風(fēng)電變流器網(wǎng)側(cè)SVPWM變換器的控制研究

胡文勝，趙 宇

(許繼風(fēng)電科技公司，河南許昌 461000)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的興起，風(fēng)電變流器的控制技術(shù)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間雙向流動(dòng)，這就要求變流器的網(wǎng)側(cè)變換器，既要能夠工作于整流狀態(tài)，又要能夠工作于逆變狀態(tài)。對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的準(zhǔn)確控制，是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一［1－2］。

目前的電壓源型交－直－交變流器，其網(wǎng)側(cè)變換器多采用的是三相電壓型PWM整流器。PWM整流器的控制質(zhì)量主要取決于交流側(cè)的電流波形、功率因數(shù)、直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性等。隨著空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技術(shù)、滯環(huán)電流PWM控制等脈沖調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論、智能控制等技術(shù)的引入，PWM整流器的控制性能得到不斷提高［3－4］。

這里采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，對(duì)風(fēng)電變流器網(wǎng)側(cè)變換器的整流與逆變工作模式做了仿真研究。文中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明，采用上述控制策略，網(wǎng)側(cè)SVPWM變換器的響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，可以工作于功率因數(shù)接近于1的整流或逆變狀態(tài)。

1 網(wǎng)側(cè)變換器的電路及數(shù)學(xué)模型

圖1為三相電壓型PWM整流器的主電路。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整流器的輸出直流電壓穩(wěn)定，三相橋臂由正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)。

圖1 三相PWM整流器的主電路

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，電感的濾波作用使得交流側(cè)電壓、電流的諧波非常小。只考慮電壓、電流的基波，整流器可以看作是一個(gè)理想的三相交流電壓源。

通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值、相位，可以控制整流器交流側(cè)輸入電流的幅值、電流與電壓的相角，使整流器運(yùn)行于以下三種工作狀態(tài)。

(1)功率因數(shù)接近于1的整流運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓同相，能量由電網(wǎng)流入整流器，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無(wú)無(wú)功功率流動(dòng)。

(2)功率因數(shù)接近于1的逆變運(yùn)行。此時(shí)，交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓反相，能量由整流器流入電網(wǎng)，電網(wǎng)與整流器之間幾乎無(wú)無(wú)功功率流動(dòng)。

(3)功率因數(shù)不為1的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓具有一定的相位關(guān)系。當(dāng)交流側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓保持90°的相位關(guān)系時(shí)，整流器可作為靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)運(yùn)行。

設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，主電路開(kāi)關(guān)器件為理想開(kāi)關(guān)，通斷可以用開(kāi)關(guān)函數(shù)表示。根據(jù)PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得

式中，ua、ub、uc為等效三相電網(wǎng)電壓;ia、ib、ic為整流器輸入三相電流;idc為變流器直流側(cè)輸出電流;為整流器直流側(cè)負(fù)載電流;iload為整流器輸出直流電壓;udc為整流器輸出直流電壓;Sa、Sb、Sc分別為三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)，當(dāng)Si=1時(shí)，表示第i相上管導(dǎo)通，當(dāng)Si=0時(shí)，表示第i相下管導(dǎo)通。

2 變換器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制

在三相三線制系統(tǒng)中，三相電流之和為零，有ia+ib+ic=0;三相電壓平衡，有ua+ub+uc=0。將這兩個(gè)條件帶入式(1)中，可得三相電壓型PWM整流器在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

對(duì)式(2)進(jìn)行3s/2r(三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn))坐標(biāo)變換，可得PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量ug的方向上，則d軸表示有功分量參考軸，而q軸表示無(wú)功分量參考軸。此時(shí)，電網(wǎng)電壓的q軸分量為零。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，無(wú)功電流分量值設(shè)為零。

um為電網(wǎng)電壓的幅值，電網(wǎng)電壓的d、q分量為

輸入電流滿足

式中，uds、uqs為整流器交流側(cè)電壓的 d、q軸分量，uds=Sdudc，uqs=Squdc。

上式表明d、q軸電流除受控制量uds、uqs的制約外，還受交叉耦合項(xiàng)ω1Lids、ω1Liqs和電網(wǎng)電壓的影響。

將式(5)改寫(xiě)為

其中，

上式中u'ds、u'qs與各自的電流分量具有一階微分關(guān)系，可作為解耦項(xiàng)，△uds、△uqs為消除定子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。同時(shí)，引入了電網(wǎng)電壓um作為前饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)d、q軸電流的獨(dú)立控制，還可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖如圖2所示。網(wǎng)側(cè)變換器采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相PWM整流器的直流側(cè)電壓，直流電壓指令值與反饋的誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算得到有功電流指令值，其值決定了有功功率的大小，符號(hào)決定了有功功率的流向。電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的整流或逆變，無(wú)功電流分量設(shè)為零=0。整流器交流側(cè)參考電壓、經(jīng)坐標(biāo)變換后進(jìn)行SVPWM調(diào)制，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器的控制［5－6］。

圖2 電網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖

3 網(wǎng)側(cè)變換器的仿真

3.1 整流狀態(tài)

交流側(cè)采用相電壓為220 V的對(duì)稱三相電源，頻率50 Hz;交流側(cè)電感 L=6 mH，電阻為 R=0.1 Ω;電容C=4 400 μF，電容的初始電壓為700 V，直流電壓的指令值為700 V;負(fù)載電阻RL=50 Ω;無(wú)功電流的指令值為0;三角載波的頻率為10 kHz，調(diào)制比m=1。

PI參數(shù):直流kp1=2.8電壓環(huán)，ki1=10電流環(huán);kp2=100，ki2=100;kp3=100，ki3=100。

圖3 整流狀態(tài)的仿真模型

仿真結(jié)果分析。

(1)直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖4 直流電壓波形1

由圖4可見(jiàn)，初始時(shí)刻，電容的電壓設(shè)為700 V;仿真開(kāi)始后，直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)，在t=0.3 s時(shí)刻，直流電壓穩(wěn)定在700 V，穩(wěn)定后，電壓波形較為平滑。

(2)網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓、電流波形

圖5 交流側(cè)a相電壓電流波形1

圖5 為交流側(cè)a相的電壓、電流波形。可見(jiàn)，在t=0.1 s之后，電流基本穩(wěn)定，并且電流與電壓的相位基本相同，交流側(cè)的功率因數(shù)接近于1。

(3)d、q軸電流分量的波形

圖6 有功電流分量的波形

圖7 無(wú)功電流分量的波形

圖6 、7為d、q軸電流分量的波形，d軸電流分量為有功分量，q軸電流分量為無(wú)功分量。可見(jiàn)，在t=0.1 s之后，d軸電流分量基本穩(wěn)定，q軸電流分量接近于零，交流側(cè)的功率因數(shù)接近于1。

3.2 逆變狀態(tài)

網(wǎng)側(cè)變換器的交流側(cè)采用相電壓為220 V的對(duì)稱三相電源，頻率為50 Hz;電容側(cè)連接二極管，二極管由電壓為1 000 V、頻率為50 Hz的交流電源供電，用來(lái)模擬發(fā)電機(jī)。正常工作時(shí)，電能由網(wǎng)側(cè)變換器流向網(wǎng)側(cè)負(fù)載。

網(wǎng)側(cè)電阻電感參數(shù)，L=6 mH，R=0.1 Ω;電容 C=4 400 μF，電容的初始電壓為700 V，直流電壓的指令值為700 V;二極管側(cè)電阻電感參數(shù)，L=6 mH，R=0.1 Ω;無(wú)功電流的指令值為0;三角載波的頻率為10 kHz，調(diào)制比 m=1。

PI參數(shù):直流kp1=2.8電壓環(huán)，ki1=10電流環(huán);kp2=100，ki2=100;kp3=100;ki3=100。

圖8 逆變仿真模塊

仿真結(jié)果分析。

(1)直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖9 直流電壓波形2

由圖9可見(jiàn)，初始時(shí)刻，電容的電壓設(shè)為700 V;仿真開(kāi)始后，直流電壓出現(xiàn)波動(dòng);在t=0.4 s時(shí)刻，直流電壓基本穩(wěn)定在700 V上下，波動(dòng)較小。

(2)網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓、電流波形

圖10為交流側(cè)a相的電壓、電流波形。可見(jiàn)，在t=0.1 s之后，電流基本穩(wěn)定，并且電流與電壓的相位相反，變流器運(yùn)行于功率因數(shù)接近于1的逆變狀態(tài)。

圖10 交流側(cè)a相的電壓、電流波形2

4 結(jié)論

SVPWM脈沖調(diào)制具有直流電壓利用率高、諧波小等優(yōu)點(diǎn)，是風(fēng)電變流器廣泛采用的調(diào)制算法之一。對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的仿真，驗(yàn)證了在所提的控制策略下，網(wǎng)側(cè)變換器可運(yùn)行于功率因數(shù)接近于1的整流或逆變狀態(tài)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，對(duì)電網(wǎng)污染較小。

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