雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變換器直接功率控制的研究

葛 凱， 阮 毅， 趙梅花， 談 立

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其較低的變頻器容量和較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍在大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。采用雙PWM變換器的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中網(wǎng)側(cè)PWM變換器的作用是在各種狀態(tài)下維持直流母線電壓穩(wěn)定，并且實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入功率因數(shù)的控制，從而確保轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和整個(gè)雙饋感應(yīng)電機(jī)可靠工作。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)側(cè)逆變器的控制策略，主要有矢量控制和直接功率控制(Direct Power Control， DPC)。矢量控制因其固定的開(kāi)關(guān)頻率、輸出電流的正弦度好、諧波含量低及電壓利用率高而被廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，DPC漸成為研究熱點(diǎn)。電壓型PWM變換器DPC系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要PWM、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[1-2]。文獻(xiàn)[3]采用單開(kāi)關(guān)表DPC，沒(méi)有闡述開(kāi)關(guān)表的制定原則。文獻(xiàn)[4]根據(jù)網(wǎng)側(cè)變換器電壓矢量對(duì)有功功率變化和無(wú)功功率變化影響的強(qiáng)弱，采用雙開(kāi)關(guān)表DPC，理論上可獲得更為優(yōu)良的控制性能，但試驗(yàn)效果也并不優(yōu)越于單開(kāi)關(guān)表的性能且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]給出了基于電網(wǎng)電壓定向的開(kāi)關(guān)表制定原則，推導(dǎo)過(guò)程較為復(fù)雜。

本文根據(jù)三相并網(wǎng)逆變器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用一種簡(jiǎn)單的方法推導(dǎo)和分析了各網(wǎng)側(cè)變換器電壓矢量對(duì)有功功率變化和無(wú)功功率變化的影響，詳細(xì)闡述了DPC控制機(jī)理及開(kāi)關(guān)表的制定原則。根據(jù)有功和無(wú)功功率的變化量，采用滯環(huán)控制，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提出的DPC策略進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性和正確性。

1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器DPC策略

1.1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器數(shù)學(xué)模型

網(wǎng)側(cè)PWM變換器采用圖2所示的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，uga、ugb、ugc分別為三相電網(wǎng)相電壓，iga、igb、igc分別為交流側(cè)的三相輸入電流；R為濾波電抗等效電阻；L為每相進(jìn)線電感；C為直流母線電容；udc為直流母線電壓。

圖2 網(wǎng)側(cè)PWM變換器主電路

由KVL得回路電壓方程：

(1)

式中：ua,ub,uc分別為網(wǎng)側(cè)PWM變換器交流電壓值。

對(duì)式(1)進(jìn)行3s/2r變換，得

(2)

式中：ω1——電網(wǎng)電壓的角速度；

ud、uq——變換器輸入交流電壓的d、q分量；

ugd、ugq——電網(wǎng)電壓的d、q分量；

igd、igq——輸入電流的d、q分量。

1.2 基于電網(wǎng)電壓定向的DPC策略

圖2中，定義三相電網(wǎng)相電壓uga、ugb、ugc的空間電壓矢量為ug，相應(yīng)的磁鏈空間矢量為ψg；網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)三相輸入電壓ua,ub,uc的空間電壓矢量為uc，磁鏈空間矢量為ψc。

同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)變換器的等效電路如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)變換器的等效電路

忽略濾波電抗等效電阻R上損耗，導(dǎo)出同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)變換器的電路方程為

(3)

由式(3)的第一行得

(4)

將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量ug時(shí)，且電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時(shí)，則由式(3)可得

(5)

即可得

(6)

式中：ψgd、ψgq——電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶康膁、q分量。

電網(wǎng)輸入網(wǎng)側(cè)變換器的瞬時(shí)復(fù)功率為

(7)

由式(6)、式(7)得

(8)

在功率以電網(wǎng)向逆變器輸出為正的正方向規(guī)定下，式(8)Pg大于零，表示網(wǎng)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收能量；Pg小于零，表示網(wǎng)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)回饋到電網(wǎng)。式(8)中Qg大于零，表示網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功；Qg小于零，表示網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)吸收容性無(wú)功。當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，控制ψcd、ψcq就可獨(dú)立控制網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率Pg和無(wú)功功率Qg。

由式(8)得

(9)

式(9)說(shuō)明，有功功率Pg、無(wú)功功率Qg的變化取決于ψcd、ψcq的變化。

考慮磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的關(guān)系，即

(10)

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中網(wǎng)側(cè)變換器空間電壓矢量uc保持不變，將式(10)離散化可得磁鏈?zhǔn)噶吭隽喀う譪與網(wǎng)側(cè)變換器空間電壓矢量uc的關(guān)系為

Δψc=ucΔt

(11)

式(11)說(shuō)明通過(guò)uc的選用及其作用時(shí)間的調(diào)節(jié)，可以控制磁鏈?zhǔn)噶康淖兓Ｈ绻娋W(wǎng)電壓ug的空間位置已知，則每個(gè)電壓矢量對(duì)磁鏈?zhǔn)噶喀譪的d、q分量ψcd、ψcq作用效果就可決定，繼而可決定出每個(gè)電壓矢量對(duì)有功、無(wú)功功率的影響。

三相兩電平電壓型網(wǎng)側(cè)PWM變換器，共有6個(gè)有效電壓矢量、2個(gè)零電壓矢量。采用圖4所示的電壓矢量標(biāo)識(shí)方法及扇區(qū)劃分方式，根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量ug的空間位置，可確立各電壓矢量對(duì)ψcd、ψcq的影響，即可得到各電壓矢量對(duì)有功、無(wú)功功率的影響，其中第一扇區(qū)各電壓矢量對(duì)功率的作用效果如表1所示。

圖4 電網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)變換器磁鏈空間矢量

u1u1(001)Δψcd<0 ΔPg↑Δψcq<0 ΔQg↓u2(010)Δψcd<0 ΔPg↑Δψcq>0 ΔQg↑u3(011)Δψcd<0ΔPg↑Δψcq>0 ΔQg↑u4(100)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq<0 ΔQg↓u5(101)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq<0 ΔQg↓u6(110)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq>0 ΔQg↑u0(000)/u7(111)Δψcd=0ΔPg=0Δψcq=0ΔQg=0

以網(wǎng)側(cè)變換器電壓矢量u1作用效果為例，第一扇區(qū)里u1對(duì)磁鏈?zhǔn)噶喀譪的d、q分量作用效果Δψcd、Δψcq都小于零，由式(9)可知此時(shí)作用于逆變器的電壓矢量使有功功率增大、無(wú)功功率減小。其他電壓矢量對(duì)有功和無(wú)功功率的作用效果以此類推。同理可得各電壓矢量在其他扇區(qū)對(duì)功率的作用效果。

通過(guò)選擇合適的網(wǎng)側(cè)逆變器電壓矢量，對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行高效動(dòng)態(tài)控制。選擇方法如下： 首先將有功和無(wú)功功率與給定值比較得到功率偏差，再由兩電平滯環(huán)比較器(其原理如圖5所示)產(chǎn)生有功和無(wú)功功率狀態(tài)量SP,SQ。

圖5 滯環(huán)比較器原理圖

圖5中，HP、HQ為有功、無(wú)功功率的滯環(huán)寬度。滯環(huán)寬越小，對(duì)有功和無(wú)功的控制精度越高、響應(yīng)快，但過(guò)小的環(huán)寬會(huì)使開(kāi)關(guān)頻率提高，開(kāi)關(guān)損耗增加。滯環(huán)控制規(guī)律為

(12)

網(wǎng)側(cè)PWM變換器DPC結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)側(cè)PWM變換器DPC結(jié)構(gòu)框圖

圖6中，有功功率的給定由母線電壓環(huán)輸出得到，無(wú)功功率的給定由上位機(jī)直接給定，有功功率和無(wú)功功率偏差輸入滯環(huán)控制器，根據(jù)滯環(huán)控制器的輸出信號(hào)SP、SQ及電網(wǎng)電壓矢量所在扇區(qū)，在開(kāi)關(guān)表中選擇合適的開(kāi)關(guān)信號(hào)Sa、Sb、Sc，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)施控制。

表2 DPC開(kāi)關(guān)表

2 試驗(yàn)分析

搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提出的DPC策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)參數(shù)為額定功率3kW，定子額定電壓380V/50Hz，轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓196V，轉(zhuǎn)子額定電流9.6A，同步轉(zhuǎn)速1500r/min；雙PWM變換器分別采用兩個(gè)由英飛凌XC2785單片機(jī)控制的IPM-PM50RLA120模塊。直流母線電壓200V，網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感10mH，網(wǎng)側(cè)PWM變換器開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。

實(shí)驗(yàn)波形如圖7～圖10所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)波形

圖8 負(fù)載階躍變化時(shí)瞬態(tài)波形

圖9 Pg跟隨性波形

圖10 Qg突變波形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)三相并網(wǎng)逆變器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用一種簡(jiǎn)單的方法推導(dǎo)和分析了各網(wǎng)側(cè)變換器電壓矢量對(duì)有功功率變化和無(wú)功功率變化的影響,詳細(xì)闡述開(kāi)關(guān)表的制定原則。通過(guò)試驗(yàn)分析可知： 基于滯環(huán)控制器的DPC策略具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)現(xiàn)直流母線電壓恒定，有功功率、無(wú)功功率的解耦控制及功率因數(shù)可調(diào)。由于該控制策略開(kāi)關(guān)頻率不固定，不利于濾波電感的設(shè)計(jì)，靜態(tài)時(shí)電流諧波含量較大。因此對(duì)開(kāi)關(guān)頻率恒定的DPC策略研究是下階段的重點(diǎn)。

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