风力发电变频系统的SIMULINK仿真

1 引言

　　近年来，节能减排己得到世界各国政府的重视，其对环境保护和国民经济的可持续发展有着巨大的作用。在工业用户中所使用的大容量电动机消耗着大量的电能，利用交流变频器进行节能改造，特别是在风机、泵类的调速中，节能效果明显。

　　伴随着新能源的不断开发，风力发电方式以其优越性得到了大规模的应用和发展，所使用的发电机主要有永磁直驱发电机和双馈感应发电机。其中在利用永磁发电机进行发电时，其产生的低频电压要经变频至工频后方能并入电网，变频器需要保证足够大容量进行全功率变换；而目前广泛使用的双馈感应发电机（dfig），要求变频器具有既能送出电能到转子又能将转子能量反馈到电网的功能。众所周知，变频器最主要的部件是逆变器，早期的逆变器，比如三相桥式逆变器常采用6脉冲运行方式，其输出电压为方波或阶梯波，谐波含量很大。近年来，随着开关频率较高的全控型电力电子器件gto，igbt，igct的问世，逆变器的控制方式大多被脉宽调制（pwm）代替，以正弦波脉宽调制（spwm）用得最多。spwm的优点是可以同时完成调压，调频的功能，使输出电压中谐波含量极大地减少，此外由于开关频率高，有利于快速地对电流进行控制，逐渐成为变频控制系统中应用最广泛的一种调制方式。而随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，为变频器技术日趋成熟准备了条件，先进的空间矢量脉宽调制（svpwm）技术在此环境下应运而生，变频器的svpwm算法与其拓扑结构有着密切的联系，因此必须根据变频器拓扑结构的不同，选取相应的控制算法。svpwm的主要思想是：以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

　　在设计和研究变频器时，最方便的方法，无疑是利用仿真工具，mathworks公司的matlab软件，它是功能十分强大而齐全的应用软件，它有许多工具箱，用户可以从工具箱中取出所需的元器件，通过连接操作，建立与实物相对应的数学模型，从而对它进行测试，所得仿真结果可供设计或研究作参考；或者编写程序，通过命令操作执行，进而得到所需数据，给研究人员提供了很大的方便。matlab软件提供的simulink仿真无疑是最佳选择之一，在simulink（7.04）工具箱中有电力系统simpower system的工具箱，为变频器仿真提供了几乎所需的全部元器件，所以使用它们很容易进行仿真。应该指出在实际变频器的应用中，要求变频器输出的是频率、幅值均能变化的输出电压。如双馈感应发电机（dfig），要求随着风速及转子转速的变化，向转子侧供电的电流的大小和滑差频率也都要有相应变化，这样从工具箱中取出的、具有固定输出频率和恒定电压的spwm发生器就不能胜任，必须要由外部控制的spwm发生器来实现。

　　交-直-交变频器的结构主要由整流器（可控或不可控）和直流侧电容器c，电压源逆变器vsi，以及用作控制的pwm发生器组成。实际中还可能有输入、输出侧滤波器；而双馈发电机（dfig）的变频系统，其逆变部分主要由电网侧逆变器和转子侧逆变器，及各自连接的pwm发生器和直流侧电容器组成。当转子速度小于定子磁场的同步转速时，网侧逆变器工作于整流状态，转子侧逆变器工作于逆变状态，反之，当转子速度大于同步转速时，转子侧逆变器工作于整流状态，网侧逆变器工作于逆变状态，这种变频器工作时能量是双向流动的。因此通常的变频调速类型的变频器己不适用。为维持直流电压稳定，通常给两台逆变器直流侧并接电容器，构成电压源逆变器，另外还需备有滤波器（filter），以保证进入转子的电流为正弦波。对向电机转子供电的变频器的要求是，所供电流的频率和幅值都是可变和可控的。

2 风力发电变频系统概述

　　2.1 风力发电机及其变频系统介绍

　　在目前的兆瓦级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型是主流机型，发展时间比较长，技术相对成熟，与双馈型相比，直驱型风电机减少了齿轮箱，降低了系统成本和维护成本，因为齿轮箱价格昂贵，易于损坏且维修复杂，我国尚不能完全独立生产。由于发电机采用永磁同步发电机，能量密度大，转速低，可靠性得到了提高；但直驱型风电机所用的逆变器需要传递全部电能，变频器的容量要求比较大，增加了逆变器的制造难度，同时，永磁同步发电机转速很低，发电机体积大、成本较高。

　　风力发电机的单机容量越来越大，风力发电机的控制拓扑结构也各有不同。就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注，直驱型风力发电系统中，电能都要经过逆变器并接到电网，这就要求功率器件具备较高的功率等级。然而受功率器件耐压极限和制作工艺的限制，单一功率器件的容量是有限的，同时，由于逆变器的功率很大，基于降低开关损耗，器件的开关频率也不可能太高，但开关频率低又会导致逆变器输出波形的畸变率增加，进而增加后续滤波器的设计难度，并对电网产生谐波污染。因此适合于直驱型风力发电系统的逆变器拓扑还需要进行很好的研究，逆变器作为电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等各方面要求较高，它对于整个系统的稳定、高效运行尤其重要。逆变器的设计和制造，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的前进，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。

　　2.2 变频系统中变频器的拓扑结构

　　随着全控电力电子器件的蓬勃发展，变频器领域已逐步出现交-直-交变频器一统天下的局面。可以这样说，大功率变频器的研究现状，在一定程度上也就是大功率逆变器的研究现状，回顾高压大功率逆变器以及大电流大功率逆变器的发展历史及现状，对于研究大功率逆变器具有重要的借鉴意义。

　　2.2.1器件串并联型大功率变频器

　　采用器件串并联方式来提高逆变器的功率，具有拓扑结构简单，功率器件个数少等优点。但器件串联会带来器件的均压问题，器件并联会带来器件的均流问题，因而对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串并联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均或分流不均，会导致器件损坏甚至整个逆变器崩溃。

　　美国罗克韦尔（ab）公司18脉冲整流器的bulletin1557变频器，其电路结构为交-直-交电流源型，采用功率器件gto串联的两电平逆变器，是利用器件的串联实现高压输出，从而提高逆变器容量的。成都佳灵电气制造有限公司采用igbt直接串联方式所开发的高压变频器，使高压变频器具有和低压变频器一样简单的结构。该系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流，直流平波电抗器和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压输出，可作高压电机变频使用或通过变压器并接入电网。

　　2.2.2 多电平大功率变频器

　　多电平变频器本质依赖于内部多电平逆变器的多电平逆变功能，相对于传统的两电平变频器，其主要优点在于单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率；在相同开关频率下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；同时还大大减轻了电磁干扰（emi）问题。

　　abb公司生产的acs 1000系列变频器采用三电平拓扑结构。其内部逆变器部分功率器件采用集成门极换流晶闸管（igct），所用拓扑为二极管箝位型三电平结构，输出的电压等级有2.2kv，3.3kv和4.16kv。法国阿尔斯通（alstom）公司采用飞跨电容型四电平拓扑，基于功率器件igbt生产出alspavdm6000系列高压变频器；该拓扑在功率器件串联的基础上，引入了电容进行箝位，保证了电压的安全分配。其主要特点为：通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级（如3.3kv，4.16kv，6.6kv，10kv）的需要；可使系统普遍采用直流母线方案，以实现多台高压变频器之间能量的互相交换；这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单可靠，易于维护；输出波形非常接近正弦波，可适用于普通感应电机和同步电机调速，而无须降低容量，没有dv/dt对电机绝缘等的影响；alspavdm6000系列高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉冲、18脉冲的二极管整流或晶闸管整流。法国alstom还基于igct开发出了飞跨电容型五电平变频器。飞跨电容型多电平逆变器的优点是多电平输出、电路结构简单、可满足高压运行要求，缺点是需要的电容多、控制技术复杂、且需要额外的电容预充电电路。

　　2.2.3 并联逆变器

　　并联逆变器运行过程中，两个或多个逆变器单元呈并联形式向负载或电网送出功率。德国benning电源电子有限公司的逆变器产品便是采用的并联逆变器拓扑，其特点为：采用高频开关技术及复杂的生产技术和高质量的电子元器件，结构紧密、重量轻、效率高；多个逆变单元并联，可实现n+1冗余，可靠性高，并可给线性与非线性负载供电；所有的监测与控制单元内在的安全设计确保对连接的负载不间断供电；加装了eue（静态电子旁路）以提高系统安全性。逆变器并联提高了电流等级，从而提高了逆变器的功率，且易于实现多级冗余并联，提高整体运行的稳定性。然而，多个逆变器单元并联运行，增加了控制的难度，且还可能引起环流问题，因此应选用一定的调制方案和控制方法加以控制和抑制。

　　2.2.4 变频器多重化

　　多重化技术就是每相由几个低压pwm变流模块串联而成，通过一个多绕组隔离变压器对每一个功率单元供电来实现大功率。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。具体实现方式为：通过在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式spwm逆变器直接叠加技术；在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术；在结构上采用了功率单元模块化技术，实现了完美无谐波的输出波形，无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求，其功率因数可达0.95以上，thd《1%，总体效率高达97%；但是这种方式使用的功率单元及功率器件数量太多，装置的体积大，重量大；无法实现能量回馈及四象限运行，无法实现制动；当电网电压与电机电压不同时，无法实现旁路切换控制。

　　2.2.5 多电平结合多重化型变频器

　　日本富士公司采用高压igbt开发的中压变频器frenic 4600fm4，该拓扑汇集了多电平和多重化变频器的许多优点，以多个中压三电平pwm变流模块多重化串联的方式实现直接高压输出，因此构成了一个双完美无谐波系统，即对电网为多重叠加整流，达到和超过了国际谐波标准（ieee519-1992）的要求；对电动机为完美无谐波正弦波输出，可以直接接任何品牌的交流笼型电动机。由于该类型变频器采用了高压整流二极管和高压igbt，因此系统主回路使用的器件大为减少，提高了可靠性，降低了损耗，变频器的综合效率可达98%，功率因数可达0.95。然而，其变流模块采用的是12脉冲整流结合二极管箝位三电平拓扑，所用器件个数多，导致整体性价比较低，因此价格优势并不大。

　　2.2.6 级联h桥型逆变器

　　级联h 桥多电平逆变器是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构，国内外有多家公司的变频器逆变部分都是基于h桥级联多电平拓扑的，例如美国罗宾康（robicon）公司的harmony系列变频器。电网电压经变压器降低到所允许的电压，在逆变器各相中，串入单相逆变器，实现高压输出，直接供给高压电动机。这种方式不需要输出变压器，电流波形接近正弦，其输出电压的高低范围由串入的单相逆变器数量决定。由于采用直接高压输出，内部省去了升压变压器，故有体积小、效率高、输出频率范围宽等优点，应用较为广泛，但是需要有多组独立的直流母线。

3 变频器的控制策略

　　在交流变频器中使用的控制方式有：v/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。鉴于目前实际应用中较为广泛的无速度传感器矢量控制，对其原理作详细分析，无速度传感器矢量控制系统取消了传统的交流电机调速系统中的速度检测装置，通过检测定子的电压和电流来间接估算电机运行的实际转速值，将该值作为转速反馈信号。本系统采用电流与电压相结合的转子磁链估算模型以及基于异步电机数学模型的速度估算方法，可得转子磁通位置角，并送至旋转变换环节。用霍尔电流传感器检测三相输出的两相电流ia、ib，计算出第三相电流ic=-（ia+ib），从而获得实时的输出电流信号，同时也是电机上的电流信号，为矢量控制的计算提供实时信号。由测得的电流经矢量变换得到转矩电流分量it和励磁电流分量im，利用imref－im和itref－it所产生的电流偏差经pi控制器产生vmref、vtref ，经旋转变换后求出两相输出电压vdref、vqref，进而控制逆变器的开关导通。

4 变频系统的simulink仿真

　　在交流电机变频调速中，pwm已经得到了广泛应用，其中spwm主要是使逆变器输出的电压尽量接近正弦波，使输出电压的基波成分尽量大，谐波成分尽量小，但是该方法仅仅是一种近似，抑制谐波的能力有限;而svpwm是把逆变器和电机视为一体，控制电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，它能够明显减少逆变器输出电压的谐波成分以及电动机的谐波损耗，降低转矩脉动。svpwm模式电机起动的加速时间比spwm模式电机起动加速时间要少，定子电流波形更接近于正弦波形，转矩脉动也减少，即电机的转矩脉动得到了一定的抑制。正是由于svpwm具有上述优点，目前正被广泛地应用于交流调速系统中，有取代传统spwm的趋势。

　　作为开发利用绿色能源的一种重要手段，风力发电技术已经逐渐成为人们关注的焦点，近年来风力发电技术取得了迅猛的发展，系统的容量不断地增大，已经从最初的数十千瓦级发展到了如今的兆瓦级。随着风力发电设备的容量不断增大，发电系统在并网时给电网带来的影响就不能不引起注意。由于风力发电输出的电能随风场的风速变化而变化，容易在并网运行时给电网带来谐波污染、电压波动及闪变等问题，为了避免这些不利的影响，变频系统作为实现软并网重要手段，在风力发电系统中得到了越来越广泛的应用；通过对风力发电系统的并网控制策略进行研究，发现空间矢量脉宽调制svpwm技术应用相对于传统风力发电机并网所采用的控制方式而言，在控制逆变器输出时产生的谐波要少，因此，在风力发电并网模块中，应用空间矢量控制svpwm方式代替spwm方式调节逆变器输出，通过在电网电压的空间矢量变换过程中采用同一个坐标系进行3-2-3的变换产生svpwm控制信号，本文对并网风力发电机的控制策略进行了仿真分析，图1为电机控制系统仿真结构图。

　　svpwm的连接框图如图2所示。

图2 svpwm控制连接图

　　4.1 仿真参数选择

　　磁链轨迹圆的初始半径为0，磁链初值分两种情况取值，分别为0和1，调制比为0.6，基波频率为50hz，控制周期为0.002s。

　　4.2 磁链初始值为0时的仿真波形

　　磁链初始值为0时的仿真波形如图3、4所示。

　　当磁链初始值为0的时候，空间电压矢量的选择可以有很多种，前提是，只要矢量组合可以向轨迹圆上前进就行。按照开关次数最少原则，一般选择相邻的两个电压矢量，另外为了节省磁链建立过程所需要的时间，在此不再使用零矢量。

　　4.3 磁链初始值为1时的仿真波形

　　磁链初始值为1时的仿真波形图5、6所示。

　　通过仿真，对svpwm的原理和实现有了更进一步的理解。由于磁链的初始值不同，所以起始阶段波形的脉宽也不一样；当电机进入稳定运行阶段后，两种情况下波形的性质大致是一样的。改变控制周期t可以改变追踪磁链宽度，随着t的减小，相应地每个电压矢量作用的时间也减少，所以磁链的宽度也减小。在电机已经制作好之后，要实现v/f恒定控制，就要保持磁链恒定，即磁链圆的半径不可以变化。在一个60扇区内，电压矢量是分为许多个控制周期t走完的。如果在一个控制周期内，非零矢量的占空比较大，则v走过的磁链也较大，如果要保持磁链为常数，则相应的f也要增大，即t应减小，以达到变频调速的目的。

　　在变频控制系统中用svpwm来代替spwm控制逆变的输出，满足发电机并网要求的同时具有更小的谐波，将控制的实现更多地由软件来实现，省去svpwm所需的锁相环等电力电子电路，svpwm可以成功地实现电网并网运行的控制，一定程度上缩减了硬件投资。同时，鉴于同步直驱风力发电机可以省去增速齿轮箱，并具有可实现有功功率和无功功率均可调等优势，代表了一定的发展趋势。今后通过对风力发电机组的变频控制系统进行进一步的研究，从而探寻出更好的风力发电控制方式。

5 结束语

　　变频器作为最理想的调速设备，逐渐广泛应用在工业生产各个方面，进行节能改造，改善生产工艺，发挥了重要作用；随着风力发电的兴起，变速恒频技术以其高效的风能利用方式而得到普遍推行，其中，变频器越来越显示其重要的作用；本文针对风力发电变频系统做了分析，对变频器结构作了详细介绍，并根据具体应用选择svpwm控制策略做了仿真研究，随着社会的发展，技术的不断进步，变频系统在实际应用中一定会得到更广泛的普及。