風(fēng)電并網(wǎng)逆變器應(yīng)用【回路電阻測試儀】有無功功率解耦控制的矢量控制策略

為了滿足日益增長的電力需求，作為一種新的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電贏得了非常重要的發(fā)展機(jī)遇[1]。三相電壓源逆變器（VoltageSourceInverter，VSI）通常被用來風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)。根據(jù)IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[2]，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不能調(diào)節(jié)耦合點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC）的電壓，因此并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量主要取決于輸出電流的質(zhì)量。為了能夠給電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能，并網(wǎng)逆變器的電流控制發(fā)揮了重要的作用[3][4]。
　　
　　用于三相PWM逆變器的電流控制策略已很多報道[5-9]。電流控制策略都有著相同的結(jié)構(gòu)，包括一個電流反饋的內(nèi)環(huán)。其主要實(shí)現(xiàn)兩個基本的目的:電流誤差補(bǔ)償和脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）。在以前的電流控制策略中，基于電壓空間矢量調(diào)制（SpacevoltageModulation，SVM）的電流控制器被廣泛應(yīng)用于三相逆變器中。本質(zhì)上，基于SVM的電流控制器是一種線性的控制策略，并且能夠有效的分離電流誤差補(bǔ)償和PWM部分。而且SVM還有很多的優(yōu)點(diǎn)，如確定的開關(guān)頻率、*的電壓電流諧波畸變率（TotalHarmonicDistortion，THD）、優(yōu)良的直流電壓利用率等[10]。但是，基于SVM的PWM控制器是一種電壓型的控制器，并且是一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，因此對于電網(wǎng)電壓的波動以及為了滿足變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)zui大功率點(diǎn)跟蹤[11]（MaximumPowerPointTracking，MPPT）的要求而設(shè)定并網(wǎng)電流參考，基于SVM的控制器無法滿足這些風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的要求。此外，為了對電力系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，大功率的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須能夠滿足對系統(tǒng)有功功率和無功功率的獨(dú)立解耦控制，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于SVPWM的控制策略并且能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的諧波進(jìn)行補(bǔ)償控制，文獻(xiàn)[13]在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上提出了預(yù)測型的算法。運(yùn)用離散化、數(shù)字化的方法對電壓和電流實(shí)行預(yù)測型控制。但是這兩種方法本質(zhì)都是一致的，都是矢量控制的一種改進(jìn)，都并沒有對并網(wǎng)電網(wǎng)電感的電壓信號進(jìn)行有效的補(bǔ)償，因此該控制器在系統(tǒng)參數(shù)變化時的魯棒性很差。文獻(xiàn)[14]提出的矢量控制方案雖然將直流側(cè)母線電壓的波動進(jìn)行了考慮，使其不會對并網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，但是由于直流電壓的加入，使控制無功電流的自由度消失，因此也就無法對系統(tǒng)的有無功電流分別控制。
　　
　　本文在分析風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的矢量控制策略。它主要由兩個雙環(huán)控制模型構(gòu)成，分別都是電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，然后在電壓內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上加入對并網(wǎng)電感電壓信號的補(bǔ)償環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)不僅可以改善并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量，而且在系統(tǒng)給定參數(shù)發(fā)生改變的情況下，仍然可以使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，此外，該結(jié)構(gòu)還能有效補(bǔ)償直流側(cè)母線電壓的脈動對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。

    2　系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

                          圖1  三相并網(wǎng)逆變器的主電路

用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的三相并網(wǎng)逆變器如圖1所示。它是由三相PWM逆變器經(jīng)過并網(wǎng)電感濾波后并到電網(wǎng)。

在靜止的三相A-B-C參考坐標(biāo)系中，三相PWM并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型描述如下[12][13]:

 （1）
 

整理后得:

 （2）
 

其中[νA νB νC]T是三相并網(wǎng)逆變器的輸出電壓矢量，[iA iB iC]T是逆變器的輸出電流即并網(wǎng)電流矢量，而[νgA νgB νgC]T是電網(wǎng)電壓矢量，L是每相電路中的并網(wǎng)電感。并網(wǎng)電感中的電阻和導(dǎo)線中的電阻忽略不計。

為了實(shí)現(xiàn)有功無功電流的有效解耦，將靜止三相A-B-C參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的d-q同步坐標(biāo)系中。這樣狀態(tài)空間內(nèi)的狀態(tài)方程可表示為:

 （3）
 

在旋轉(zhuǎn)的d-q同步坐標(biāo)系中，三相并網(wǎng)PWM逆變器中有功功率和無功功率可以表示為:

 （4）
 

在旋轉(zhuǎn)的d-q同步坐標(biāo)系中，三相并網(wǎng)PWM逆變器中有功功率和無功功率可以表示為:

 （5）
 

在理想的狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓是嚴(yán)格的正弦波即沒有任何諧波，因此在旋轉(zhuǎn)的d-q同步坐標(biāo)系下，電網(wǎng)電壓矢量變?yōu)?

 （6）
 

其中V是電網(wǎng)相電壓的峰值。

但是在實(shí)際的過程中，電網(wǎng)電壓總是有諧波污染的，因此不可能是嚴(yán)格的正弦波，故電網(wǎng)電壓νgd和νgq總是有一定的脈動的，其幅值和頻率與電網(wǎng)電壓的諧波含量有關(guān)。但是在穩(wěn)定的狀態(tài)下，νgd的平均值仍然等于0。因此在穩(wěn)態(tài)下，逆變器輸出的有功功率和無功功率，可以表示為:

 （7）
 

從式（7）中可得出:在穩(wěn)態(tài)下，逆變器的有功功率和無功功率分別取決于旋轉(zhuǎn)d-q同步坐標(biāo)系下的電流iq和 id，因此電流iq和id可分別稱之為有功電流和無功電流。這樣旋轉(zhuǎn)d-q同步坐標(biāo)系下，只要能夠有效的獨(dú)立的控制逆變器的有功電流iq和無功電流id，逆變器輸出的有功功率和無功功率就可以*實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的解耦控制。

3　矢量控制系統(tǒng)模型

將式（3）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)方程整理可得:

 （8）
 

式（8）就是矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。從式中可以看出:只要能夠有效的、實(shí)時的檢測電網(wǎng)電壓的波動，有效的設(shè)定有功電流iq和無功電流id的參考值，并且能夠很好的補(bǔ)償并網(wǎng)電感電壓信號，那么就可以通過將檢測電網(wǎng)電壓作為反饋信號補(bǔ)償PWM的調(diào)制波信號，將檢測并網(wǎng)電流信號作為反饋信號來補(bǔ)償并網(wǎng)電感電壓信號，本文的改進(jìn)之處就在于此。然后將電流反饋與給定電流的誤差通過前饋的PI環(huán)節(jié)來補(bǔ)償并網(wǎng)電感電壓信號的微小波動。

　　本文提出的矢量控制系統(tǒng)方案如圖2所示。該控制系統(tǒng)主要通過有功電流iq和無功電流id的解耦來實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦的。
　　
　　
　　
　　                                   圖2矢量控制框圖
　　
　　
　　
　　
　　如圖2所示，兩個解耦的id、iq直流分量構(gòu)成兩個雙環(huán)控制模型，分別都是電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。電流信號id、iq與給定參考電流信號i*d、i*q的誤差信號通過兩個PI調(diào)節(jié)器形成并網(wǎng)電感電壓微小波動的補(bǔ)償信號。而后兩個解耦的電網(wǎng)電壓檢測信號νgd、νgq在疊加了并網(wǎng)電感電壓微小波動的補(bǔ)償信號和并網(wǎng)電感電壓信號一起經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后生成逆變器的輸出電壓的參考信號i*d、i*q。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系到靜止三相A-B-C坐標(biāo)系的變換后，參考信號νd、νq形成逆變器的調(diào)制信號ν*a、ν*b、ν*c。PWM信號的生成環(huán)節(jié)可以采用基于電壓空間矢量（SVM）的調(diào)制策略，也可以采用基于三次諧波注入法的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），因?yàn)檫@兩種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)都是[15]:①有著確定的開光頻率;②很低的電壓電流諧波畸變率THD;③很高的直流電壓利用率等。本文采用的是基于三次諧波注入法的正弦波脈寬調(diào)制方案。
　　
　　必須指出的是PWM生成環(huán)節(jié)通過檢測直流側(cè)母線電壓Vdc，然后對調(diào)制波信號進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)來補(bǔ)償母線電壓Vdc的波動對逆變器輸出電壓的影響。給定的電流參考信號i*d、i*q由上位機(jī)來提供，主要用來實(shí)現(xiàn)有無功功率的獨(dú)立控制，或者為了滿足變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)zui大功率點(diǎn)跟蹤MPPT的要求。
　　
　　4  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究
　　
　　為了驗(yàn)證本文所提出的矢量控制系統(tǒng)的性能，采用電力電子仿真軟件包PSIM6.0對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了計算機(jī)仿真。以圖2的模型為基礎(chǔ)搭建對應(yīng)仿真電路。
　　
　　根據(jù)本課題組所研究的國家“十一五”科技支撐計劃“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”項目的要求，設(shè)定如下的仿真參數(shù):
在0.4s時，給定并網(wǎng)電流從i*q=590A階躍到i*q=1180A;然后在0.8s時，并網(wǎng)電流從i*q=1180A階躍回i*q=590A，通過這種階躍響應(yīng)來驗(yàn)證系統(tǒng)的動態(tài)性能。相應(yīng)的仿真波形如圖3到圖9。圖3是給定并網(wǎng)電流i*q=1180A時的電網(wǎng)電壓和三相并網(wǎng)電流波形;圖4是對應(yīng)的并網(wǎng)電流諧波畸變率THD;圖5是整個風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)波形;圖6是并網(wǎng)系統(tǒng)的電流階躍響應(yīng);圖7是給定電流從590A階躍到1180A時并網(wǎng)電流的動態(tài)響應(yīng)，而圖8是給定電流從1180A階躍到590A時的并網(wǎng)電流動態(tài)響應(yīng)。圖9是在階躍的過程中逆變器輸出功率的變化。

  
                                圖3電網(wǎng)電壓和三相并網(wǎng)電流波形 

 
                                圖4并網(wǎng)電流的諧波畸變率THD 

                                圖5并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)

  
                                圖6并網(wǎng)系統(tǒng)的電流階躍響應(yīng) 

 
                               圖7并網(wǎng)電流的動態(tài)響應(yīng)波形  
                               （給定電流從590A階躍到1180A） 

 
                               圖8并網(wǎng)電流的動態(tài)響應(yīng)波形  
                               （給定電流從1180A階躍到590A） 

                               圖9并網(wǎng)電流動態(tài)響應(yīng)的功率變化 

     從上面的仿真結(jié)果可看出，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓基本上是同相位的，這從圖5中功率因數(shù)近似等于1的結(jié)果中也可證明這一點(diǎn);并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量很高，諧波畸變率THD＝0.88％，*風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)要求。從并網(wǎng)電流的階躍響應(yīng)中，可看出逆變器輸出的電流完夠跟隨給定電流的階躍，并且響應(yīng)的時間也非常短，從圖7、圖8中可知階躍的響應(yīng)時間都小于半個周期即小于0.01s。在階躍的過程中逆變器的輸出功率也隨著變化從0.5MW階躍到1MW，然后再到0.5MW。 
因此仿真的結(jié)果證明:本文提出的矢量控制策略具有很高的系統(tǒng)性能，完夠滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各種技術(shù)性能指標(biāo)的要求。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證和考核將在隨后的研究中進(jìn)行。 
     5  結(jié)束語 
     本文在對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的矢量控制策略。它主要由兩個雙環(huán)控制模型構(gòu)成，分別都是電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。通過實(shí)時檢測并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波動，有效的設(shè)定有功電流和無功電流的參考值，并且能夠很好的補(bǔ)償并網(wǎng)電感電壓信號，那么就可以有效的補(bǔ)償PWM的調(diào)制波信號。本文提出的這種結(jié)構(gòu)不僅可以改善并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量，而且在系統(tǒng)給定參數(shù)發(fā)生變化的情況下，仍然可使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，此外，該結(jié)構(gòu)還能有效補(bǔ)償直流側(cè)母線電壓的脈動對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。 
 

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