基于矢量解耦逆變器控制電路的設計與研究

摘 要： 風力發電具有廣闊的前景，逆變環節是風力發電最主要的環節之一。對于相位幅值逆變控制電路為電壓單環結構，響應速度慢；且網側存在直流電流偏移量，瞬態時，輸入電壓濾波器會出現振蕩且負載電流會發生畸變的問題。在此采用電壓、電流雙閉環矢量控制策略，設計出矢量解耦的逆變器控制電路。仿真結果表明：電壓與電流周期、頻率相同，相位差為90°；電流瞬態響應時間為0.005 s左右；三相并網電壓的周期0.02 s，頻率50 Hz，完全滿足并網要求。

關鍵詞： 風力發電； PWM變換器； 矢量控制； 電路設計

中圖分類號： TN710?34； TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0123?03

Abstract： Wind power generation has a broad prospect. The inversion step is one of the most important steps of wind power generation. The inverter circuit controlling the phase and amplitude adopts the voltage single?loop structure， whose response speed is slow. Since the network side exists the DC offset， the filter of input voltage may appear the oscillation and load current may occur distortion during the transient. The vector control strategy for two loops of voltage and current is adopted to design the inverter control circuit based on vector decoupling. The simulation results show that the frequency and period of the voltage and current are the same， and their phase difference is 90°. The current transient response time is about 0.005 s. The period of the three?phase grid?connection voltage is 0.02 s， and the frequency is 50 Hz. The circuit can satisfy the grid?connection requirement.

Keywords： wind power generation； PWM converter； vector control； circuit design

0 引 言

不可再生化石能源的消耗與枯竭，尋找新型替代能源以推動經濟持續發展。風電作為一種可再生的清潔能源受到重視。國家發改委2003年明確提出風電規劃目標：到2020年全國風電裝機容量要達2 000萬kW，以推動風電商業化發展；2005—2010年間，裝機容量需達到近60萬kW/年；2010—2015年間，裝機容量需達到近120萬kW/年；2015—2020年間，裝機容量[1?2]需達近200萬kW/年，其發展前景廣闊。

逆變環節是風力發電最主要的環節之一。目前主要采用相位幅值逆變控制電路，該電路為電壓單環結構，無電流環，響應速度慢，且網側存在直流電流偏移量，瞬態時，輸入電壓濾波器會出現振蕩且負載電流會發生畸變[3]。本文采用電壓、電流雙閉環矢量控制策略，設計出矢量解耦的逆變器控制電路，在兩相同步旋轉坐標系下對三相逆變器的電流實現靜態解耦，改善有源逆變的動態響應及抗干擾能力，實現穩定可靠的控制。

1 控制原理及數學模型

1.1 原理

矢量控制策略：給定信號分解成兩個互相垂直而且獨立的直流信號iM，iT，然后通過“直?交變換”將iM，iT交換成兩相交流信號iα，iβ ，又經“2/3變換”，得到三相交流的控制信號ia，ib，ic 去控制變流電路[4?6]。對PWM逆變器控制也可以采用矢量控制策略，如圖1所示。

三相交流電流ia，ib，ic經過“3/2變換”、“交?直變換”成為互相垂直且獨立的直流量id，iq，再經過“直?交變換”、“2/3變換”，得到三相交流的控制信號ia，ib，ic，控制PWM逆變器[7]。該控制策略有動態響應快、穩態性能好、限流保護等優點。

1.2 數學模型

對于電壓型逆變器，在三相靜止坐標系abc中假設：

（1） 電網電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢（Ea，Eb，Ec）；

（2） 網側濾波電感L（a，b，c）是線性的；

（3） 主電路的開關視為理想元件，通斷可以用開關函數描述。

在靜止的三相abc參考坐標系中，三相PWM并網逆變器的數學模型為：

[vavbvc=L?diadtdibdtdicdt+vgavgbvgc] （1）

將靜止的三相abc參考坐標系轉換成同步旋轉的dq坐標系以實現有功、無功電流的解耦。三相并網PWM逆變器中有功、無功功率為：

[P=32（vgd?id+vgq?iq）Q=32（vgd?id+vgq?iq）] （2）

理想狀態下，電網電壓是無任何諧波的純正弦波，在同步旋轉的dq坐標系下，電網電壓矢量可以表示為：

[vgd=0vgq=V] （3）

式中，V是電網相電壓的峰值。

實際上，電網電壓總是有諧波污染，不可能是純正弦波，故電網電壓vgd和vgq總有一定的脈動，其幅值和頻率與電網電壓的諧波量有關。但在穩態下，vgd的平均值仍為0。因此在穩態下，逆變器輸出的有功、無功功率如式（4）所示。

[P=32?vgq?iqQ=32?vgd?id] （4）

可見：在穩態下，逆變器的有功、無功功率分別取決于同步旋轉的dq坐標系下的電流iq和id 。如能獨立地控制逆變器的有功、無功電流iq，id，則可實現逆變器輸出的有功、無功功率的獨立解耦控制[8]。

2 電路設計

2.1 逆變主電路

三相PWM逆變器的電路結構如圖2所示。

電路由三個半橋電路組成，開關管VT1～VT6采用全控型電力電子器件，二極管D1～D6為續流二極管，兩者組成IGBT關斷電路。在輸入三相交流電下，當IGBT承受最大正向陽極電壓，而控制極又獲得觸發脈沖時轉入導通狀態[9]。

2.2 檢測控制電路

檢測控制電路如圖3所示。

檢測三相逆變器交流逆變電壓與電流，經“3/2變換”，交?直變換，轉換成相互獨立的直流分量，與給定值比較，經PI調節，調節輸出再經過“2/3變換”成三相交流，控制PWM逆變器產生脈沖。

2.3 脈沖產生電路

脈沖發生電路如圖4所示。

正弦調制波與三角載波相比較，將正弦半波電壓分成N等份，每等份用等面積的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合。

3 仿真測試及分析

3.1 仿真電路搭建

用Matlab搭建的逆變器控制系統仿真圖，見圖5。

仿真系統由設計的逆變主電路、檢測控制電路、脈沖產生電路等組成。

3.2 波形分析

系統參數設置如表1所示。

4 結 論

本文采用電壓、電流雙閉環矢量控制策略，設計出了矢量解耦的逆變器控制電路。其改善有源逆變器的動態響應及抗干擾能力，實現穩定可靠的控制。設計電路經仿真測試，系統穩定性可靠、瞬態響應時間短、抗干擾能力強，電壓、電流波形完全滿足并網要求。

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