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1、第33卷第10期Vol.33No.102009年5月25日May25,2009并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用杨恩星,仇志凌,陈国柱,吕征宇(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)摘要:基于大功率低速永磁直驱风力发电系统高可靠性要求,以背靠背载波移相并联双脉宽调制(PWM)变流器作为永磁直驱风力发电功率变换单元,对变流器冗余性、并联特性、输出开关纹波特性进行了分析设计。重点针对载波移相并联单元间存在的环流问题进行了分析,提出了一种低频环流抑制方案。另外,采用基于现场
2、可编程门阵列(FPGA)作为辅助处理器的控制器方案实现载波移相并联控制。经过实验验证了所述变流器在可靠性、环流抑制性能、谐波特性,以及硬件实现等方面均能较好地满足系统要求,可适用于低速永磁直驱发电系统。关键词:变流器;载波移相并联;环流;直驱风力发电中图分类号:TM46;TM6140引言1基于载波移相的并联变流器技术风力发电是最有应用前景的可再生能源之一,1.1主电路结构近年来得到了快速发展。当前应用最为广泛的双馈图1(a)是双PWM永磁直驱风力发电系统简感应发电机需要昂贵且难以维护的齿轮箱,使
3、得其图,图中机侧和网侧变流器均采用PWM变流器,一[1]安全可靠性降低。随着功率半导体器件容量的不侧的电压源变流器详细结构如图1(b)所示。断增大和永磁材料性能的改善,低速永磁直驱风力发电系统不需要齿轮箱,具有更宽的风速捕捉范围[225]和高可靠性等优点,正得到越来越多的关注。在直驱风力发电系统中,整流侧有4种常用结构:二极管整流、二极管整流+Boost升压、相控整[122]流、四象限整流。其中前3种变流器结构有许多固有缺点,而双脉宽调制(PWM)变流器可以四象限[126]运行,功率可以双向流动
4、、控制灵活。当风力发电单机容量提高到兆瓦级以上时,变流器单模块结构受到器件容量、开关频率、散热、可靠性等条件的限制。采用变流器载波移相并联可以有效改善上述不足,但仍存在控制系统复杂和环流等问题。本文以低速永磁直驱2MW风力发电变流器设计为原型分析了双PWM载波移相并联系统低谐波、故障冗余特性,并针对并联带来的环流问题,建立了环流数学模型,提出了一种环流控制方法。为解决环流控制和载波移相并联带来的控制复杂问题,采用了基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的高性能实时控制方案。通
5、过仿真和实验对系统的可靠性、谐波特性、环流抑制、硬件实现等关键设计点进行了验证分析。图1低速永磁直驱双PWM变流器配置Fig.1SystemconfigurationofdoublePWMconverterforpermanentmagneticdirect2drivenwindturbine收稿日期:2008209216;修回日期:2009202219。教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET20620512)。—95—©1994-2009ChinaAcademicJournalElectr
6、onicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2009,33(10)如图1(b)虚线框部分所示,每个变流器单元由由图3可见,单个模块的输出电流增大,总的输一个三相半桥组成,不同模块之间通过电感L并出电流没有变化,故障模块的移除并没有对系统动联,n个模块共直流母线。态过程造成明显影响,系统可继续安全运行。1.2载波移相并联技术消谐特性2环流抑制方法图1(b)中各个独立单元受同一个控制器控制,共享同一个调制信号,不同模块之间的三角载
7、波移2.1环流模型相Tc/n,如图2所示。并联单元的离散性导致的低频环流会对系统造成不利影响。图4是变流器载波移相并联系统,可控半导体器件用一个理想开关来表示。图2载波移相Fig.2Illustrationofcarrierphaseshift载波移相调制技术等效开关频率得到成倍的提[7]高。以3个单元载波移相并联为例,如果每个单元的开关频率为3kHz,则总输出电流只含9kHz图4变流器三相并联系统Fig.4Three2phaseparallelsystemofconverter及其倍数次谐波。
8、采用载波移相技术在满足相同的谐波标准下,输出滤波电感减小,因而输出滤波器引由图4,根据基尔霍夫电压定律可得各个并联起的基波压降减小,降低了对直流母线电压的需求。模块a相的数学方程为:另外,载波移相使直流侧纹波电流大为减小,由此可(pL1+R1)ia1=vsa-(va1+vNO)[629]减少对直流母线电容纹波电流的要求。不利的(pL2+R2)ia2=vsa-(va2+vNO)(1)是载波移相并联会造成并联单元间的环流。…1.3可靠性(pLn+Rn)ian=vsa-(van+vNO)风力发电系统由
