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基于LCL滤波器的风力发电变流器设计

作者:时间:2012-11-29来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175988.htm

  系统中作为电机连接电网的核心装置获得广泛应用。由于用并网功率容量较大, 直流母线两端的电压较高,为降低功率器件应力PWM信号开关频率受到限制,频率范围通常在1~3k(Hz)之间,开关频率的降低导致网侧输出电流中的谐波分量增加。采用常规的LC滤波需要较大的电感量,电感量的增加提高了成本,增加了装置的体积,不利于变流器控制。[1-3]在变流器中引入。采用变流器电流间接控制结合电网电压前馈补偿的控制策略,可以使系统具有较好的稳定性和动态性能。

  1 变流器的数学模型

的风力发电用变流器结构如图1所示。其中 为三相电网电动势,[7]假定电网电动势为三相平稳的纯正弦波,不考虑并网变流器直流母线两端电压波动,滤波电感是线性的,且不考虑饱和,主电路开关元器件为理想开关元件,根据基尔霍夫电压电流定律和并网变流器工作原理,可得到并网变流器数学模型为:

 风力发电变流器的数学模型

Fig.1 System structure of direct drives for wind turbine

  

  (k = a,b,c), -直流侧电压; 、 -网侧电感、寄生电阻, 、 -桥臂侧电感、寄生电阻, -电容; 、 、 -网侧电流、电容器电流、桥臂侧电流; -直流侧电流,ek-电网电动势,R-开关管等效电阻,uNO-直流侧负母线对交流中性点电压,iL-负载电流。由变流器的数学模型可知,同典型L型并网变流器相比采用滤波的并网变流器,数学模型中变量数目较多,增加了系统的复杂性。

  三相坐标系下的数学模型具有物理意义清晰,直观等特点,但是在该数学模型中,三相交流侧电压回路方程均以时变信号出现,不利于控制系统。为此,可将三相静止坐标系下的正弦量通过坐标变换变换成dq坐标系下的直流量,从而简化了控制系统。并网变流器在dq坐标系下的数学模型为:

  其中

  ucq-q轴电容电压,ucq-d轴电容电压,

  iq-q轴桥臂电流,id-d轴桥臂电流,i2q-q轴网侧电流,i2d-d轴网侧电流,ed-d轴电网电动势,eq-q轴电网电动势,

  2 LCL的变流器控制策略

  2.1dq坐标系的变流器解耦控制

  由于电能的双向传输,当PWM变流器从电网吸收电能时其运行于整流工作状态;当PWM变流器向电网回馈电能时其运行于逆变工作状态,因此PWM变流器实现了绿色电能变换。网侧电流与电网电压同相,变流器网侧呈正电阻特性,实现单位功率因数运行,负载从电网吸收有功功率,变流器运行在逆变状态,网侧电流与电网电压反相,变流器网侧呈负电阻特性,实现单位功率因数逆变控制,负载向电网发送有功功率。

  根据并网变流器数学模型可知,与独立逆变控制输出电压不同,并网变流器控制电网的电流i2k(k=a,b,c),而i2k由加在输出滤波器两端的电压uk和usk决定,考虑到uk是不可控量,输出电流i2k由变流器桥臂的输出电压决定,因此并网变流器的控制策略就是选择合适的变量控制桥臂输出电压,在保证系统稳定运行的同时,控制输出电流i2k满足系统要求。本文采用变流器直接输出电流i1k间接控制并网输出电流i2k与电网电压前馈相结合的控制策略,为提高控制精度和动态响应速度在电流环中引入电网电压前馈,其目的是克服电网扰动对LCL滤波器的影响,很大程度上减少系统对调节器增益的依赖,加快系统的响应。有利于电流内环调节器的设计,即使采用简单的比例调节也可以获得较好的电流跟踪特性和鲁棒性,扩大了调节器参数的选择范围。

PWM变流器电网电压定向矢量控制将(d,q)同步旋转坐标系的q轴按电网电压矢量E定向。此时,电网电压的d轴分量为零Ed=0,PWM变流器交流侧电流矢量的q轴分量iq为有功电流,d轴分量id为无功电流。电网电压定向矢量控制可以方便地实现网侧有功功率和无功功率的解耦控制。为了实现PWM变流器单位功率因数运行,通常无功电流分量id的给定值设为零。

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