直流逆变器和交流变换器的建模与分析

风力发电机系统中使用的变换器大多是带中间直流电路的交流—交流电压源逆变器（VSI，见4.3.4节）。在小型风力发电系统中两级逆变器几乎是标准配置；大型风力发电系统越来越倾向于使用中压电气系统（如3kV），此时需要至少3级逆变器来限电流并降低损耗等。这些多级逆变器的详细建模在参考文献[Ale06]中有详细的介绍。除了这些交流变换器之外，直流—直流逆变器也被用作直流升压或者降压变换器。

在评比变换器性能好坏时，通常使用两个参数：输入、输出的平稳度和时域内理想开关的模拟能力。建立交流—直流变换器的模型时，一般认为稳态工况下交流端的输入电压是理想正弦信号再加上时域内的奇数次谐波，输出端的电压为恒定直流电压加输入基波的偶数次谐波，见4.3.2.1节。在4.3.3.4节中有例子已说明输入和输出端的基波和谐波。

为了评估变换器的小扰动性能，使用混合向量（向量的两个成分分别为电压和电流）。处理半导体器件的输入端和输出端为两个相对隔离的系统，它们之间的相互关系用下式来描述：

图6-7 与式（6-48）相吻合，其中系数矩阵的意义如下：

1）：输入电路短路阻抗；

2）：开路输入/输出电压系数；

3）：短路输入/输出电流增益；

4）：开路输出电路电导。

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图6-74 极混合模型等效电路

仅以图6-7的简化电路还不足以模拟带中间直流电路的电压源逆变器，因为其含有时变非线性子系统。参考文献[San06]中讨论了一些复杂的方法来扩展电路模型以考虑输入端、输出端和中间直流电路的高阶谐波。

如果要模拟交流—直流逆变器，交流电路部分电路假设端电压为，电路内部带一个电阻—电感串联电路；直流电路部分可以被当成一个恒定电压源，电路内部则是与输入电流相关的容性导纳和一个理想电流源。

依据参考文献[Ack05]的研究，图6-8给出了变换器等效电路模型。其中的U₁是变换器的输入电压（对于全馈发电机，即为发电机端电压；对于双馈异步电机，为转子端电压），为电网电压。中间直流电路则用两个理想电流源、和一个电容C来模拟。

图6-8 中间电路电压源转换器电路

在忽略变换器细节的建模和仿真当中，变换器的中间直流电路仅仅被假设为一个电流放大器而已，电路的损耗和储能效应都被忽略不计。除此以外，这种变换器的模型仅仅考虑交流的基频信号，忽略一切高阶谐波，直流电路也仅仅考虑基频信号。有些时候简化变换器模型甚至将变换器简化为一个依赖于调制系数的传递函数（见4.3.3节）。

直流—直流逆变器的建模更加简单，仅仅通过平均方法即可^[Nirgol]