使用后端到后端脉宽调制转换器的双馈异步发电机和其在变速风力发电中的应用 357618766 摘要：本文描述了双馈异步发电机的工程和设计(DFIG), 使用后端到后端PWM电压源转换器在转子电路。对于供应端PWM转换器有一个矢量控制方案能够独立的控制从电源端吸收有功和无功功率，同时保证正弦电源电流。转子连接转换器的矢量控制提供了宽转速范围的操作；矢量方案嵌入在控制回路中，使最佳转速可以伴随从风中获得最大的能量产出。一个试验装置，这是一个7.5千瓦的变速风力发电系统，详细阐述给出了实验结果，说明了系统的优良性能特点。本文考虑到一个网连系统;进一步的文章将描述一个独立的系统。 一、简介 双馈异步机器的使用交流到交流的转子电路（谢尔比斯驱动器）转换器在高功率并且涉及有一定速度限制范围的应用中一直作为标准驱动器选件。电源转换器只需要处理转子额定功率。对于独立控制转矩和转子励磁电流，矢量控制技术是众所周知的方法。例如，一个矢量控制方案能够用于分别控制来源于供应端的有功和无功功率。风力发电被认为是一种自然的谢尔比斯双馈系统的应用，因为可以考虑限制速度范围（从切入到额定风速）。 大多数谢尔比斯系统报告中不是采用一个电流反馈（自然整流）直流链转换器[3-5]就是采用交交变频器[6-91]在转子回路中。史密斯等人将额定转速的设定，变速箱比率。机器和转换器的评级描述为使用双反馈异步电机的变速风力发电。Cardici ，Ermis和Uctug等人已经提出了旨在最大限度的增加DFIG的总电力输出的方案。一个电流反馈 DC链路转换器的使用也有诸多劣势：直流链路器十分昂贵，同时为了能工作在同步速度（位于可操作速度范围内）下需要额外的换向电路，这导致在低速情况下性能较差。此外，这种转换器从供给端引入了矩形电流波。在同步速度问题上也许可以通过使用交交变频器解决，同时拥有6脉冲交交变频器的矢量控制谢尔比斯方案已经被Leonhard和Walczyna描述出来。Yamamoto和Motoyoshi已经提出了源于供给端电流谐波的详细分析，这在此类驱动器上任然是一个问题。Machmoum等人提出了一个更简单的3脉冲交交变频器方案，而Holmes和Elsonbaty描述了一个类似的转换器，制造一个分离绕组双反馈电机，在提高了50%的转速范围同时增加了电机的复杂程度和费用。这两种方案都有一个缺点就是需要一台变压器以形成中性。此外，自然地换向DC链路和交交变频器方案在很多情况下需要一台变压器实现电压匹配。 自然转换DC链路和交交变频器方案的缺点可以通过使用两个PWM电压反馈电流调节逆变器，它们连接在后端到后端的转子电路中。这种谢尔比斯方案，矢量控制两种转换器 的特点如下： 1、 工作在低于，高于和处于同步转速受到的转速范围限制只取决于DFIG转子电压等级。 2、 工作在同步转速，直流电流注入转子的同时逆变器工作在斩波模式。 3、 低失真的定子，转子和电源电流。 4、 独立控制发电机转矩和转子励磁。 5、 在供应转换器中控制电压和电流之间的位移因素，并因此控制系统的功率因素。 令人惊奇的是，如此明显的优势，使用此类安排的谢尔比斯方案在文献中却很少被注意。这种方案被Bogalecka，Tang和Xu报道出，他们正在对此进行模拟研究，但是作者没有对系统的性能做出实验性的证实。在本文中，对实验性的后端到后端PWM矢量谢尔比斯方案的全面性的工程研究被展示出来，用实验结果证实系统的灵活性能。由于此研究始于新风力发电机方案的一部分，因此文章针对风力发电描述了其应用，并且是在并网条件下。独立的执行情况超出了本文的范围，将会在以后的出版物中阐述。 二、实验系统 整体系统的原理图如Fig.1所示，DFIG使用一个7.5kW，415V，50Hz的6极电机，其参数见附录。两个电压反馈PWM转化器被嵌在转子回路中，供应端的PWM转换器连接到定子或供给通过三个单相电抗器。系统电压传输特性 包括三相后端到后端PWM转换器，近似如下 其中n是DFIG定转子的匝数比(此处为1.7)。s是位移，m1，m2分别为定子端和转子端转换器的PWM调节深度。Eqn. 1决定了发电机的速度范围。定子端转化器的调制深度标幺为0.75（如下文讨论），转子端转换器最大的调制深度大约为0.76。6相电机的理论速度范围为0-2000rpm。实际上由于全速范围从0到2000需要PWM转化器和电机同级，因此应用中速度范围较小，这破换了谢尔比斯方案的优势。对于风力发电，最小风速有一个可以接受的速度限制范围，低于此范围几乎没有能量可以利用。发电机转速对应于额定风速能够通过变速箱的选择设定在任意一点。当然，为了最好的实现谢尔比斯方案，这一点应远高于同步速度才能使能量引出自电机的转子和定子。但是最终，随着偏移量的增长，由于电能通过DC链路和转子铁磁和摩擦损耗的增加，系统的效率开始下降。对于此项研究中的电机和转化器，最高效率的速度通过实验确定出为1500rpm左右，因此被选作为额定风速。涡轮变速箱的安置通过晶闸管变流器直流电机在实验室模拟出，模拟一个7.5kW涡轮，它分别具有4m/s和10m/s的切入和额定风速，对应于电机500rpm和1500rpm。 这些转化器使用标准的7.5kW商用双极晶体管PWM逆变器，它拥有580V额定DC链路电压和最大1kHz开关频率。在这种能量级别，使用IGBT转换器允许更高的开关频率同时可以减少一些控制回路的设计。但是，在原型中的低开关频率证实了已使用的技术可以通过使用GTO设备达到更高的能量级别。为了保护逆变器能量器件，Vs（因此包括Vr）被限制在250V线路中通过一个在供应端的三相调压器，如Fig.1.所示。DC链路电压规定在550V，此时供应端的转换器工作在0.75的标幺调制深度，使得在瞬间有足够的空间避免过调制。使用1200V的器件允许DC链路电压超过700V，因此不需要使用调压器同时电机也能工作在满级状态。另一个实际问题是在转子感应电压中存在电机绕组/槽谐波，在转速超过1300rpm时会引起电机转子电流振荡。这个问题通过加入一个额外的电感与转子串联，如Fig.1所示。 在低速下，可以得到可接受的转子电流波形，因为不需要的谐波幅值小同时它们在电流控制电路中。电感的存在意味着转子端转换器调制深度会稍高于所给的标准值1。与供应端转换器相连的电感为12mH/phase，这些因素因转换谐波为3A p-p（约15％的额定峰值电流）而限制了高频波形。由于高频纹波比较小，电感器可制作中，采用标准50赫兹层压材料避免不必要的功率损耗。 发电机由一台转矩控制的15kW直流电机驱动，此电机模拟风力涡轮机。微处理器接收来自PC的风速度数据，并计算从瞬时涡轮扭矩从已给的涡轮叶片特征（见附件）。这种扭矩形成的扭力需要直流驱动器做补偿。涡轮发电机的速度有一个最佳的跟踪算法决定，算法影响到从风中的最大能量获取，这将在第五节讨论。 其它从PC输入的系统设置点包括DC链路的电压，源自供应端PWM转换器的无功电流（间接控制系统功率因数），标幺为0的转子励磁电流（见第四节）。实验中用到的微型处理器是T800浮点微处理器，它的并行处理能力允许计算任务被分成并列单元。一个微处理器计算矢量控制和供应端PWM转换器的PWM生成，另一个负责DFIG的矢量控制和最佳的速度跟踪算法，第三个实现转子端转换器的PWM（因为第二个已经有太多工作），第四个既负责涡轮电机的转矩计算（模拟涡轮叶片的特性）又作为与PC连接的监控缓冲区。后者提供用户界面，运行期间所有的系统变量都会显示出来，设定点和控制参数同样可以实现在线改变。系统同步，内部运算器通信，模数转换和PWM的详情可以在[12]中找到。对于一个实际的系统，一个高性能的DSP就可以满足控制任务的要求，比起运算器更加经济；但是，后者在系统升级中有着明显的优势。转换器所使用的PWM的开关频率被设定在1kHz。所有电压电流的采样阶段和控制循环都是500us，除非有特殊规定。 三、供应端的PWM转换器的控制 供应端PWM转换器的目的是保持DC链路电压恒定，无论转子动力的规模和方向。矢量控制的方法通过一个沿定子（或供应端）电压矢量方向的参考系，实现在供应端和供应端转换器之间的有功与无功功率的独立控制。PWM转换器使用电流调节，用直轴电流调节DC链路电压，交轴电流分量调节无功功率。