永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)PWM變流器的建模與仿真

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司臺(tái)州供電公司 曾誠(chéng)實(shí) 張慧杰

電力電子變流器是風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，電力電子變流器在改善風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)性能方面具備了巨大的發(fā)揮空間。背靠背PWM變流器作為目前主流的三相變流器，由于它在某種程度上能實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與風(fēng)電系統(tǒng)之間的解耦，并能獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率，在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。

本文主要研究了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組背靠背PWM變流器的基本結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了變流器的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)變流器的控制方案。通過(guò)調(diào)節(jié)背靠背變流器的直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率向電網(wǎng)的及時(shí)有效傳輸；通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功電流分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的解耦獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過(guò)在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)模型的正確性和控制策略的有效性。

1 背靠背變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

背靠背變流器與發(fā)電機(jī)側(cè)相連的變流器通常被稱作機(jī)側(cè)變流器；而與電網(wǎng)側(cè)相連的一般稱作網(wǎng)側(cè)變流器。一個(gè)帶電容裝置的直流母線將兩個(gè)變流器連在一起。中間的電容具有電磁隔離作用，保證兩側(cè)的變流器能夠分別控制而不會(huì)出現(xiàn)干擾耦合狀況。

從控制系統(tǒng)的要求來(lái)說(shuō)，變流器應(yīng)具有雙向傳送及四個(gè)象限的控制能力。雙向的意思是功率能夠往任何一邊傳送，它的能量既可以從發(fā)電機(jī)側(cè)往電網(wǎng)側(cè)傳送，又可以從電網(wǎng)側(cè)向發(fā)電機(jī)側(cè)反向傳送。而四象限指變流器能夠運(yùn)行在正負(fù)電阻及純電容和純電感這四個(gè)象限。

圖1 網(wǎng)側(cè)PWM變流器結(jié)構(gòu)圖

2 網(wǎng)側(cè)PWM變流器的數(shù)學(xué)模型

式(3)即為網(wǎng)側(cè)PWM變流器的在abc坐標(biāo)中的數(shù)學(xué)模型，可見(jiàn)在電網(wǎng)電壓給定后，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)函數(shù)就可以調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)的輸出和交流電流的輸入。但是式(3)中的變量都是隨時(shí)間變化的交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以需要將上述方程進(jìn)行坐標(biāo)變換。

將式(3)經(jīng)過(guò)3s / 2s坐標(biāo)變換，再經(jīng)過(guò)2s / 2r坐標(biāo)變換，就可得到變流器在dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如下：

在經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)系變換后，由于電感作用，使得dq兩個(gè)軸的電流之間存在耦合，相互會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在對(duì)網(wǎng)側(cè)的控制器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要通過(guò)解耦實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制id、iq。

3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的主要控制目標(biāo)是保持中間母線的直流電壓穩(wěn)定。在dq坐標(biāo)系下的電流矢量控制策略，是經(jīng)過(guò)矢量坐標(biāo)定向后，利用電流id和iq分 別調(diào)節(jié)母線電壓idc和無(wú)功輸出，同時(shí)通過(guò)前饋控制環(huán)節(jié)使id環(huán)的調(diào)節(jié)速率加快。

控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)

通過(guò)推導(dǎo)，可以得到變流器的有功和無(wú)功功率為：

式中，id、iq分 別為網(wǎng)側(cè)變流器的有功電流分量和無(wú)功電流分量，分別獨(dú)立調(diào)節(jié)id、iq就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制，并且P、Q的正負(fù)體現(xiàn)了變流器不同的功率傳輸特點(diǎn)。

4 仿真模型及結(jié)果分析

在風(fēng)力發(fā)電的變流器控制系統(tǒng)中，變流器的調(diào)制方式具有關(guān)鍵的作用，它的調(diào)制深度與直流電容電壓的利用率直接相關(guān)。目前主流的PWM控制技術(shù)主要有正弦波調(diào)制（SPWM）和空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM），它們主要目標(biāo)是使輸入電流成為正弦量，并且讓系統(tǒng)運(yùn)行于單位功率因數(shù)。SPWM是通過(guò)正弦基波與三角載波的比較，用它們的相交點(diǎn)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，其出發(fā)點(diǎn)就是為了得到更好的正弦波。而SVPWM是根據(jù)空間矢量的切換來(lái)得到圓形磁場(chǎng)，相對(duì)于SPWM方法，不僅能獲得高質(zhì)量的正弦波，還具有提高直流電壓利用率、提高交流電機(jī)性能、減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)上文所推導(dǎo)的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型，結(jié)合SVPWM控制算法，將設(shè)計(jì)的變流器矢量控制策略模型化，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

根據(jù)主電路參數(shù)的選取原則綜合考慮，設(shè)置的仿真參數(shù)如下：

交流側(cè)的相電壓幅值為380V，頻率為60Hz，電網(wǎng)側(cè)的電阻為0.2Ω，電感為2mH，直流電容為1.8uF，中間直流參考電壓為700V。另外將逆變側(cè)變流器看成是一個(gè)電阻和一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)疊加。通過(guò)調(diào)節(jié)反電動(dòng)勢(shì)的大小，可以控制網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)。

圖3 為網(wǎng)側(cè)變流器的整體仿真模型。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型

仿真開(kāi)始時(shí)設(shè)定為正向功率運(yùn)行狀態(tài)，在0.2s時(shí)通過(guò)對(duì)電壓源施加一個(gè)階躍響應(yīng)，使電壓從500V階躍至800V，從而改變功率流向。

根據(jù)仿真結(jié)果，在0.2s突加一個(gè)階躍響應(yīng)后，變流器的電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的調(diào)整后會(huì)較快回到設(shè)定值附近，表明該變流器系統(tǒng)具備良好的魯棒性。在直流電壓的控制中，d軸電流是主要的參與者，這可以從圖4得到。而圖5中，在0.2s之前變流器的電壓和電流同相運(yùn)行，而0.2s狀態(tài)改變后，變流器的電壓與電流相位開(kāi)始相反。從圖6中有功功率的變化曲線也可以看出，當(dāng)0.2s后功率流向改變，從吸收功率變?yōu)榘l(fā)出功率，對(duì)應(yīng)于圖5及圖6的變化。

圖4 id及iq曲線

圖5 A相電壓電流

圖6 變流器輸出功率

結(jié)論：本文針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的背靠背PWM變流器基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。通過(guò)推導(dǎo)變流器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)網(wǎng)側(cè)PWM變流器的控制策略進(jìn)行了研究，利用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制。最后在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和控制策略的有效性。