小型孤立風力發電系統變流器設計與仿真

姚 鑫 栗文義 燕 博 賀棟棟

（1.內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080；2.內蒙古電力勘察設計院，呼和浩特 010020）

1 引言

風能屬于間歇式能源，小型孤立風力發電所產生的電能具有波動性[1]。采用小型永磁發電機的直驅風力發電系統通過變流環節向用戶輸出合格的電能。傳統的整流與逆變往往采用基于二極管的不可控整流器或SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制的晶閘管三相橋式電路，優點是電路簡單、成本低、控制方法簡易；缺點是諧波含量高、功率因數低、逆變出的電壓波形不平滑和穩定等[2]。為了克服傳統變流方式的缺點，本文對三相電壓型整流器和三電平逆變器采用SVPWM方式進行控制，實現整流輸出直流電壓穩定和逆變輸出三相交流電壓符合用戶要求的目的。

2 三相VSR工作原理[3]

三相PWM電壓型整流器（Voltage source rectifier，簡稱VSR）電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 三相VSR拓撲結構

根據圖1所示的拓撲結構，三相靜止坐標系下的數學模型為[4]

式中，Usn（n=a，b，c）為電源電壓；in（n=a，b，c）為電源側電流；Sn為開關函數，它有兩種狀態1和0，1表示某一相的上橋臂導通，0表示某一相的下橋臂導通。對式（1）進行坐標變換，從三相靜止坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系下[5]

3 SVPWM原理[6]

SVPWM控制通常要經過扇區判斷與選擇、扇區內矢量作用時間判定和開關作用時間計算三個環節。

3.1 扇區判斷

由于采用三相橋式電路，將空間分為六個扇區。將兩相 d -q坐標系變換到α-β坐標系后，得到電壓Uα和Uβ，二者合成得到矢量Uout，它與每一相的相電壓的關系為

Ur1＞0，則 A=1；Ur2＞0，則 B=1；Ur3＞0，則C=1；不符合上述情況的，皆取零。

定義S=A+2×B+ 4×C，通過查表可得參考電壓矢量Uout所在扇區。

表1 S與扇區的關系

3.2 扇區內的矢量作用時間判斷

設Ts為一個觸發周期，Tk、Tk+1、T0分別為電壓矢量在一個周期內的作用時間。根據空間矢量等效原則，得到每個扇區兩個非零矢量和零矢量作用時間分別為

通過計算得到6個扇區的作用時間如表2所示。

表2 不同扇區的作用時間

3.3 開關作用時間計算

在不同的扇區，根據T1、T2和開關切換規律，開關作用時間為

根據公式(7)，開關作用時間To1、To2、To3取值如表3所示。以三角波為載波，To1、To2、To3為調制波，可獲得SVPWM的觸發脈沖。

表3 開關作用時間取值

4 變流器仿真分析

小型孤立風力發電系統如圖2所示。

圖2 小型孤立風力發電系統圖

把風力發電系統變流器分為整流器和逆變器兩部分進行仿真。小型孤立風力發電系統的容量一般為幾個到幾十個千瓦, 電壓等級為 690V，頻率50Hz，交流側電阻為0.1Ω，電感0.01H，直流側電阻50Ω，電容0.003F。

4.1 整流器仿真

（1）整流器仿真模型的構建[7]

風力發電用整流器的控制重點是輸出直流電壓。本文使用Matlab2009a版本，利用powersystem庫構建三相VSR整流器的仿真模型，仿真框圖如圖3所示。

采用三相電壓源模擬風力發電的特性。控制器實現坐標變換，將三相靜止坐標系下的電壓和電流分量轉化成 d,q旋轉坐標系下的直流分量，再通過比利積分控制器對采集到的直流量進行控制。SVPWM 觸發信號的生成原理如前面所述，其內部各個模塊均實現了上述的分析要求。

圖3 整流器系統仿真框圖

（2）直流電壓與電流分析

系統運行時輸出的直流電壓和電流的波形如圖4所示。

圖4 直流電壓Vdc和電流Idc的波形

在系統開始運行時，電壓上升，最大值為1.02 kV。直流側電壓在0.07秒后進入穩定狀態，幅值為1kV，超調量消除。直流電流穩定在20 A。SVPWM控制的整流器對直流電壓和電流有著良好的穩定作用，電壓和電流的紋波幅度較低，整流器可以起到隔離發電機側產生的頻率波動和諧波的作用。

（3）發電機側電壓跳變對直流側電壓電流的影響

實際的小型孤立風力發電系統中，風機的輸出功率容易受到風速的影響，當風速增大時，輸出電壓增大，反之則降低。在發電機沒有采用合適控制器的情況下，這種影響明顯的體現在整流器輸出的直流電壓上。基于SVPWM控制的三相VSR整流器相比于其他控制方式具有迅速穩定電壓波動的性能。

發電機側輸出的相電壓峰值在 0.2s時由 975V跳變到1170V，在0.6s時又恢復到975V。其波形如圖5和圖6所示。

圖5 發電機側輸出電壓波動情況

在發電機電壓跳變后，整流器輸出的直流電壓和電流波形如圖5所示。

圖6 直流側電壓變化情況

直流側輸出電壓在0.2s后開始上升，最大幅值為1200V，直流電流最大值為24A，在0.45s后電壓和電流的超調量趨向于 0，電壓穩定在 1100V，電流穩定在22A。在0.6s后直流電壓下降，電壓最小值為960V，電流最小值為19.2A，之后逐漸上升，到0.7s之后恢復到1000V。雖然直流電壓可以實現快速穩定，但在實際的風電系統中，應當對發電機輸出電壓加以控制，防止出現電壓大幅度突變。仿真結果表明，基于SVPWM控制的三相電壓型整流器具有良好的直流電流的輸出特性。

4.2 逆變器仿真

（1）三電平逆變器仿真模型

風力發電用逆變器的作用是將直流電變換為滿足用戶要求的交流電。三電平逆變器將1kV的直流電逆變成有效值為380V，頻率為50Hz的交流電。逆變系統結構如圖7所示。

圖7 三電平SVPWM逆變器

（2）負荷側電壓仿真波形分析

仿真時長為0.06s，輸出濾波電感為15mH，負載有功功率為10kW。負載上的三相電壓波形的峰值為540V，符合負載需求。波形如圖8所示。

圖8 交流負載電壓波形

逆變電壓峰值為 540V，頻率為 50Hz，波形符合供電要求。

5 結論

本文根據小型孤立發電系統的特點，設計了基于SVPWM控制的變流器仿真模型，分別對整流器和逆變器進行了仿真分析。仿真結果表明，整流器輸出的直流電壓穩定，逆變出的三相交流電壓和頻率符合要求。本文所設計的變流器可以應用于電壓等級為 690V，頻率為 50Hz，功率為幾個到十幾個千瓦的小型孤立風力發電系統中，該系統能向用戶提供合格電能。

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[5]唐躍進,石晶,任麗.超導磁儲能系統(SMES)及其在電力系統中的應用[M].北京：中國電力出版社,2009.

[6]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京:機械工業出版社,2006.

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