MATLAB风力发电系统变流器的控制策略研究(5)

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双馈异步发电机一般采用绕组式感应发电机，定子侧接入电网，转子侧由一台频率、电压可调的低频电源(一般采用交-交变频器或交-直-交变频器)提供电流。双馈异步电机通过控制转子的交流励磁来控制电机本身的运行状态：根据转子的机械转速调节励磁电流的频率为转差频率，实现定子电流的恒频输出；通过调节转子电流的d、q轴分量，实现双馈异步发电机有功、无功的解耦控制。本文研究的双PWM变流器中，其网侧变流器与双馈异步发电机定子侧连接，机侧变流器与转子侧连接。

2.2 双PWM变流器

在当前的商用风力发电机组中，变速恒频工作方式是主流。而在变速恒频风力发电系统中，双馈异步电机是主要采用的发电机型式。转子电流的控制效果直接关系到双馈异步电机甚至整个机组的运行状态的优劣，而转子电流的控制是通过变流器实现的，所以双馈异步发电机对转子变流器提出了以下要求[10]：

（1）该变流器必须具有能量双向流动的能力。这是由风力发电系统和双馈异步电机的特点决定的：在低风速时，发电机运行在亚同步状态，能量通过变流器从电网流向转子；在高风速时，发电机运行在超同步状态，能量通过变流器从转子流向电网。

（2）该变流器必须具有良好的输入输出特性。这是由电网对电力电子装置的要求所决定的：电力电子装置已成为当前电网谐波污染的主要来源，所以无污染就成为了电网对新型变流器的首要要求。

（3）该变流器必须具有一定容量的无功功率输出能力。这是由双馈电机的特性决定的：双馈电机的定子要感应出电动势就必须首先通过转子励磁电流建立气隙励场，于是转子需要吸收一定的无功功率。

（4）该变流器必须具有足够的容量。这是由目前主流商用风力发电机组的容量决定的：2MW及以上单机容量的风电机组在风电市场上被日益广泛的应用，而海上风电机组的单机容量更大。虽然双馈异步电机转子变流器只需承担转差功率，但随着风电机组单机容量的日益增大，对转子变流器容量的要求也越来越高，甚至达到MW的水平。

在当前的电力电子技术条件下，能实现变频输出的变流器主要有以下几种型式：

（1）交——交变流器；

（2）矩阵式交——交变流器；

（3）交——直——交变流器；

传统的交——直——交变流器采用不控整流加可控逆变的形式来改善逆变器输出的电压、电流波形，实现交——直——交变频输出。但是这种形式的变流器由于采用不控整流，故输入电压、电流波形畸变严重，输入特性根本不满足现代电网的要求，并且由于其整流和逆变采用了不同的控制形式，所以能量不能逆向流动。随着电力电子技术的发展和对PWM技术不断深入的研究，PWM整流器得到长足的发展和广泛的应用。这种整流器完全不同于传统的不控或半控整流器件，它没有严格的整流或逆变之分，当电网通过它输出电能时，它工作于整流状态，当电网通过它吸收电能时，它工作于逆变状态。实际上，它成为一个可根据需要自动切换工作状态的能量变换器。它以高频自关断器件为硬件基础，以PWM技术为控制手段，决定了它可以获得良好的输入、输出波形。正是由于PWM整流器的这个特点，本文采用由两个三相电压型PWM整流器组成的双PWM型变流器作为双馈异步电机转子变流器。

2.3 双PWM变流器的工作原理

双PWM变流器励磁电源系统如图2-l所示，两个三相电压源型PWM全桥变流器采用直流链连接，靠中间的滤波电容C稳定直流母线电压。转子侧变流器向双馈感应发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流，完成其矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子无功功率的调节。网侧变流器在实现能量双向流动的同时，控制着直流母线电压的稳定．以及对网侧的功率因数进行调节。如果将双馈电机的转子等效为转子绕组电阻、电感和反电势串联，则该电路结构是完全镜面对称的，文献中一般称这种结构为“背靠背”(back．to．back)连接[11]。