雙饋風力發(fā)電機的空間矢量脈寬調制研究

陳文雯,劉友寬,譚向宇,孫建平

(1.華北電力大學自動化系,河北 保定 071000；2.華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司電力科學研究院,昆明 650217)

雙饋風力發(fā)電機的空間矢量脈寬調制研究

陳文雯1,2,劉友寬3,譚向宇3,孫建平1

(1.華北電力大學自動化系,河北 保定 071000；
2.華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司電力科學研究院,昆明 650217)

空間矢量脈寬調制與傳統(tǒng)的正弦脈寬調制相比,可以使得逆變器輸出電壓的諧波顯著減小,同時提高電壓利用率,更容易進行數(shù)字化實現(xiàn)。為了簡化控制原理,優(yōu)化控制效果,提出了一種在復平面中利用開關矢量與電壓的關系來控制關斷的方法,搭建了能夠調制并網(wǎng)雙饋風機的空間矢量脈寬調制仿真模型,并在k仿真平臺中進行仿真,仿真結果證實了算法的有效性。

空間矢量脈寬調制；雙饋風機；MATLAB/Simulink仿真

0 前言

空間矢量脈寬調制 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation),是一種控制三相交流電機電壓源逆變器的開關觸發(fā)調制方法。實踐證明, SVPWM比常規(guī)的SPWM技術優(yōu)化諧波效果更好,同時可提高電壓利用率,更適合應用于數(shù)字化控制系統(tǒng)中。在以往的SVPWM研究中,少有文獻將優(yōu)化后的SVPWM技術應用于并網(wǎng)雙饋風機的調制中[1-2]。

本文在闡述SVPWM原理的基礎上,介紹了一種不同于傳統(tǒng)的將矢量分解后依據(jù)等效關系求取各矢量的作用時間的方法,而是用在復平面中開關矢量與電壓的關系來控制關斷,并在MATLAB/Simulink中搭建SVPWM模型,對并網(wǎng)的雙饋風機進行脈寬調制仿真[3-5]。

1 SVPWM的原理與實現(xiàn)[6-8]

對稱電壓三相正弦相電壓的瞬時值向量圖見圖1。在這個復平面上,合成的電壓空間矢量為：

其中,ua、ub、uc三相相電壓,Um為相電壓的幅值,ω=2πf為相電壓的角頻率。

圖1 電壓空間矢量圖

由三相電壓型逆變器的原理可知,共有8種不同的開關組合,可以得到8個基本電壓空間矢量,各矢量為：

其相電壓 Van、Vbn、Vcn,線電壓 Vab、 Vbc、Vca及(abc)的值如表1所示 (其中Udc為直流母線電壓)。

表1 開關組態(tài)與電壓關系表

在復平面扇區(qū)映射圖見圖2。

圖2 電壓空間矢量示意圖

根據(jù)SVPWM平均值等效原理,以扇區(qū)I為例,可得式 (4)、 (5)、 (6),空間矢量合成示意圖如圖3所示。

式中,TPWM為一個開關周期,T1、T2、T0分別為和零矢量和的作用時間,θ為合成矢量與主矢量的夾角。

圖3 電壓空間矢量合成示意圖

要合成所需的電壓空間矢量,需要計算T1, T2,T0,由圖3可以得到：

1.1 判斷電壓空間矢量Uout所在的扇區(qū)

為了能夠確定一個開關周期所使用的基本電壓空間矢量,用Uα和Uβ表示參考電壓矢量Uout在α、β軸上的分量, 定義 Uref1,Uref2,Uref3三個變量,令：

再定義三個變量A、B、C,通過分析可以得到如下結論：

如果Uref1＞0,則A=1,否則A=0；

如果Uref2＞0,則B=1,否則B=0；

如果Uref3＞0,則C=1,否則C=0。

令N=4?C+2?B+A,則可以得到N與扇區(qū)判別的對應關系,通過下表2得出Uout所在的扇區(qū)。

表2 N與扇區(qū)的對應關系

1.2 各扇區(qū)相鄰非零矢量和零矢量作用時間

由圖3可以得出：

則上式可以得出：

同理,能夠得出其余扇區(qū)各個矢量的作用時間。令：

能夠得到各個扇區(qū)T1、T2、T0的作用時間,如下表3所示。

表3 各扇區(qū)T1、T2、T0作用的時間

如若 T1+T2＞TPWM,必須進行過調制處理。令：

1.3 確定各扇區(qū)矢量切換點

電壓開關切換時間切換點 Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3與各扇區(qū)的關系如表4所示。

表4 各扇區(qū)時間切換點Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3

為了限制開關頻率,減少開關損耗,必須合理選擇零矢量,使變流器開關狀態(tài)每次只變化一次。假設零矢量000和零矢量111在一個開關周期中作用時間相同,生成的是對稱PWM波形,再把每個基本空間電壓矢量作用時間一分為二。例如圖2所示的扇區(qū)I,逆變器開關狀態(tài)編碼序列為000,100,110, 111,110,100,000,將三角波周期TPWM作為定時周期,與切換點Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3比較,從而調制出SVPWM波,其輸出波形如圖4所示。同理,可以得到其它扇區(qū)的波形圖。

圖4 扇區(qū)I內三相PWM調制方式

2 SVPWM建模與仿真[9-10]

2.1 建模

空間矢量脈寬調制 (SVPWM)的整體框圖如圖5所示。圈出來的分別為并網(wǎng)雙饋風機網(wǎng)側、轉子側的變流器及相應的SVPWM的模型。其中仿真參數(shù)設置如下：Udc=1 100 V,TPWM=0.000 2 s。圖6為SVPWM仿真模型圖。圖7-圖10分別給出了扇區(qū)判斷、中間變量XYZ計算、t1、t2計算、電壓開關時間切換圖計算仿真模型圖,圖12～16為相應的仿真波形圖。

圖5 雙饋風機SVPWM仿真模型圖

圖6 SVPWM仿真模型圖

圖7 扇區(qū)N判斷

圖8 中間變量XYZ

圖9 t1和t2計算

圖10 計算切換時間tcm1 tcm2 tcm3

2.2 仿真

從圖11中可以看到,扇區(qū)N值3、2、6、4、5、1交替更換；從圖13電壓時間開關切換波形可知,由SVPWM算法和獲得的調制波中,諧波分量被有效抑制,調制波呈馬鞍形,提高了直流電壓利用率；由圖15看出,得到的相電壓呈階梯波狀正負等幅變化,即SVPWM調制方法可以實現(xiàn)對逆變器的良好控制；從圖16可以看出,該方法對連接網(wǎng)側、轉子側變流器的直流母線的電流、電壓有很好的控制效果,使變流器工作在整流或是逆變的狀態(tài),同時保持了直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖11 N區(qū)判斷仿真波形

圖12 t1 t2計算仿真波形圖

圖13 電壓開關時間Tcm1、Tcm2、Tcm3切換仿真波形圖

圖14 A相線電壓仿真波形

圖15 A相相電壓仿真波形

圖16 直流母線電流、電壓仿真波形

3 結束語

本文介紹了使用SVPWM進行脈寬調制的優(yōu)點,闡述了SVPWM的調制原理,在此基礎上,提出了一種用在復平面中開關矢量與電壓的關系來控制變流案件器IGBT原件關斷的方法,搭建了能夠調制并網(wǎng)雙饋風機的SVPWM仿真模型,并在MATLAB/Simulink仿真平臺中進行仿真。仿真結果表明,此方法可以很好的實現(xiàn)對并網(wǎng)雙饋風機變流器的控制,有效地抑制了諧波,提高了直流電壓利用率,保證了網(wǎng)側、轉子側變流器的正常運行。

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劉友寬 (1973),男,所長、教授級高級工程師,云南電網(wǎng)公司電力科學研究院,研究領域為新能源、智能電網(wǎng)。

譚向宇 (1981),男,云南電網(wǎng)公司電力科學研究院,博士后,研究領域為電力系統(tǒng)及其自動化。

Research and Simulation of Doubly-fed Wind Turbine Space Vector Pulse Width Modulation

CHEN Wenwen1,2,LIU Youkuan3,TAN Xiangyu3,SUN Jianping1
(1.Department of Automation,North China Electric Power University,Baoding,Heibei 071000,China；2.North China Electric Power University Graduate Student Workstations, Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217,China；3.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China)

Compared with conventional sinusoidal pulse width modulation(SPWM),SVPWM can reduce the inverter output voltage harmonic,raise the utilization ratio of voltage and is easier to digital implementation.Traditional SVPWM method is based on the equivalence principle to obtain the proper duration,of which the calculate is tedious and the engineering application is difficult.In order to simplify the control principle,optimal the control effect,the article puts forward a method of using the relationship between switch vector and the voltage in the complex plane to control the shut off,and builds the SVPWM simulation model which can modulate grid doubly-fed wind turbine,and then simulation in Matlab/Simulink platform.The simulation results confirm the validity of the algorithm.

space vector pulse width modulation；doubly-fed wind turbine；MATLAB/Simulink simulation

表4 不同安裝方式對低頻振蕩的影響

TM46

B

1006-7345(2015)01-0033-04

2014-08-11

陳文雯 (1989),女,碩士研究生,華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站,研究領域為新能源、電力系統(tǒng)及其自動化、控制工程 (email)961689821＠qq.com。