风电变流器网侧SVPWM变换器的控制研究

胡文胜，赵 宇

(许继风电科技公司，河南许昌 461000)

0 引言

随着风力发电技术的兴起，风电变流器的控制技术成为当今的研究热点。在双馈风力发电系统中，双馈发电机的转差功率在转子与电网之间双向流动，这就要求变流器的网侧变换器，既要能够工作于整流状态，又要能够工作于逆变状态。对网侧变换器的准确控制，是实现双馈风力发电系统变速恒频发电的关键技术之一［1－2］。

目前的电压源型交－直－交变流器，其网侧变换器多采用的是三相电压型PWM整流器。PWM整流器的控制质量主要取决于交流侧的电流波形、功率因数、直流侧电压的稳定性等。随着空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技术、滞环电流PWM控制等脉冲调制技术的发展，现代控制理论、智能控制等技术的引入，PWM整流器的控制性能得到不断提高［3－4］。

这里采用电网电压定向矢量控制技术、空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，对风电变流器网侧变换器的整流与逆变工作模式做了仿真研究。文中搭建了仿真模型，仿真结果表明，采用上述控制策略，网侧SVPWM变换器的响应速度快、稳定性好，可以工作于功率因数接近于1的整流或逆变状态。

1 网侧变换器的电路及数学模型

图1为三相电压型PWM整流器的主电路。稳态工作时，整流器的输出直流电压稳定，三相桥臂由正弦脉宽调制驱动。

图1 三相PWM整流器的主电路

当开关频率很高时，电感的滤波作用使得交流侧电压、电流的谐波非常小。只考虑电压、电流的基波，整流器可以看作是一个理想的三相交流电压源。

通过调节输入电压的幅值、相位，可以控制整流器交流侧输入电流的幅值、电流与电压的相角，使整流器运行于以下三种工作状态。

(1)功率因数接近于1的整流运行。此时，交流侧电流为正弦且与电网电压同相，能量由电网流入整流器，电网与整流器之间几乎无无功功率流动。

(2)功率因数接近于1的逆变运行。此时，交流侧电流为正弦且与电网电压反相，能量由整流器流入电网，电网与整流器之间几乎无无功功率流动。

(3)功率因数不为1的运行状态。此时，交流侧电流与电网电压具有一定的相位关系。当交流侧电流为正弦且与电网电压保持90°的相位关系时，整流器可作为静止无功补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)运行。

设三相电网电压平衡，主电路开关器件为理想开关，通断可以用开关函数表示。根据PWM整流器的拓扑结构，可得

式中，ua、ub、uc为等效三相电网电压;ia、ib、ic为整流器输入三相电流;idc为变流器直流侧输出电流;为整流器直流侧负载电流;iload为整流器输出直流电压;udc为整流器输出直流电压;Sa、Sb、Sc分别为三相桥臂的开关函数，当Si=1时，表示第i相上管导通，当Si=0时，表示第i相下管导通。

2 变换器的电网电压定向矢量控制

在三相三线制系统中，三相电流之和为零，有ia+ib+ic=0;三相电压平衡，有ua+ub+uc=0。将这两个条件带入式(1)中，可得三相电压型PWM整流器在abc坐标系下的数学模型为

对式(2)进行3s/2r(三相静止到两相旋转)坐标变换，可得PWM整流器在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型为

将同步旋转坐标系的d轴定向于电网电压矢量ug的方向上，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴。此时，电网电压的q轴分量为零。为了实现单位功率因数，无功电流分量值设为零。

um为电网电压的幅值，电网电压的d、q分量为

输入电流满足

式中，uds、uqs为整流器交流侧电压的 d、q轴分量，uds=Sdudc，uqs=Squdc。

上式表明d、q轴电流除受控制量uds、uqs的制约外，还受交叉耦合项ω1Lids、ω1Liqs和电网电压的影响。

将式(5)改写为

其中，

上式中u'ds、u'qs与各自的电流分量具有一阶微分关系，可作为解耦项，△uds、△uqs为消除定子电压、电流交叉耦合的补偿项。同时，引入了电网电压um作为前馈补偿，实现d、q轴电流的独立控制，还可以提高系统的动态性能。

网侧变换器的控制框图如图2所示。网侧变换器采用双闭环控制，电压外环主要控制三相PWM整流器的直流侧电压，直流电压指令值与反馈的误差，经PI调节器计算得到有功电流指令值，其值决定了有功功率的大小，符号决定了有功功率的流向。电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，为实现功率因数为1的整流或逆变，无功电流分量设为零=0。整流器交流侧参考电压、经坐标变换后进行SVPWM调制，产生的驱动信号实现网侧变换器的控制［5－6］。

图2 电网侧变换器的控制框图

3 网侧变换器的仿真

3.1 整流状态

交流侧采用相电压为220 V的对称三相电源，频率50 Hz;交流侧电感 L=6 mH，电阻为 R=0.1 Ω;电容C=4 400 μF，电容的初始电压为700 V，直流电压的指令值为700 V;负载电阻RL=50 Ω;无功电流的指令值为0;三角载波的频率为10 kHz，调制比m=1。

PI参数:直流kp1=2.8电压环，ki1=10电流环;kp2=100，ki2=100;kp3=100，ki3=100。

图3 整流状态的仿真模型

仿真结果分析。

(1)直流电压的动态响应

图4 直流电压波形1

由图4可见，初始时刻，电容的电压设为700 V;仿真开始后，直流电压出现波动，在t=0.3 s时刻，直流电压稳定在700 V，稳定后，电压波形较为平滑。

(2)网侧变换器交流侧电压、电流波形

图5 交流侧a相电压电流波形1

图5 为交流侧a相的电压、电流波形。可见，在t=0.1 s之后，电流基本稳定，并且电流与电压的相位基本相同，交流侧的功率因数接近于1。

(3)d、q轴电流分量的波形

图6 有功电流分量的波形

图7 无功电流分量的波形

图6 、7为d、q轴电流分量的波形，d轴电流分量为有功分量，q轴电流分量为无功分量。可见，在t=0.1 s之后，d轴电流分量基本稳定，q轴电流分量接近于零，交流侧的功率因数接近于1。

3.2 逆变状态

网侧变换器的交流侧采用相电压为220 V的对称三相电源，频率为50 Hz;电容侧连接二极管，二极管由电压为1 000 V、频率为50 Hz的交流电源供电，用来模拟发电机。正常工作时，电能由网侧变换器流向网侧负载。

网侧电阻电感参数，L=6 mH，R=0.1 Ω;电容 C=4 400 μF，电容的初始电压为700 V，直流电压的指令值为700 V;二极管侧电阻电感参数，L=6 mH，R=0.1 Ω;无功电流的指令值为0;三角载波的频率为10 kHz，调制比 m=1。

PI参数:直流kp1=2.8电压环，ki1=10电流环;kp2=100，ki2=100;kp3=100;ki3=100。

图8 逆变仿真模块

仿真结果分析。

(1)直流电压的动态响应

图9 直流电压波形2

由图9可见，初始时刻，电容的电压设为700 V;仿真开始后，直流电压出现波动;在t=0.4 s时刻，直流电压基本稳定在700 V上下，波动较小。

(2)网侧变换器交流侧电压、电流波形

图10为交流侧a相的电压、电流波形。可见，在t=0.1 s之后，电流基本稳定，并且电流与电压的相位相反，变流器运行于功率因数接近于1的逆变状态。

图10 交流侧a相的电压、电流波形2

4 结论

SVPWM脉冲调制具有直流电压利用率高、谐波小等优点，是风电变流器广泛采用的调制算法之一。对网侧变换器的仿真，验证了在所提的控制策略下，网侧变换器可运行于功率因数接近于1的整流或逆变状态，且动态响应较好，对电网污染较小。

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