高速動車組主要零部件損傷規(guī)律及維修周期的研究.doc

高速動車組主要零部件損傷規(guī)律及維修周期的研究 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文高速動車組主要零部件損傷規(guī)律及維修周期的研究姓名:王彩霞申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):車輛工程指導(dǎo)教師:宋永增201206中文摘要摘要:海上作為風(fēng)力發(fā)電的理想場所近年來得到了廣泛的關(guān)注。在離岸距離超過的遠海處建立風(fēng)電場,高壓直流傳輸是唯一的傳輸方式。傳統(tǒng)的.和.由于需要采用龐大笨重的工頻變壓器升壓結(jié)構(gòu)因而不利于海上風(fēng)電場的建設(shè),基于 的海上風(fēng)電場拓撲結(jié)構(gòu)采用高壓大容量直直變換器替換了原有的笨重龐大的工頻變壓器從而使得系統(tǒng)更加輕便,并提高了系統(tǒng)的效率,是目前海上風(fēng)電場的建設(shè)研究的熱門選題。本文從以下幾個方面對基于 的海上風(fēng)電場進行了分析和研究:.分析和總結(jié)了目前海上風(fēng)電場的發(fā)展狀況與并網(wǎng)方式,尤其對基于的海上風(fēng)電場的拓撲結(jié)構(gòu)和適用于基于 的海上風(fēng)電場的直直變換器進行了詳細敘述。.提出了基于 的海上風(fēng)電場的控制策略,就系統(tǒng)各個部分變流設(shè)備的原理進行了闡述:詳細論述了永磁同步風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型、控制策略以及最大功率追蹤算法,并分析了通過永磁同步電機控制策略實現(xiàn)最大功率的辦法。對兩電平和三電平的空間矢量脈寬調(diào)制理論進行了詳細說明。分析了海上風(fēng)電場中常用的大功率.變換器的特點,尤其對全橋?變換器的工作原理和控制策略進行了詳細的論述,提出了機側(cè)及離岸.變換器的控制策略,提出了岸端逆變器的控制策略。.用/軟件建立了基于 的海上風(fēng)電場的系統(tǒng)仿真模型,包括風(fēng)速模型,永磁同步風(fēng)機模型,機側(cè)模型,機側(cè)及離岸.變換器模型和岸端逆變器模型等。對所提出的系統(tǒng)控制策略和拓撲結(jié)構(gòu)進行了仿真驗證。.在原有基于兩電平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在機側(cè)和網(wǎng)側(cè)對系統(tǒng)進行了三電平結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并就兩種結(jié)構(gòu)的諧波特性進行了分析比較。關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電;全橋.變換器;分類號:, . . 麗 ,? . :.鰣 ; . .: ,?. . . / . , ,. 缸】. ?. ; .:; ;:.:】致謝本論文中的所有工作是在我的導(dǎo)師葛寶明教授的悉心指導(dǎo)下完成的,葛寶明教授科學(xué)的工作方法和嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給了我很大的影響和幫助。在此衷心感謝兩年來我的導(dǎo)師葛寶明教授對我的關(guān)心和指導(dǎo)。清華大學(xué)的姜新建副教授悉心指導(dǎo)我完成了實驗室的科研工作,在學(xué)習(xí)上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助,在此向姜老師表示衷心的謝意。在實驗室工作及撰寫論文期間,清華大學(xué)的博士研究生高聰哲師兄、碩士研究生靳樂冰同學(xué)還有北京交通大學(xué)的博士研究生劉碩師兄對我論文中的研究工作給予了熱情幫助,在此向他們表達我的感激之情。另外也感謝我的家人,他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)。緒論.海上風(fēng)電場的發(fā)展現(xiàn)況風(fēng)力發(fā)電是目前受到全世界廣泛關(guān)注的發(fā)電方式之一。風(fēng)能作為一種清潔能源,同傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式相比,沒有二氧化碳及有毒物質(zhì)的排放,是理想的綠色能源,風(fēng)力發(fā)電作為近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項目之一,發(fā)展速度非常的快,全球風(fēng)電裝機容量年均增長率達.%。在目前能源危機的大背景之下,風(fēng)能取之不盡用之不竭,能夠緩解目前能源過分緊張的局面,并且安全無污染有利于生態(tài)環(huán)境的保護。目前陸地上的風(fēng)電發(fā)展已經(jīng)進入比較成熟的階段,人們開始把目光投向更加適合風(fēng)力發(fā)電的海上。海上風(fēng)況優(yōu)于內(nèi)陸,在內(nèi)陸中,風(fēng)流遇到過于粗糙的地表和障礙物時,風(fēng)速和風(fēng)向都會產(chǎn)生改變,而海上不存在這樣的問題,離岸的海上風(fēng)速通常比沿岸的內(nèi)陸高四分之一。海上的主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定性比陸地更好,具有較低的風(fēng)湍流強度,風(fēng)機所承受的機械負荷低,從而工作壽命更長;風(fēng)切較小,所以搭架可以較低。在海上建設(shè)風(fēng)電場,不用考慮產(chǎn)生噪音的問題,電磁波和鳥類干擾的問題也得到了解決。海上幅員遼闊,無居民居住,所以沒有陸地上的征地限制。尤其對于人口密度大,內(nèi)陸面積小的臨海國家地區(qū),非常適合發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電。海上風(fēng)電場環(huán)保價值高,沒有任何大氣污染和有害物質(zhì)的排放。這些都使得海上成為風(fēng)力發(fā)電的最佳場所【】。世界上許多國家都十分重視風(fēng)電的開發(fā)和利用,并早已著手建設(shè)海上風(fēng)電場,丹麥等歐洲國家的海上風(fēng)電場建設(shè)處于世界領(lǐng)先的水平。年月,世界上第一個大型海上風(fēng)電場在丹麥的北海海域建成,總裝機量容量,隨后丹麥的、和等大中型風(fēng)電場相繼建成。世界各國都在更加高效、大規(guī)模地發(fā)展風(fēng)電,海上風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)成未來風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢【。我國沿海地區(qū)的海上風(fēng)能資源豐富,如廣東、海南、浙江、福建、和遼寧等。如果對于這些海上風(fēng)能加以有效利用,就能夠?qū)δ壳拔覈鴸|部電力供應(yīng)緊張的局面起到很好的緩解作用。我國的海上風(fēng)電場發(fā)展正處于新興的階段,風(fēng)場的技術(shù)指標和運營策略都面臨很大的挑戰(zhàn)需要不斷探索。目前我國正在進行著上海東海大橋海上風(fēng)電場的建設(shè),在臺灣地區(qū)也已經(jīng)有實際的海上風(fēng)電場項目正在進行【。.海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方式海上風(fēng)電場的一般配置包括,風(fēng)機組,能量收集點,傳輸系統(tǒng),和并網(wǎng)接口。如下圖.所示【】:圖.海上風(fēng)電場的一般配置.傳統(tǒng)的海上風(fēng)電場的并網(wǎng)方式主要有兩種:高壓交流傳輸,高壓直流傳輸,而高壓直流又分為基于傳統(tǒng)晶閘管變流設(shè)備的.和新型的基于的?。他們之間主要的區(qū)別在于風(fēng)場的規(guī)模和離岸距離。高壓交流傳輸:交流并網(wǎng)方式一般適用于規(guī)模較小并且距離海岸較近的海上風(fēng)電場,通過交流電纜并入陸地上的電網(wǎng)。這種并網(wǎng)方式的結(jié)構(gòu)一般包括:風(fēng)場側(cè)變壓器裝置,高壓交流海底電纜,陸上變壓器,還有交流電纜兩端的采用晶閘管進行控制的電抗器。另外,交流并網(wǎng)的電壓水平比較低,一般在.,這樣不利于大型遠距離海上風(fēng)電場的并網(wǎng),會帶來很多的線損,為了提高傳輸效率必須提高傳輸?shù)碾妷旱燃?。交流輸電并網(wǎng)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低。但是缺點也是顯而易見的,因為交流電纜產(chǎn)生的充電電流的原因,交流系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量都不夠理想。高壓直流傳輸:?:為了有效的利用海上風(fēng)能,海上風(fēng)電場有規(guī)模越來越大,離岸距離越來越遠的趨勢。在這種情況下,就必須采用高壓直流技術(shù)的并網(wǎng)方式。當(dāng)風(fēng)電場額定容量超過之后,使用基于晶閘管結(jié)構(gòu)的直流傳輸并網(wǎng)方式有比較大的優(yōu)勢。采用直流傳輸并網(wǎng)方式需要提高建設(shè)成本的地方在于增加了換流站部分。另一方面直流電纜的成本又降低了。綜合考慮,相比交流傳輸方式并不會增加過多的經(jīng)濟成本。.:和傳統(tǒng)的基于晶閘管換流設(shè)備的 相比。新型的基于.在很多方面上得到了長足的進步。采用了新型全控型開關(guān)器件,比如絕緣柵型雙極晶體管和門極可關(guān)斷晶閘管。并且結(jié)合了脈寬調(diào)制技術(shù)?？梢酝瑫r進行有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié),提高了電能質(zhì)量的同時解決了傳統(tǒng).中的換相失敗問題。但是與此同時,成本相比其他兩種并網(wǎng)方式較高,并且由于開關(guān)管功率的限制,風(fēng)電場的容量不如基于.的海上風(fēng)電場大。此三種接入方式的比較如下表所示【:表高壓傳輸接入方式比較.已建,更大的傳輸容量 最大已有 采用海底電纜可至容量在研究中已經(jīng)建立,可達到,正在研究電壓等級 和正在 可達到開發(fā)黑啟動有 無 有能力支持電網(wǎng) 無,需要來提供 無,需要電容組和提供有,具有無功調(diào)節(jié)能力能力 無功功率 無功海上有 無 一般在石油平臺上變電站變電站最小 最大 中等規(guī)模建站成本小,基奉上 建站成本高,包括變壓器、 比技術(shù)的還要高,因為比晶閘管的花費高,成本 是變壓器的花費,但 晶閘管、電容器組和濾波器,是電纜成本高 但是電纜成本低 電纜也更昂貴總的來說,傳輸?shù)慕尤敕绞浇Y(jié)構(gòu)簡單,成本較低,但是容量也較小,傳輸距離也最近,所以適合小容量、近距離的海上風(fēng)電場;.的傳輸方式不受到距離的限制并且容量大,但是換流站的成本高,適合于特大型海上風(fēng)電場;.有靈活控制,諧波小等等優(yōu)點,很適合海上風(fēng)電場并網(wǎng),但是由于開關(guān)管的功率限制,并且換流站成本高,目前只能應(yīng)用于中小型海上風(fēng)電場的并網(wǎng)【,。.基于的海上風(fēng)電場傳統(tǒng).的發(fā)展已經(jīng)是一種比較成熟的技術(shù)。無論是公司的輕型直流輸電,還是西門子公司的新型直流輸電還是我國專家提出的柔性直流輸電 ,都已經(jīng)取得了可觀的成績?；?的海上風(fēng)電場系統(tǒng)如下圖.所示【.】:圖.基于.的海上風(fēng)電場拓撲.傳統(tǒng)的高壓直流傳輸方式如上圖所示,由圖可以看出,這種拓撲的工作原理是首先由風(fēng)機發(fā)出交流能量,再經(jīng)過背靠背變流器變頻,最后經(jīng)過升壓變壓器升壓到高壓等級再通過離岸整流,經(jīng)過直流傳輸后再經(jīng)過岸端逆變器逆變最后并入電網(wǎng)。在這種拓撲下,無論是小范圍的進行拓撲優(yōu)化還是對控制策略進行進一步改進,都依然要面臨一些己知的問題:比如效率不夠高,龐大笨重的離岸變電站設(shè)備加大了運輸安裝以及維護的成本等。雖然基于的傳輸相比傳統(tǒng)的 改善了諧波,并且能夠進行有功和無功的同時控制,但是無法解決的問題是:無論是基于晶閘管還是基于的傳輸方式,都始終無法在離岸端避免使用龐大笨重的低頻變壓器,這對于條件艱苦,環(huán)境惡劣的海上風(fēng)電場來講是非常大的一個弊病。,簡單基于以上的問題,人們提出采用 的并網(wǎng)方式。所謂的來講,就是以.升壓變換器代替升壓變壓器和海上。各個海上風(fēng)機機組通過可控或者不控整流連接在直流母線上,再由大功率高電壓.升壓變換器升高到適合傳輸?shù)母邏旱燃?經(jīng)過直流電纜傳輸?shù)桨渡?再經(jīng)過岸上逆變器的逆變后并網(wǎng)。這樣做的好處很多,最為關(guān)鍵的一點就是減小了海上變電站的體積和重量,省去了龐大笨重的低頻變壓器,在.變換器中采用了小巧輕便的高頻變壓器,在使得系統(tǒng)變得更加輕便的同時減少了變壓器的損耗還提高了系統(tǒng)的效東【】。一的海上風(fēng)電直流傳輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)一般有一下三種:目前,基于第一種方式如圖.所示,各個風(fēng)機輸出交流后經(jīng)過整流為直流,先通過?升壓變換器升壓到中壓水平,再同時并聯(lián)在直流母線。能量被收集在直流母線上之后再級?升壓變換器升到適合傳輸?shù)母邏旱燃墏鬏斈芰?經(jīng)岸端逆變器逆變并網(wǎng)。此拓撲的優(yōu)點在于在風(fēng)機輸出能量后電壓立即得到了升高,這樣在直流母線上的損耗就降低了,另外各個部分的電壓都能得到獨立的控制,缺點在于在風(fēng)機側(cè)就需要增加額外的.升壓裝置,增加了成本和變流器上的開關(guān)損耗。第二種方式如圖.所示,和類似,只是去掉了風(fēng)機上的。環(huán)節(jié),整流后直接在直流母線并聯(lián)。這樣對離岸.變流器要求很高,要能有足夠大的占空比才能將電壓升高到理想的傳輸?shù)燃?。采用這種結(jié)構(gòu)的省去了機側(cè).變流器,對于大的風(fēng)電場來講,具有很好的經(jīng)濟性。但是這樣做的結(jié)果使得原本的三個電壓等級變成了兩個電壓等級,所以電壓傳輸?shù)燃壓艽蟪潭壬弦芟抻陲L(fēng)機的輸出電壓。當(dāng)風(fēng)機的輸出電壓不夠高時,離岸.升壓變換器也無能為力。同時直流母線之前的線損會增大。第三種方式如圖.所示,每個風(fēng)機后面都配備了.升壓裝置,與相似的問題,電壓等級只有兩級。傳輸?shù)碾妷旱燃壥艿搅孙L(fēng)機輸出電壓的限制。但是由于提前將電壓升高,所以直流母線上的損耗會減小。但是同相比,.變流器的個數(shù)又增加了,建設(shè)成本相應(yīng)的提高了許多【】。圖三種基于 的海上風(fēng)電直流傳輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu).這三種拓撲結(jié)構(gòu)各有各自的優(yōu)缺點,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況的不同的分別選用。在無法使用超高壓風(fēng)機或者對電壓傳輸?shù)燃壱筝^高的時候應(yīng)當(dāng)采取的拓撲,如果能夠有超高壓風(fēng)機支持,或者電壓傳輸?shù)燃壊桓叩臅r候,應(yīng)該優(yōu)于考慮,同樣是兩級的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)更簡潔更具有經(jīng)濟性,從損耗的角度來講,的損耗也是最小的。由于系統(tǒng)采用直流的升壓模式,在風(fēng)機后面不用背靠背變流器的結(jié)構(gòu)進行變頻。一般在風(fēng)機都設(shè)計來進行整流和風(fēng)機控制,由風(fēng)機輸出電壓等級的不同采用兩電平和三電平皆可。直直變換器是基于 的海上風(fēng)電場的核心設(shè)備,目前理論中所采用的高電壓大容量變換器多為采用高頻變壓器的隔離.變換器,如全橋變換器,變換器和變換器,其中又以變換器最為常見,另外還有研究新型高電壓大容量直直變換器旨在通過并聯(lián),多重化或諧振的方法省去高頻變壓器環(huán)節(jié),從而使得直直變換器更加簡單輕便并且進一步減少損耗【】。在岸端逆變器的選擇上,一般可以采用傳統(tǒng)的基于晶閘管電路的逆變器或者采用新型的基于和技術(shù)的。兩者相比晶閘管電路更加經(jīng)濟,并且損耗較小,而基于和技術(shù)的成本更大并且開關(guān)損耗較大。在性能上,則遠遠優(yōu)于基于晶閘管的逆變器,能夠同時進行有功無功調(diào)節(jié),并且具有黑啟動能力,控制策略多樣化更加的只能,且能夠改善諧波質(zhì)量,優(yōu)化電網(wǎng)。在具體的選擇上應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際需求和經(jīng)濟情況多方面考慮進行選擇。在基于 的海上風(fēng)電場的控制策略方面,總體來講一般有兩種:.變換器可控的控制策略和.變換器不可控的控制策略,在.變換器不可控的控制策略中,.變換器作為一個黑匣子只起到升壓作用,整個系統(tǒng)的控制基本上都交由風(fēng)機側(cè)對風(fēng)機側(cè)的控制模塊和岸端逆變器來進行,這樣做的好處在于系統(tǒng)的控制策略簡單,各個環(huán)節(jié)的控制策略不會出現(xiàn)過多的耦合情況。但是缺點也是顯而易見的,在如此大的系統(tǒng)當(dāng)中,每個部分相隔的距離都很遠,采用這樣簡單的控制策略降低了系統(tǒng)的可靠性。在.變換器可控的控制策略中,?變換器也承擔(dān)起了一定的控制作用,對機側(cè)直流電壓進行穩(wěn)定和對直流母線電壓進行穩(wěn)定,這樣增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性但是做到了系統(tǒng)每個部分都處于可控狀態(tài)之中,使得系統(tǒng)的可靠性得到了提高,并且對于各級直流電壓的控制可以使能量更加有效的進行傳輸,降低了電纜的損耗。在本文的建模當(dāng)中,也采用各個部分可以控制的系統(tǒng)控制策略。.本論文的研究目的和主要內(nèi)容在全球能源危機的大背景之下,風(fēng)力發(fā)電作為最重要的一種清潔能源正在蓬勃有力的發(fā)展,而海上風(fēng)電由于其自身優(yōu)勢是目前全世界各國極力發(fā)展和推崇的一種風(fēng)力發(fā)電方式,是目前的研究熱點。相比于其他基于直流傳輸?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場設(shè)計,基于 的海上風(fēng)電場具有很強的適用性,并且目前沒有實際的工程范例,無論是其拓撲結(jié)構(gòu)還是控制策略正處于理論研究的層面,所以這種研究有非常大的必要性,在如此大的風(fēng)電場設(shè)計和投資中,只有在充分的理論研究下實際的工程才能有所進展。本文查閱了大量文獻,對于基于直流傳輸?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場拓撲和控制策略進行了詳細分析。尤其對于基于 的海上風(fēng)電場的拓撲和控制策略進行了單獨的分析論證。本文主要進行了以下的工作:就目前的基于直流傳輸?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場研究進行了總結(jié)和分析。對目前基于 的海上風(fēng)電場研究成果進行了綜述。建立了基于 的海上風(fēng)電場系統(tǒng)模型,包括風(fēng)速模型,永磁同步風(fēng)機模型,機側(cè)模型,機側(cè)及離岸.變換器模型和岸端逆變器模型等。提出了基于 的系統(tǒng)的控制策略,包括機側(cè)變流器控制策略,機側(cè)及離岸.變換器控制策略和岸端逆變器控制策略。在/軟件中進行了控制策略和系統(tǒng)拓撲可行性的仿真驗證。對三電平在海上風(fēng)電場上的應(yīng)用進行了分析,在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行了三電平結(jié)構(gòu)優(yōu)化并對比了諧波特性。永磁同步風(fēng)機及機側(cè)工作原理.空氣動力學(xué)相關(guān).風(fēng)速模型為模擬風(fēng)電機在風(fēng)速變化時的響應(yīng),需對風(fēng)速進行建模。一般將風(fēng)速分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機噪聲風(fēng)四個分量?；撅L(fēng)在仿真中認為一直保持不變。其余分量如下所述:陣風(fēng)風(fēng)速突然變化的特性叫做陣風(fēng)特性。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真運行中,通常可以用它來表明系統(tǒng)在很大風(fēng)速干擾下的動態(tài)情形。它的數(shù)學(xué)表達如式.所示。正式.%。 石互【其中%嘲/一萬/乙一一互/?;巧、%一分別對應(yīng)陣風(fēng)開始時間,結(jié)束時間和陣風(fēng)最大值。漸變風(fēng)漸變風(fēng)是用來描述風(fēng)速的漸變特性的,數(shù)學(xué)表達式如式.所示:正正互圪御% %懈 互一互一互吃叩式.其中吃叩%一?/石】,。咿%一【互一/互】,%咖;,互,正分別為漸變風(fēng)風(fēng)速最大值、開始時間、結(jié)束時間、上升時間和下降時間。隨即噪聲風(fēng)隨即噪聲風(fēng)用來反映風(fēng)速的隨即特性,如式所示:式./品國】/蘭魚:竺 .仍是之間均勻分布其中哆一互?緲,品哆,哆/“】/的隨機變量;是地表粗糙系數(shù);指擾動范圍;是平均風(fēng)速;國為頻率間距。.風(fēng)機輸出特性與最大功率追蹤風(fēng)機輸出特性如下所示:式.只.,。名,其中己為輸出功率,為空氣密度磁/】,為風(fēng)機葉片半徑,為風(fēng)速/,。為風(fēng)能利用系數(shù),旯是葉尖速比與槳葉節(jié)距角的函數(shù)。當(dāng)槳距角為恒定時,。只與葉尖速比兄有關(guān),在不同槳距角下的相互關(guān)系如下圖.所示,可以看出在不同的槳距角下對應(yīng)著一個最佳葉尖速比使得風(fēng)能利用最大。簌靜霄葉尖速比.圖.風(fēng)機功率特性.葉尖速比兄是風(fēng)機葉片半徑,風(fēng)機轉(zhuǎn)速%和風(fēng)速的函數(shù)。關(guān)系式.所示:式.兄,%在最佳葉尖速比死,下,風(fēng)機轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成正比。此時,風(fēng)力機軸上輸出的機械功率為:式.。卻.。,竽瓦由上式兩側(cè)同時除以風(fēng)機轉(zhuǎn)速%,可得風(fēng)機輸出的機械轉(zhuǎn)矩為:式.礎(chǔ)。,。國己由以上式子可知,在不同的風(fēng)速下,總有個特定的風(fēng)機轉(zhuǎn)速能夠?qū)?yīng)最佳葉尖速比從而使得風(fēng)能利用系數(shù)最優(yōu)從而使得風(fēng)機的輸出功率最大。實現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)速追蹤的過程叫做最大功率追蹤。最大功率追蹤的算法有很多種,比較常見的有葉尖速比控制、功率信號反饋以及爬山法控制【。爬山法是實際應(yīng)用中最常見的方法,本文系統(tǒng)建模采用的算法即為爬山法的控制算法,該方法的實現(xiàn)辦法是通過小范圍的改變轉(zhuǎn)速給定值來判斷功率是否朝著增大的方向,如果功率處于增大的趨勢,就繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速給定,如果功率處于減小的趨勢了,就朝著相反的方向給定轉(zhuǎn)速,算法的原理圖如下所不:圖.基于爬山法控制算法框圖.為了捕獲最大風(fēng)能,在進行最大功率跟蹤的時候,槳距角一般都保持不變。然而,在風(fēng)速超過額定的情況下,由于風(fēng)電機組機械強度、發(fā)電機及變流器容量的限制,必須降低風(fēng)輪的能量捕獲,使功率輸出保持在額定值附近,避免強風(fēng)對風(fēng)機造成損害。比較常見的槳距控制方法有失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動失速調(diào)節(jié)三種方式。.風(fēng)機發(fā)電機組的發(fā)展狀況風(fēng)力發(fā)電機組由早期常用的恒速恒頻機組發(fā)展到了目前常用的變速恒頻率機組。基于籠型感應(yīng)發(fā)電機的機組是早期恒速恒頻機組的代表。使用這種機組時,由于電網(wǎng)的頻率是恒定的,感應(yīng)電機轉(zhuǎn)差的波動范圍小,所以無論在何種風(fēng)速下發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近定值?；\型感應(yīng)電機功率因數(shù)較低,啟動電流也比較大,因此在網(wǎng)側(cè)必須配備無功補償電容和軟啟動裝置。另外風(fēng)機的轉(zhuǎn)速一般比較低,因而電機和風(fēng)機之間需要加設(shè)齒輪箱。恒速恒頻率的機組的優(yōu)點在于電機可靠性高,控制策略簡單,電氣成本低。缺點也是顯而易見的,最關(guān)鍵的是電機無法根據(jù)風(fēng)速的情況及時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,無法最大效率的對風(fēng)能進行捕獲。轉(zhuǎn)速的恒定還帶對機組的機械應(yīng)力帶來了不利的影響,風(fēng)速的變化直接會反映到機械轉(zhuǎn)矩上,同時還造成并網(wǎng)功率的不穩(wěn)定,影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。另外不具備連續(xù)的無功控制能力,并網(wǎng)電能質(zhì)量低。為了改變這種情況,更加高效的捕獲風(fēng)能。變速恒頻機組得到了不斷地發(fā)展。在不同的風(fēng)速下,通過變流器對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行控制就能使風(fēng)機最大限度的捕獲風(fēng)能。變速恒頻機組的成本相比恒速恒頻機組成本較高,而且控制相比更加復(fù)雜。但是其優(yōu)點非常多且非常重要。一方面能夠通過變流器對電機的控制實現(xiàn)最大功率追蹤,另一方面能夠同時進行有功和無功調(diào)控,提高電能質(zhì)量,除此之外減少了機械部分的機械應(yīng)力,同時減少了噪聲。常見的變速恒頻風(fēng)力機組有雙饋異步風(fēng)機和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機。在雙饋異步風(fēng)機中,風(fēng)機與電機通過齒輪箱連接。轉(zhuǎn)子繞組由背靠背變流器連接到電網(wǎng)。雙饋發(fā)電機可以在超同步、次同步和同步三種狀態(tài)下運行,具有較寬的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差功率可以實現(xiàn)這種切換。因為僅僅需要傳遞轉(zhuǎn)差功率,所以變流器在容量選擇上可以依照機組總?cè)萘康?到百分之%進行,具有很高的性價比。由于雙饋變頻風(fēng)機的以上優(yōu)點,雙饋變頻風(fēng)機在世界上取得了廣泛的應(yīng)用。進入二十一世紀之后,雙饋型風(fēng)機成為了市場上主流機型,占據(jù)了大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)機的主要市場。但是,雙饋性風(fēng)機在有其缺點和局限性。首先,必須要使用昂貴的齒輪箱,且存在始終難以妥善解決的漏油問題,這些都是系統(tǒng)可靠性和效率轉(zhuǎn)換的提高的不利因素;另外,雙饋風(fēng)機中電刷還有滑環(huán)必須定期進行檢修,維護繁瑣,維護量大,也不利于提高機組的可靠運行。由于雙饋異步風(fēng)機的以上缺點,人們開始關(guān)注直驅(qū)和無刷化的風(fēng)機。基于槳距調(diào)節(jié)、變速運行、低轉(zhuǎn)速、高功率因數(shù)和高效率的永磁同步風(fēng)機是目前的研究熱點。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機使用永磁體勵磁,沒有勵磁損耗,在實現(xiàn)無刷化的同時提高了效率;直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機運行時,不需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立磁場,這樣就改善了電網(wǎng)的功率因數(shù)。直驅(qū)式運行沒有齒輪箱,這樣提高了發(fā)電機組的可靠性和效率并且減少了噪聲污染,與此同時,設(shè)備的維護量大大降低。這些優(yōu)點尤其是可靠性和低維護使得直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機在氣候和環(huán)境條件惡劣的海上風(fēng)電場上具有非常好的適用性。本文系統(tǒng)建模中所采用的的風(fēng)機也為直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機。.永磁同步電機的基本原理永磁同步電機由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成,定子和繞線式同步電動機基本相同,轉(zhuǎn)子用永磁體代替了繞線式同步電機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組,從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷,故稱為永磁同步電動機。永磁同步電機的結(jié)構(gòu)如下:糸俄鹱予瓤軸圖.永磁同步電機截面圖.蜀?曛圖.嵌入磁鋼的永磁同步電機結(jié)構(gòu)圖 . 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機的基本方程包括電動機的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程等,這些方程是永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。永磁同步電機運轉(zhuǎn)時其定子和轉(zhuǎn)子處于相對運動狀態(tài),永久磁極和定子繞組、定子繞組和繞組間的相互影響,導(dǎo)致永磁同步電動機內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜。再加上此路飽和等非線性因素,給永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型建立帶來了困難。在不影響研究效果的前提下需要簡化永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型,通常做以下的假設(shè)【】:忽略磁路中鐵芯的磁飽和,不計鐵芯的渦流和磁滯損耗;轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組,永磁體也沒有阻尼作用;永磁鐵在氣隙中產(chǎn)生的磁勢為正弦分布,無高次諧波,即定子的空載電勢為正弦波;永磁材料的電導(dǎo)率為。基于以上假設(shè)得到的永磁同步電機的各個方程如下:永磁同步電機定子電壓方程:“一足%式.“口%【甜%式中為定子每相繞組電阻;兒口為三相繞組交鏈的磁鏈;/為微分算子永磁同步電機的磁鏈方程如下:沙月 口 栩互式爿 口 國“砌艮爿 .咕. 伽伽勵 .,. 伽伽勵 占 .七. 倚%式中匕、為定子各相自感;、%、為定子各相之間的互感,%,為勵磁磁場鏈過,繞組產(chǎn)生的磁鏈。由于三相繞組對稱,則認為互感也為對稱則有口,毛,厶。永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩方程如下所示:式.。一./釓乇既一等/ 既等.永磁同步電機的坐標變換坐標變換是用新的坐標系統(tǒng)替換原來的坐標系統(tǒng),使得原來坐標系統(tǒng)的各個變量及其相互關(guān)系變換成在新坐標的變量及其相互關(guān)系。為了對永磁同步電機進行矢量控制,就必須將坐標系換算到旋轉(zhuǎn)的坐標系下。三相靜止坐標轉(zhuǎn)換兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣如下所示: ?,、: “一等搟刪一等由上式司得永磁司步電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的數(shù)學(xué)模型如:電壓方程:卜島厶魯一式.卜厶魯盼磁鏈方程:%厶吩【%厶盼電磁轉(zhuǎn)矩:式.死丟吩厶一厶屯.永磁同步電機的矢量控制方法永磁同步電機的矢量控制方法一般有弱磁控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制和控制。其中控制稱為轉(zhuǎn)子磁場定向控制。其本質(zhì)是實現(xiàn)軸和軸兩軸電流解耦,使定子電流中只有交軸分量。在電流中只有交軸分量的同時,定子電流矢量位于軸,無軸分量,該控制方法簡單,計算量小,沒有電樞反應(yīng)對電動機的去磁問題,應(yīng)用比較廣泛,在本文的系統(tǒng)建模中,永磁同步電機的控制策略也采用的控制策略。將帶入電磁轉(zhuǎn)矩方程可得:式.三吩在屯的控制策略下,忽略定子銅耗和鐵耗,發(fā)電機輸出有功與電磁功率相等,可表示為:式.乞.吩緲通過上式可知,在電機轉(zhuǎn)速緲已知的情況下,通過直接控制軸電流分量,就能對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行控制,進一步控制發(fā)電機輸出的有功功率,最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)輸出有功功率的調(diào)節(jié)。從上式.可以看出,發(fā)電機定子、軸狀態(tài)變量中存在著耦合關(guān)系,為了設(shè)計獨立、軸電流和控制器,必須對、軸電流和進行解耦控制。解耦方法是分別將直軸電壓%和交軸電壓分解成兩個分量:一個分量是“和“二,由電流控制器輸出;另一個為解耦得到的血耐和血。則有:訂杪 一國國七髓篡芝羞霉.電機側(cè)控制策略電機側(cè)的控制策略框圖如下圖.所示。電機側(cè)的主要控制目的在于控制電機使得風(fēng)機能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率追蹤,另外在系統(tǒng)中要起到整流的作用?？刂撇呗陨喜捎盟俣韧猸h(huán),電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式,實現(xiàn)無靜差控制。依照常用的永磁同步電機控制策略,系統(tǒng)采用了的控制策略,其本質(zhì)是實現(xiàn)軸和軸兩軸電流解耦,使定子電流中只有交軸分量。在電流中只有交軸分量的同時,定子電流矢量位于軸,無軸分量。,該控制方法簡單,計算量小,沒有電樞反應(yīng)對電動機的去磁問題,應(yīng)用比較廣泛,本文中系統(tǒng)建模也采用了這種控制策略。其中外環(huán)發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度參考值緲是由風(fēng)能最大功率點跟蹤算法得到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值,通過與實際發(fā)電機速度相比較,得到一個轉(zhuǎn)速差再經(jīng)過比例積分控制器得到有功電流參考值二。即發(fā)電機通過調(diào)節(jié)實際轉(zhuǎn)速值跟隨最優(yōu)轉(zhuǎn)速給定值國來調(diào)節(jié)軸電流一進而控制電磁轉(zhuǎn)矩來控制電機轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化實現(xiàn)最大功率追蹤。依照控制策略無功電流參考值。在電流內(nèi)環(huán)中,根據(jù)解耦控制可以得所需要的發(fā)電機定子、軸調(diào)制電壓“、,再經(jīng)反變換得到兩相靜止坐標系下定子參考電壓“、。,然后采用電機側(cè)變流器進行控制最終實現(xiàn)控制目的。系統(tǒng)通過對、軸電流和,。的解耦控制,可以獨立控制電機的有功和無功電流,進而獨立控制發(fā)電機的輸出的有功功率和無功功率?？臻g矢量脈寬調(diào)制法對圖.機側(cè)控制策略框圖.兩電平的拓撲結(jié)構(gòu)和原理.兩電平的拓、結(jié)構(gòu)兩電平的簡化拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖.兩電平拓撲結(jié)結(jié)構(gòu).圖為兩電平的拓撲結(jié)構(gòu)。定義咒,分別為從右至左三個橋臂的開關(guān)函數(shù)。當(dāng)時,橋臂上管通下管斷,當(dāng)時,橋臂上管關(guān)斷下管開通,咒和以此類推。.兩電平的原理即空間電壓矢量脈寬調(diào)制。它和傳統(tǒng)的電壓不同,它是從電機的角度出發(fā)的調(diào)制方法。幫助電機獲得恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機的理想磁通圓為基準,用不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通,并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài),形成波形。由于這樣的系統(tǒng)把變流器和電機看成一個整體來處理,模型簡單方便,目前在各個控制系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。假設(shè)電機的輸出電壓為理想正弦,則其方程為:式.%【,緲卜丁/鏟嘞爭按照合成矢量電壓的定義由變換,其中口棚式.“%口%將上式帶入帶入式.,得到電壓的合成矢量為:一腳式.即任意給定的三相基波電壓瞬時值,都會有唯一的相應(yīng)的空間矢量與之對應(yīng)?？諉柺噶康姆植既缦聢D.所示:?口圖.空間矢量分布. 由圖.的兩電平的拓撲結(jié)構(gòu)和。,的定義可知。兩電平的開關(guān)狀態(tài)一共有種。在每種開關(guān)狀態(tài)下各相的電壓如下表.所示:表.兩電平各個開關(guān)狀態(tài)下的相電壓. 矢量名稱 圪. ./ ?/吃 一吃/ 一 吃/ 一吃/ 加吃/ 吃/ 吃/ %一%/ 一圪/ 圪/ %/ 銣 吃/ ?/吃 %/ 吃/ .分析表.我們不難發(fā)現(xiàn),三相在不同的開關(guān)組合下的交流側(cè)電壓可以用一個模為辦/空間電壓矢量表示在復(fù)平面上。由于各個橋臂一共有八種開關(guān)狀態(tài),因此一共有相對應(yīng)的八條空間矢量分布在復(fù)平面上。如圖.所示,顯然,某一開關(guān)時刻就相應(yīng)有一條空間矢量與之對應(yīng),該開關(guān)狀態(tài)下對應(yīng)的三相電壓即為該空間矢量在,三軸上的投影。其中和的模為零,代表著上管全部開通的時候下管同時關(guān)斷和下管全部開通的時候上管同時關(guān)斷這兩種狀態(tài)的矢量。以上的分析表明,復(fù)平面上的空間矢量共有條,除了條零矢量之外,其他的條非零矢量依次對稱均勻的分布在復(fù)平面上。對于一個任意給定的空間矢量礦,均可以被條空間電壓矢量來合成。對于目標矢量,必然存在于復(fù)平面的某個區(qū)域當(dāng)中,個非零的開關(guān)狀態(tài)矢量將復(fù)平面分成了六個等大小的扇區(qū),所以在合成矢量之前首先要對目標矢量進行扇區(qū)判斷,確定其處于六個扇區(qū)中的某個位置后再選取所需要的矢量即各種開關(guān)狀態(tài)進行合成。接下來介紹合成的方法,首先將目標向量分解到兩相靜止坐標系:圖.目標向量分解示意圖.各個扇區(qū)的判斷方法如下:如果%,%,撕%一圪,目標矢量在扇區(qū)如果,%,%一,目標矢量在扇區(qū)如果,%。,%一%,目標矢量在扇區(qū)如果,吃,撕%一%,目標矢量在扇區(qū)如果,吃。,一。,目標矢量在扇區(qū)如果。,吃圪,吃一圪。,目標矢量在扇區(qū)在判斷完矢量所在的扇區(qū)后,就可以進行矢量的合成了,兩電平矢量合成的方法一般有三種:第一種方法是將零矢量均勻的分布在矢量礦的兩頭,然后依次由三角形法則合成矢量,如下圖.所示,這是最普通的方法。圖.矢量合成方法一. 第二種方法和第一種方法的不同之處在于。除了零矢量之外,礦依次由旁邊的兩個矢量合成。并且從目標矢量礦中點分出來兩個三角形,如圖.所示。.圖.矢量合成方法二.第三種方法將零矢量周期分成了三段,其中礦的起終點上均勻的分布著零矢量,并且在礦的中點處還分布了矢量,并且零矢量和。的持續(xù)時間相同。除了零矢量方面,其他類似方法二。如下圖.所示:圖.矢量合成方法三 .這三種方法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在開關(guān)損耗,簡潔性簡便性和諧波上。其中方法二的諧波分量最小,該方法中開關(guān)損耗以及諧波都比較低。但是從算法的簡單性上來看,第一種方法比較好。以上各個方法圖中的目標向量為例,目標向量位于第一扇區(qū),其中互和互分別為和%兩個矢量作用的時間,即為這兩種開關(guān)狀態(tài)所持續(xù)的時間。?.,為兩個模為零的向量的持續(xù)時間,為開關(guān)周期。則有如下方程:巧墨互磊,卜事呼%令礦和。之間的夾角為,由正弦定理有:且一到一盟,/ /由于%/,聯(lián)立以上兩式有:釧釧式.五互瓦嚴咀村哆 , 互 。其中為的調(diào)制系數(shù),并且:魚擴%下圖給出第二種合成方法的開關(guān)函數(shù)波形:圖.方法二開關(guān)函數(shù)波形. 則在此周期內(nèi)開關(guān)應(yīng)隨著此順序進行動作。最終合成目標矢量,實際就是達到預(yù)定的電氣目標。由以上的分析可以知道,調(diào)制方法順序應(yīng)該是:獲取目標給定電壓矢量判斷扇區(qū)位置選定基本矢量實質(zhì)為開關(guān)狀態(tài)后運算出每個開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間。按照合成的方法將由算法運算出的開關(guān)狀態(tài)持續(xù)時間轉(zhuǎn)換為占空比從而轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號給定到開關(guān)上。結(jié)合電機側(cè)中的圖.可知,在經(jīng)由控制策略運算出了給定的電壓矢量之后,將其發(fā)送到模塊當(dāng)中再轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號給定到電路中,就能夠使得控制目的實現(xiàn),讓系統(tǒng)去不斷追隨控制策略的算法給定轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)最大功率追蹤【】。.三電平的拓撲結(jié)構(gòu)和原理.三電平的基本特點風(fēng)電規(guī)?；蠊β驶l(fā)展會很大程度上降低風(fēng)力發(fā)電成本,并且目前海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢要求風(fēng)力發(fā)電朝著更大功率和規(guī)模來發(fā)展。隨著這種功率等級的提高,相應(yīng)的變流設(shè)備的功率等級也隨著提高。在目前開關(guān)器件功率等級的限制下,憑借改變變流設(shè)備的拓撲結(jié)構(gòu)可以有效的提高功率等級,提高風(fēng)力發(fā)電場的整體容量。在大容量高電壓的情況下,兩電平的結(jié)構(gòu)開關(guān)管一般都采用串并聯(lián)的方式,這樣對串并聯(lián)的開關(guān)管提出了必須同時開通關(guān)斷的要求,所有參與串并聯(lián)的開關(guān)管特性必須要一致,這樣對于器件匹配提出了更高的要求同時導(dǎo)致開關(guān)器件的利用率降低了。多電平的拓撲結(jié)構(gòu)就是在基于這種需求的情況下提出的。通過變流器自身拓撲的改變,從而降低每個開關(guān)管所需要承擔(dān)的電壓,并且能夠改善諧波問題。三電平結(jié)構(gòu)作為多電平結(jié)構(gòu)的最簡單情況,是多電平結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),一般認為多電平的結(jié)構(gòu)都是在三電平的理論上衍生而來的。雖然電平越多,就能夠獲得更加理想的波形。但是由于硬件以及控制上的困難,并不是單一的追求越多的電平就越好。以三電平的結(jié)構(gòu)比較實際,目前對三電平結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)進入了實用的階段,對于基于 的海上風(fēng)電場來講,無論是機側(cè)的還是岸端逆變器使用三電平結(jié)構(gòu)都能夠緩解因為功率開關(guān)的壓力造成的問題并附加改善波形。三電平相對于兩電平來講,優(yōu)勢有很多,但是缺點在于控制策略和結(jié)構(gòu)上都相對更復(fù)雜,在實際的應(yīng)用過程中應(yīng)酌情選擇。二極管箝位式三電平的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖.所示:圖.二極霄箝位式三電平的拓撲結(jié)構(gòu) .和兩電平的拓撲一樣,我們也定義三個橋臂的開關(guān)函數(shù)為,蓮,以邏為例的開關(guān)函數(shù)的意義如下式:芝,。,:導(dǎo)通同時,。關(guān)斷,:,導(dǎo)通同時?。關(guān)斷疋一,。導(dǎo)通同時。,:關(guān)斷則每個橋臂有三種輸出狀態(tài),在開關(guān)函數(shù)為,.時分別對應(yīng)的輸出為%/,和一心/,將此三種狀態(tài)分別稱為,。三電平算法和兩電平算法在調(diào)制的原理上是一致的,都是通過對目標參數(shù)矢量化,再選擇各種矢量下對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)進行擬合的過程。不同點在于三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)相比兩電平的更加多,所以需控制的矢量比兩電平的也更多,不僅要進行大扇區(qū)判斷還要進行小扇區(qū)的判斷,在矢量合成上要做的工作更多,所以算法也更加復(fù)雜。三電平變流器的算法一般包括判斷參考矢量所在的扇區(qū)和工作模式、選擇優(yōu)化開關(guān)矢量、計算開關(guān)矢量的作用時間、確定所選矢量的作用順序。三電平逆變器每一相有三種開關(guān)狀態(tài),因此在整個三電平逆變器中總共有種開關(guān)狀態(tài)組合。我們可以由兩電平逆變器矢量構(gòu)成原理推導(dǎo)出三電平逆變器的各個矢量輸出狀態(tài)和原理圖矢量圖。三電平各個開關(guān)狀態(tài)下對應(yīng)的矢量情況和矢量分類及其幅值如下表.所示。其中大矢量和中矢量各六個,每個矢量實際對應(yīng)兩個矢量即兩個開關(guān)狀態(tài),共個,另外零矢量三個,分別對應(yīng)了,三種開關(guān)狀態(tài)。零矢量,小矢量,中矢量和大矢量分別對應(yīng)著的幅值是,吃/,吃/和吃/,其中吃為變流器直流側(cè)電壓。表.三電平各個開關(guān)狀態(tài)下相電壓空間基本矢量 開關(guān)狀態(tài) 矢量分類 矢量幅值?一零矢量圪 、 、型 型一, 尸%.?以。 小矢量吃/?,一.?一 以,圪圪.?一 ,圪圪.?一班?圪?一中矢量壓%/烈 。?一。 。一:?一,?一。?。一,.?大矢量吃/。,?一。三電平各個空間矢量的分布如圖.中所示,三電平逆變器共有組非零矢量和組零矢量。這些矢量依照空間角度平均分布在圓形區(qū)域中并將空間劃分為個小區(qū)間。與三相兩電平不同,三電平逆變器的空間矢量可以分為大矢量,中矢量,小矢量和零矢量。其中個零矢量、個小矢量、個中矢量,以及個大矢量。剛 入 /附。/全移一/,蠆跫一剛鬯弋、滿。一一力念/一圖.三電平矢量圖.在矢量調(diào)制過程中,要實現(xiàn)三電平逆變器的可以簡單的概括為如下幾個步驟:.參考矢量所在扇區(qū)的判斷:.根據(jù)最近三矢量原則確定輸出矢量:.計算各個矢量作用的時間:.優(yōu)化輸出矢量的開關(guān)順序。.參考矢量扇區(qū)判斷參考矢量的判斷首先要進行的是大扇區(qū)的判斷:如下圖所示,扇區(qū)被劃分為六個部分:圖.三電平大扇區(qū)劃分示意圖.首先將目標向量分解到兩相垂直靜止坐標系上:圖.三電平大扇區(qū)矢量判斷不意圖.和兩電平結(jié)構(gòu)的相似,扇區(qū)判斷采用如下的方法:如果,.,%一,目標矢量在扇區(qū)如果。,%,%一圪,目標矢量在扇區(qū)如果%。,吃%,%一%,目標矢量在扇區(qū)如果,吃,%一,目標矢量在扇區(qū)如果圪,%,%一。,目標矢量在扇區(qū)如果,吆,%一,目標矢量在扇區(qū)在進行大扇區(qū)的判斷之后,再進行小扇區(qū)的判斷,小扇區(qū)的判斷方法如下圖.所示,每個大扇區(qū)被分為了四個等大的三角形,分別為,。假設(shè)目標電壓矢量為礦,當(dāng)它的終點落在哪個三角形內(nèi),就用構(gòu)成那個三角形定點所對應(yīng)的矢量來合成它,如下圖目標電壓矢量礦落在了三角形中,它的合成矢量就應(yīng)當(dāng)、 一 一 一為%,心:黑唬圖.三電平小扇區(qū)判斷示意圖? . 圪萬刁%舌礦咖目式.則在此大扇區(qū)內(nèi)的小扇區(qū)的判斷以及相應(yīng)的合成矢量如下:么扇區(qū):圪三%,% 出,圪%;%,輸出的電壓矢量由或,玩,唬合成出,輸出的電壓矢量由或,露,巧合成扇區(qū):圪三%,%如,輸出的電壓矢量由露,露,唬合成扇區(qū):圪三%,%三吃,圪%出,輸出的電壓矢量由唬,露。,露合成扇區(qū):圪%,%另外五個大扇區(qū)的小扇區(qū)電壓矢量位置信息可以依照此方法進行扇區(qū)判斷,現(xiàn)在我們就得到了關(guān)于輸出電壓矢量所有的位置信息,接下來要確定的是每個合成矢量所作用的時間以及順序。. 輸出電壓矢量所作用時間給定方法首先進行一個通用公式的推理,在下圖中,起點和終點相同的任意方向的三個矢量露,唬,巧,的終點連接成起來組成一個三角形,矢量而的起始點于這三個矢量相同,結(jié)束點落在三角形的區(qū)域當(dāng)中,下面說明如何用露,唬,或,來表示而。圖.三電平矢量合成方法示意圖. 選擇壤矢量為基準,由上圖可以看出:歷圪異設(shè),:為矢量丘,丘的模的長度,為露一露的模長,為唬一或的模長。則蜃,丘可以分別被表示為:蜃半舊丘半所以而可以被表示為:而等玩罷唬一詈一詈,成。式.,由此分析延伸到三電平的,當(dāng)參考電壓礦在某時間段落在任意的小扇區(qū)當(dāng)中,假設(shè)參向量其模長為,開關(guān)管的開關(guān)周期為,而,分別為三個合成矢量的作用時間,由磁通的等效原則有以下的關(guān)系:圪?正巧?蛭?丁【正弓式.由以上的公式推導(dǎo)可以得到:五互一絲乞卜互一 耽一乞式其中, 出,設(shè)調(diào)制比為摯,可以推出在各個扇區(qū)內(nèi)每個基本向量的作用時間,同樣,以扇區(qū)為例分析出在,四個扇區(qū)內(nèi)各個基本向量的作用時間如下:如果參考向量在區(qū)時則有:廠丁.磊磊萬一艙 衄 秒石壓壓互一去,詈如果參考向量在區(qū)時,則有:掣丁一萬肌詈互一去:一口互萬聊丁如果參考向量在區(qū), 則有:石一萬,秒/一 一麒玎虹 秒墨.一.吼瓦一;礦巧 生似悟則有:如果參考向量在區(qū),互擊/;一口?瓦一 .葺巧壓壓秒似恬以上的分析以第扇區(qū)為例分別說明了參考矢量位于第扇區(qū)內(nèi)的四個部分時,矢量作用時間的計算公式和方法。在其他的五個大扇區(qū)當(dāng)中,只要將角度的值進行替換就可以依同理計算出相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和持續(xù)時間。接下來給出空間矢量作用順序的方法。.三電平空間電壓矢量作用順序的確定通過以上分析可知,給定頻率以及調(diào)制比,按照所給定的參考電壓及相應(yīng)的相位角,判斷出參考電壓矢量所在的大扇區(qū)及所處的小扇區(qū),計算出每個開關(guān)周期內(nèi)三個電壓空間矢量的作用時間。再根據(jù)每個扇區(qū)的電壓空間矢量的選擇作用順序,即可產(chǎn)生相應(yīng)的波。開關(guān)順序的確定有以下原則:.為了優(yōu)化開關(guān)頻率,減少開關(guān)的損耗,應(yīng)