基于电压定向的网侧变换器控制建模及仿真.pdf

第 卷 年 月 云 南 电 力 技 术 . . . 基于电压定向的网侧变换器控制建模及仿真 李传斌， 梁俊宇， 赵明， 郑飘飘， (. 华北电力大学云南电网公司研究生工作站， 昆明 ； . 云南电网公司电力科学研究院， 昆明 ； . 华北电力大学控制与计算机工程学院， 河北 保定 ) 摘要: 通过建立三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的 双 网侧变换的数学模型。 在电压矢量定向方式 基础之上， 在 / 中对电压、 电流双闭环的控制方式及空间电压矢量脉宽调制方式和锁相环技术进行了模块 搭建并仿真。 仿真结果表明网侧变换器能够快速调节直流侧电压达到稳定， 即能有效的实现整流， 并在交流侧发生幅值 扰动时， 能快速维持在直流侧目标电压不平衡度范围内， 且控制输入电流波形正弦。 关键词: 变速恒频； 网侧变换器； 空间矢量脉宽调制； 电网电压定向； 矢量控制； 软件锁相环 ， ， ， ， (. ， ， ； . ， ， ； . ， ， ， ， ) : ， . ， 、 / . ， ， . : ； ； ； ； ； 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: () 前言 变速恒频 () 双馈异步风力发电机 () 技术是当今风力发电行业的前沿技术， 且风力发电系统中离不开对风力发电机稳定性控 制的研究， 的控制是通过对转子交流励磁用 变换器的控制来实现， 可满足交流励磁要求的变 换器装置主要有两电平电压型双 变换器、 矩阵式变换器、 多电平变换器等， 通过比较: 两 电平电压型双 变换器用作 交流励磁电 源是目前最具优势的技术方案。 网侧变换器是双馈异步风力发电机变换器的 一部分， 网侧变换器连接网侧、 转子侧变换器的 直流母线电容使两变换器实现了解耦， 可以独立 控制而互不干扰， 提高交、 直电能变换的品质和 性能， 在双馈风力发电机的研究中颇为重要。 通 过比较， 选择两电平电压型双 变换器建模 和仿真， 实现双馈风力发电机中的整流， 即完成 网侧变换器的实现。 本文通过建立网侧变换器数学模型， 在电压 矢量定向的基础上， 在 / 中搭建网 侧变换器仿真模型， 验证了本文中网侧变换器仿 真模型能有效的实现整流， 并保持输入电流正弦。 网侧变换器数学模型建立 . 网侧变换器结构 网侧变换器主电路如图 所示， 图中 、 、 分别为三相电网的相电压； 、 、 分别 年第 期云南电力技术第 卷 为三相输入电流； 、 、 分别为交换器交流 侧的三相电压； 为变换器直流侧电压； 为直 流母线电容； 、 ( 、 、 ) 分别为进线 电感和电阻。 转子侧变换器就相当于网侧变换器 的负载。 图 网侧变换器主电路 . 三相静止坐标系下的数学模型 记 、 、 为三相 变换器中各相桥 臂的开关函数， 上桥臂功率元件导通时， (、 、 )， 下桥臂功率元件导通时， 。 通过线电压与各桥臂开关函数 之间的关系 () 转换为相电压关系可得 ()。 ( ) ( ) ( ) () ( ) ( ) ( ) () 根据图 得三相静止坐标系下的数学描述为 ( 、) () . 网侧变换器数学模型 三相电流控制通常在两相同步旋转坐标系中 实现为在同步坐标系中各量稳态时为直流量， 采 用 调节， 可以实现电流的零稳态误差， 电流瞬 态响应也较快。 通过三相静止坐标系与两相同步 速旋转 坐标系之间的变换关系 / / / ( )( ) ( ) ( ) () 由 () 得出同步速 旋转 坐标系中网 侧变换器的数学模型为 ( ) () 式中 、 、 、 分别为电网电压、 输 入电流的 、 轴分量， 当坐标系的 轴定向于电 网电压矢量时， ， ， 为电网电 压幅值。 通过 坐标系下的模型的建立， 可以完成 网侧变换器控制策略的研究； 实现三相 整流器控制器的设计； 能够正确选取整流器 电路参数并进行仿真研究。 . 调制算法 网侧变换器的实现中矢量调制算法的选择影 响着能量流动的损耗和直流电压的利用率。 目前， 使用 的 三 角 载 波 、 、 载 波 相 移 ()、 相移空间矢量调制( )控制算法当中， 由于 技术 和 技术应用于大功率变流器， 系统 实现成本相对较高， 因此， 属 算法效果 较优， 在保证相同的开关频率下， 方 法的开关损耗低和输出电压的谐波分量少。 算法的数字化实现主要分为三个步 骤， 首先， 求出给定空间电压矢量的空间位 置， 即位于哪一个扇区。 然后， 计算出合成给定 空间电压矢量的两个非零矢量占的时间比。 接着 根据占时间比计算出三个比较器的导通时刻， 并 将三个导通时刻的值赋给相应的比较器。 三个桥臂的开关组合可以得到 个电压空间 矢量如表 ， 其中有 个有效非零电压空间矢量 () 及 个零矢量 (和 )。 第 卷基于电压定向的网侧变换器控制建模及仿真 年第 期 表 电压空间矢量 () ， ， ， / / / / / / / / / / / / / / / / / / 可以看出， 变换器三相电压可以用一个模为 / 的矢量来表示。 每一个开关组合均对应一 个空间电压矢量。 该矢量在三个相轴上的投影就 是 ，。 三个开关组合对应的矢量将 的一个周期分为了 个扇区如图 所示。 图 空间矢量分布 图 扇区判断仿真模块 的本质就是在一个 周期内， 用 这 个开关组合所对应的空间矢量去逼近给定的 信号， 算法可以通过三段式均分零矢量 法来实现。 . . 判断参考电压矢量所在的扇区 引入三个变量 ， ， ， 如果 ， 则 ； 否则 ； 如果 ， 则 ； 否则 ； 如果 ， 则 ； 否则 ； 扇区号: ； 其仿真实现如图 所示。 . . 各个有效电压矢量和零矢量的作用时间 为了用上述 个电压矢量是逼近给定的电压 矢量， 必须确定在一个 周期内， 各矢量的 作用时间。 实际应用中有许多不同的 实 现方法， 其中最为常用的是三段式均分零矢量 ， 因 为 在 相 同 的 开 关 频 率 下， 这 种 方法的开关损耗和输出电压的谐波分量 少。 记: / / / () 其对应的仿模块实现如下图 图 中间变量模块 图 矢量作用时间模块 通过推导， 可得到在各扇区内， 参考电压所 对应的有效矢量作用时间， 如表 所示， 注意 相位角落后于 (逆时针为正)。 表 参考电压的矢量作用时间 扇区 年第 期云南电力技术第 卷 如果 时。 则 / ( )， / ( )， ， ， 零电压作用时间为 ， 其仿真模块实现如图 。 . . 比较时间分配 设 ， ， 为三个比较器的时间点， 令 / / / () 其仿真模块实现如图 图 时间分配模块 图 仿真模块 在一个 周期内， 通过比较器与根据预 先时间切换点设计好的三角波进行比对， 确定三 个开关函数的开关时间和取值。 扇区内时间比较点可以通过类似的推导得到， 如下表 所示 表 各个扇区对应的比较器作用时间 比较器 象限 经过对上面 算法的分析， 可得出 仿真总模块如图 。 . 锁相环原理 电压矢量定向需要精确的电网电压频率和相 位作为控制的基准， 而锁相环 () 技术能实 现对电网电压或者定子磁链矢量的准确定向。 在 电力电子变换器领域的应用正经历着由硬件 到软件 的发展阶段， 软件 技术可以克服 硬件 中的鉴相器电压过零检测方式中动态响 应慢和检测精度低的问题， 因此， 本文通过搭 建软件 能实现对电网电压的准确定向。 锁相环处于锁定状态时， 能使输出信号频率 与输入信号频率严格相位差同步。 但电网电压突 然变化时， 输出电压矢量和实际电网电压将出现 差异。 电网电压的相角跳变 可用同步速旋转 坐标系中电网电压 轴分量 来描述， 采 用 调节器对 实现无静差调节即可准确跟踪 电网电压空间矢量， 因此可得检测三相电网电压 频率和相位的软件 原理框图如图 ， 对应的 仿真模块图如图 所示。 图 锁相环原理 图 锁相环仿真模块 网侧变换器的运行控制 整个网侧变换器的控制分为两个环节: 电压 控制外环和电流控制内环。 其系统结构如图 所示。 图 网侧变换器结构 网侧变换双闭环控制， 根据式 ()， 可 以得出基于 轴电网电压定向 、 分量形式的网 侧变换器交流侧电压表达式为 () 第 卷基于电压定向的网侧变换器控制建模及仿真 年第 期 很明显要实现 、 轴电流有效控制， 必须解 除 、 轴电流间耦合关系和消除电网电压扰动的 控制办法。 使用 控制， 因此设计如下电流控 制器: ( ) ( ) ( ) ( ) () 可得网侧交流侧变换器电压参考值 () 直流环节的电压控制器采取类似的控制方式 设计及可得 ( ) ( ) () 根据式 ()() 可以得出基于 轴电压 定向网侧变换器直流环节电压、 电流双闭环控制 框图， 如图 所示 图 基于电压定向的网侧变换器控制框图 图 中通过电流状态反馈来实现两轴电流间 的解耦； 通过电网电压前馈来实现电网电压扰动 的补偿； 通过对负载电流的前馈来实现对负载扰 动的补偿。 直流环节电压、 电流双闭环 控制部分对应 的仿真模块如下图 ， 它是将直流侧参考电压， 与实际给定电压的差值和有功电流无、 功电流与 实际反馈值之间的差值做比例积分， 即 调节， 然后将得到的同步旋转坐标系下的电压值变换为 坐标系下的值， 再送入 模块产生 脉冲驱动信号来驱动三相通用桥功率开关管 的开通和关断。 图 开关信号获取仿真模块 网侧变换器仿真 . 基于 轴电压定向仿真模型 图 总仿真模块 上图 中左侧是完成整流的模块图， 右侧两 个子模块分别是软件 和电压、 电流控制回路 及 调制算法。 . 仿真结果 整流器的矢量控制系统的仿真模型如图 所示， 电网交流输入电压设定为 ， 工频 。 直流侧负载电阻 选取 ， 开关周期 选取 . ， 整流后直流侧电压稳定在 。 交流侧输入电压、 电流波形图如图 ， 其整流输出电压仿真图如 所示。 图 交流侧输入电压、 电流波形 图 整流后的直流侧电压变化波形 从图中看出输入电流正弦， 在交流侧三相电 压在 . 之间发生幅值扰动时， 交流侧三相 年第 期云南电力技术第 卷 电流也发生相应的扰动， 当扰动消失， 三相电流 快速维持在原来的稳定状态。 从直流侧电压变化波形图 可以看出整流效 果: 当交流侧电压在 . 之间发生 阶跃 幅值扰动时， 直流侧的电压保持着稳定在直流电 压不平衡度的范围之内， 并快速恢复平稳， 能够 很好的完成整流。 结束语 本文通过建立双馈异步风力发电机网侧变换 器模型， 以定子电压定向为基础， 在 搭 建了网侧变换器仿真模型并进行仿真； 仿真结果 验证了网侧变换器能够快速有效调节直流侧电压 稳定； 并在交流侧发生幅值扰动时能快速维持在 直流侧的目标电压不平衡度范围内， 即具有良好 的抗扰性能； 且能保证输入电流正弦。 参考文献: 贺益康、 胡家兵 . 并网双馈异步风力发电机运行控制 . 北京: 中国电力出版社， ， ， ， . 邓富金 . 用于双馈风力发电机的双 变换器的设计与 实现 . 上海: 上海交通大学， ， . 伍旭鹏 . 三相电压型 整流器的研究 . 长沙: 湖 南大学电气与信息工程学院， ， . 顾鑫、 惠晶. 风力发电机组控制系统的研究分析 . 华 东电力， . . 杨波 . 双馈异步风力发电系统网侧 变换器的研究 . 西安: 西安理工大学， ， . 肇健 . 基于矢量控制的电压型 整流器的研究与设计 . 沈阳: 东北大学信息科学与工程学院， ， . 刘云召 . 三相电压型 整流器控制及其研究 . 广州: 华南理工大学， ， . ， ， . : . : ， . 赵仁德 . 变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究 . 杭州: 浙江大学， . 收稿日期: 作者简介: 李传斌 ()， 男， 硕士研究生， 华北电力大学控制与计 算机工程学院， 主要研究领域为风力发电机运行控制 () . 。 梁俊宇 ()， 男， 博士后， 云南电网公司电力科学研究 院， 从事风力发电机建模与仿真研究工作 () . 。 赵明 ()， 男， 高级工程师， 云南电网公司电力科学研 究院， 长 期 从