如叶片、齿轮箱、发
电机等，但是并网电气控制部分仍是薄弱的部分，目前基本依赖进口。
目前，我国已装机的风力发电机组约 70%为进口产品，30%为国产产品。我国
的风电设备制造产业正处于起步阶段。在科技部等有关部门的主持下，通过“六
五”、“七五”、“八五”、“九五”等几个五年计划的科技攻关，国产风力发电机组
及其零部件设计制造方面取得了很大的进步，形成了以风力发电机总装企业为龙
头、零部件制造厂相配套的格局，完成了 600KW 及以下容量的风力发电机组国产
化的进程。“十五”期间，科技部通过“863”课题，再次投入资金支持研制兆瓦
级风力发电机组，目前我国兆瓦级风电机组仍处于实验阶段。
从风电技术上讲，目前新装机的风电机组大都采用变速恒频风力发电系统，
在这种风力发电系统中主要有两种并网模式：一是采用双馈电机并网；二是采用
同步电机。图 1-1、图 1-2、图 1-3 分别是双馈电机、同步电机以及永磁直驱同步
摘要：

摘要风力发电并网技术即如何将风电机组发出的能量高质量的并入电网成为学术界研究的热点问题。在应用最广泛的变速恒频风力发电系统中，交直交直接并网变流器分为机侧整流器和网侧逆变器，本课题对网侧逆变器进行深入的研究和分析。本文首先分析了网侧逆变器的拓扑结构及工作原理，从理论上说明了采用PWM变流器能够满足风力发电并网的要求。给出了主电路各器件的选取原则和计算依据；研究了系统在三相静止坐标系和两相垂直旋转坐标系下的数学模型及功率关系；确定了网侧逆变器的控制策略，并设计了电压、电流PI控制器。在对理论分析的基础上，使用MATLAB/SIMULINK工具搭建了整个系统的仿真模型，通过仿真验证了以上各理论设计...

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