基于虛擬磁鏈的風力發電并網變流器直接功率控制研究

馬 曉娜 ，任 一峰

（中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

0 引言

在可再生能源開發利用的風力發電技術中，一種交流勵磁變速恒頻雙饋發電系統正在得到廣泛應用[1-2]，其發電機的勵磁變頻器應具有良好的輸入、輸出特性，同時還必須有功率雙向流動的能力，因而常采用PWM整流。經過多年發展，三相電壓型PWM整流器的控制方法已經從最初的直接電流控制發展到基于旋轉坐標變換理論的定向控制方法，近些年又研究出了基于虛擬磁鏈的控制方法[3]。引入的虛擬磁鏈無需檢測電網電壓，省去了交流電壓傳感器，同時提高了可靠性。本文對基于虛擬電網磁鏈直接功率控制系統進行了理論分析，并建設基于 MATLAT/Simulink 環境下的仿真模型，對系統進行仿真。

1 基于虛擬磁鏈直接功率控制系統理論分析

1.1 交流電機中磁鏈的概念

交流電機是一個非線性，多變量，強耦合的系統[4]。取三相定轉子軸線如圖1所示，并假設電壓、電流、磁鏈的正方向符合右手螺旋法則，可以取到繞組磁鏈的表達式為：

圖1 交流電機定轉子ABC坐標系統

1.2 虛擬電網磁鏈估算

圖2是PWM整流器的主電路，它與變頻器供電三相交流電機定子電路有著很大的相似性。

圖2 PWM整流器主電路

PWM整流器中的電網電壓相當于交流電機的氣隙磁場在定子繞組中產生的感應電勢，電抗器的電感和電阻分別相當于電機定子繞組的漏感和電阻[5]。因此，可以將PWM整流器看成一臺無限大由變頻器供電、以同步轉速恒速運行的、定子電阻和漏感分別為R和L的同步電機。

設三相電網電壓平衡,忽略進線電抗器和線路的電阻R,則PWM整流器在α-β坐標系下的電壓方程為[6]：

式中：Sa,Sb,Sc是三相橋臂開關函：Sk=0表示相應橋臂下管導通,上管關斷，Sk=1為相應橋臂上管導通 ,下管關斷 ;(k=a,b,c);uα，uβ，iα，iβ分別為三相電網電壓和電流的α,β分量。

用式(2)直接進行電網電壓估計可得到無電壓傳感器控制方法,但由于用到了電流的微分量,在實際控制中易放大噪聲引入干擾，難以實現。

將式(2)的方程兩邊同時積分可得

式中:Ψα,Ψβ分別為虛擬電網磁鏈的α,β分量。令U=uα+juβ,Ψ=Ψα+jΨβ則電網電壓空間矢量U超前于虛擬電網磁鏈矢量Ψ電角度π/2。如圖3所示,虛擬電網磁鏈定向的目的。實際上就是虛擬電網磁鏈矢量的空間位置角θ的觀測。

于是θ角的觀測可以轉化為虛擬磁鏈的α,β分量的觀測問題。

圖3 三相電壓型PWM整流器主電路

1.3 基于虛擬磁鏈的瞬時功率估算

在傳統有電壓傳感器的直接功率控制中，通過電網電壓和電流的計算獲得系統瞬時功率。將虛擬磁鏈的概念引入到直接功率控制后，瞬時功率估算將由電流和虛擬磁鏈計算得出，因此可以省去交流電壓傳感器。

有功功率p和無功功率q的表達式為：

根據式（2），（3），（5）可得電網瞬時供給有功和無功功率分別為：

2 虛擬磁鏈直接功率控制系統的設計和實現

2.1 結構圖

基于虛擬磁鏈的無電壓傳感器直接功率控制系統結構如圖4所示。用三相橋臂的開關函數Sa，Sb，Sc及直流側電壓Vdc，再估算出瞬時有功功率P和無功功率Q，扇形劃分由ψα，ψβ確定ψ的角度由于電網電壓空間矢量U超前于虛擬電網磁鏈矢量ψ電角度π/2，所以由得到電壓U的扇區信號θn，這樣就實現了省去電網電壓傳感器的目的。

圖4 基于虛擬磁鏈的無電壓傳感器矢量控制框圖

2.2 積分初值問題的分析和解決

虛擬電網磁鏈的初始值難以用式(3)直接作積分來估算其值，否則會在估算出的虛擬電網磁鏈中引入與積分初值有關的直流偏置，導致坐標系中的磁鏈軌跡將會是一個以相應的直流偏置為圓心的圓，為了避免純積分帶來的問題，文獻[7]采用慣性環節取代純積分，觀測所得磁鏈雖然在一定程度上解決了上述問題，但觀測結果只是近似值，存在幅值和相位誤差。為此，采用兩個級聯的慣性環節代替純積分環節。

由于正弦信號經過純積分之后相位滯后90。,幅值變為原來的1/ω，因此只有當兩個級聯慣性環節的作用效果與之相同時，才能用來取代純積分。設慣性環節的傳遞函數為:

式中:X(s)為輸入信號;Y(s)為輸出信號;τ為慣性環節的時間常數。

該慣性環節的相位滯后Φ和幅值增益G為:

若采用兩個慣性環節級聯，且其時間常數相同，則級聯后相位滯后Φn=2和幅值增益Gn=2可表示為:

為了得到積分效果，需要滿足:

式中:Gc為對增益進行的補償。

由以上兩式可得級聯型慣性環節的關鍵參數:

可見τ，Gc與角頻率密切相關，但因電網的角頻率基本不變，故采用這種級聯型慣性環節實現虛擬磁鏈觀測，無需實時計算τ和Gc，減少了計算量。

3 仿真結果

根據以上的分析，按著圖4利用MATLAB/Simulink工具箱[8]，建立仿真模型。為了體現系統的控制特點，對其進行了動態仿真，在0.15s的時候突增負載。仿真結果如圖5（a）、（b）、（c）所示。由圖5可知，（a）（b）中相電壓與相電流相位差很小，基本同相位，且具有較快的的動態響應，有功和無功功率脈動較小；在負載突增工況下，電流波形具有較快的動態響應。圖（c）母線電壓穩定在給定值，具有較強的抗負載擾動能力。

圖5 虛擬磁鏈系統仿真波形

4 結論

仿真結果表明:基于虛擬磁鏈的三相PWM整流器DPC系統能與傳統的DPC方法得到相同的效果，且抗干擾能力強，電網輸入電流的崎變較小，具有較好的瞬時功率動、靜態控制特性。并且結構簡單，能有效減少傳感器的數量。

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[3]張崇巍,張興.PWM整流器及其控制[M].北京:機械工業出版社,2003.

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[8]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真［M］.北京:機械工業出版社，2006.