風電變流器網側SVPWM變換器的控制研究

胡文勝，趙 宇

(許繼風電科技公司，河南許昌 461000)

0 引言

隨著風力發電技術的興起，風電變流器的控制技術成為當今的研究熱點。在雙饋風力發電系統中，雙饋發電機的轉差功率在轉子與電網之間雙向流動，這就要求變流器的網側變換器，既要能夠工作于整流狀態，又要能夠工作于逆變狀態。對網側變換器的準確控制，是實現雙饋風力發電系統變速恒頻發電的關鍵技術之一［1－2］。

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

這里采用電網電壓定向矢量控制技術、空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術，對風電變流器網側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，仿真結果表明，采用上述控制策略，網側SVPWM變換器的響應速度快、穩定性好，可以工作于功率因數接近于1的整流或逆變狀態。

1 網側變換器的電路及數學模型

圖1為三相電壓型PWM整流器的主電路。穩態工作時，整流器的輸出直流電壓穩定，三相橋臂由正弦脈寬調制驅動。

圖1 三相PWM整流器的主電路

當開關頻率很高時，電感的濾波作用使得交流側電壓、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理想的三相交流電壓源。

通過調節輸入電壓的幅值、相位，可以控制整流器交流側輸入電流的幅值、電流與電壓的相角，使整流器運行于以下三種工作狀態。

(1)功率因數接近于1的整流運行。此時，交流側電流為正弦且與電網電壓同相，能量由電網流入整流器，電網與整流器之間幾乎無無功功率流動。

(2)功率因數接近于1的逆變運行。此時，交流側電流為正弦且與電網電壓反相，能量由整流器流入電網，電網與整流器之間幾乎無無功功率流動。

(3)功率因數不為1的運行狀態。此時，交流側電流與電網電壓具有一定的相位關系。當交流側電流為正弦且與電網電壓保持90°的相位關系時，整流器可作為靜止無功補償器(static synchronous compensator，STATCOM)運行。

設三相電網電壓平衡，主電路開關器件為理想開關，通斷可以用開關函數表示。根據PWM整流器的拓撲結構，可得

式中，ua、ub、uc為等效三相電網電壓;ia、ib、ic為整流器輸入三相電流;idc為變流器直流側輸出電流;為整流器直流側負載電流;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關函數，當Si=1時，表示第i相上管導通，當Si=0時，表示第i相下管導通。

2 變換器的電網電壓定向矢量控制

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

對式(2)進行3s/2r(三相靜止到兩相旋轉)坐標變換，可得PWM整流器在兩相同步旋轉dq坐標系下的數學模型為

將同步旋轉坐標系的d軸定向于電網電壓矢量ug的方向上，則d軸表示有功分量參考軸，而q軸表示無功分量參考軸。此時，電網電壓的q軸分量為零。為了實現單位功率因數，無功電流分量值設為零。

um為電網電壓的幅值，電網電壓的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ω1Lids、ω1Liqs和電網電壓的影響。

將式(5)改寫為

其中，

上式中u'ds、u'qs與各自的電流分量具有一階微分關系，可作為解耦項，△uds、△uqs為消除定子電壓、電流交叉耦合的補償項。同時，引入了電網電壓um作為前饋補償，實現d、q軸電流的獨立控制，還可以提高系統的動態性能。

網側變換器的控制框圖如圖2所示。網側變換器采用雙閉環控制，電壓外環主要控制三相PWM整流器的直流側電壓，直流電壓指令值與反饋的誤差，經PI調節器計算得到有功電流指令值，其值決定了有功功率的大小，符號決定了有功功率的流向。電流內環按照電壓外環輸出的電流指令進行電流控制，為實現功率因數為1的整流或逆變，無功電流分量設為零=0。整流器交流側參考電壓、經坐標變換后進行SVPWM調制，產生的驅動信號實現網側變換器的控制［5－6］。

圖2 電網側變換器的控制框圖

3 網側變換器的仿真

3.1 整流狀態

交流側采用相電壓為220 V的對稱三相電源，頻率50 Hz;交流側電感 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;負載電阻RL=50 Ω;無功電流的指令值為0;三角載波的頻率為10 kHz，調制比m=1。

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

圖3 整流狀態的仿真模型

仿真結果分析。

(1)直流電壓的動態響應

圖4 直流電壓波形1

由圖4可見，初始時刻，電容的電壓設為700 V;仿真開始后，直流電壓出現波動，在t=0.3 s時刻，直流電壓穩定在700 V，穩定后，電壓波形較為平滑。

(2)網側變換器交流側電壓、電流波形

圖5 交流側a相電壓電流波形1

圖5 為交流側a相的電壓、電流波形。可見，在t=0.1 s之后，電流基本穩定，并且電流與電壓的相位基本相同，交流側的功率因數接近于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軸電流分量為無功分量。可見，在t=0.1 s之后，d軸電流分量基本穩定，q軸電流分量接近于零，交流側的功率因數接近于1。

3.2 逆變狀態

網側變換器的交流側采用相電壓為220 V的對稱三相電源，頻率為50 Hz;電容側連接二極管，二極管由電壓為1 000 V、頻率為50 Hz的交流電源供電，用來模擬發電機。正常工作時，電能由網側變換器流向網側負載。

網側電阻電感參數，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;二極管側電阻電感參數，L=6 mH，R=0.1 Ω;無功電流的指令值為0;三角載波的頻率為10 kHz，調制比 m=1。

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

圖8 逆變仿真模塊

仿真結果分析。

(1)直流電壓的動態響應

圖9 直流電壓波形2

由圖9可見，初始時刻，電容的電壓設為700 V;仿真開始后，直流電壓出現波動;在t=0.4 s時刻，直流電壓基本穩定在700 V上下，波動較小。

(2)網側變換器交流側電壓、電流波形

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

圖10 交流側a相的電壓、電流波形2

4 結論

SVPWM脈沖調制具有直流電壓利用率高、諧波小等優點，是風電變流器廣泛采用的調制算法之一。對網側變換器的仿真，驗證了在所提的控制策略下，網側變換器可運行于功率因數接近于1的整流或逆變狀態，且動態響應較好，對電網污染較小。

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