双馈风力发电机的空间矢量脉宽调制研究

陈文雯,刘友宽,谭向宇,孙建平

(1.华北电力大学自动化系,河北 保定 071000；2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；3.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

双馈风力发电机的空间矢量脉宽调制研究

陈文雯1,2,刘友宽3,谭向宇3,孙建平1

(1.华北电力大学自动化系,河北 保定 071000；
2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；3.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

空间矢量脉宽调制与传统的正弦脉宽调制相比,可以使得逆变器输出电压的谐波显著减小,同时提高电压利用率,更容易进行数字化实现。为了简化控制原理,优化控制效果,提出了一种在复平面中利用开关矢量与电压的关系来控制关断的方法,搭建了能够调制并网双馈风机的空间矢量脉宽调制仿真模型,并在k仿真平台中进行仿真,仿真结果证实了算法的有效性。

空间矢量脉宽调制；双馈风机；MATLAB/Simulink仿真

0 前言

空间矢量脉宽调制 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation),是一种控制三相交流电机电压源逆变器的开关触发调制方法。实践证明, SVPWM比常规的SPWM技术优化谐波效果更好,同时可提高电压利用率,更适合应用于数字化控制系统中。在以往的SVPWM研究中,少有文献将优化后的SVPWM技术应用于并网双馈风机的调制中[1-2]。

本文在阐述SVPWM原理的基础上,介绍了一种不同于传统的将矢量分解后依据等效关系求取各矢量的作用时间的方法,而是用在复平面中开关矢量与电压的关系来控制关断,并在MATLAB/Simulink中搭建SVPWM模型,对并网的双馈风机进行脉宽调制仿真[3-5]。

1 SVPWM的原理与实现[6-8]

对称电压三相正弦相电压的瞬时值向量图见图1。在这个复平面上,合成的电压空间矢量为：

其中,ua、ub、uc三相相电压,Um为相电压的幅值,ω=2πf为相电压的角频率。

图1 电压空间矢量图

由三相电压型逆变器的原理可知,共有8种不同的开关组合,可以得到8个基本电压空间矢量,各矢量为：

其相电压 Van、Vbn、Vcn,线电压 Vab、 Vbc、Vca及(abc)的值如表1所示 (其中Udc为直流母线电压)。

表1 开关组态与电压关系表

在复平面扇区映射图见图2。

图2 电压空间矢量示意图

根据SVPWM平均值等效原理,以扇区I为例,可得式 (4)、 (5)、 (6),空间矢量合成示意图如图3所示。

式中,TPWM为一个开关周期,T1、T2、T0分别为和零矢量和的作用时间,θ为合成矢量与主矢量的夹角。

图3 电压空间矢量合成示意图

要合成所需的电压空间矢量,需要计算T1, T2,T0,由图3可以得到：

1.1 判断电压空间矢量Uout所在的扇区

为了能够确定一个开关周期所使用的基本电压空间矢量,用Uα和Uβ表示参考电压矢量Uout在α、β轴上的分量, 定义 Uref1,Uref2,Uref3三个变量,令：

再定义三个变量A、B、C,通过分析可以得到如下结论：

如果Uref1＞0,则A=1,否则A=0；

如果Uref2＞0,则B=1,否则B=0；

如果Uref3＞0,则C=1,否则C=0。

令N=4∗C+2∗B+A,则可以得到N与扇区判别的对应关系,通过下表2得出Uout所在的扇区。

表2 N与扇区的对应关系

1.2 各扇区相邻非零矢量和零矢量作用时间

由图3可以得出：

则上式可以得出：

同理,能够得出其余扇区各个矢量的作用时间。令：

能够得到各个扇区T1、T2、T0的作用时间,如下表3所示。

表3 各扇区T1、T2、T0作用的时间

如若 T1+T2＞TPWM,必须进行过调制处理。令：

1.3 确定各扇区矢量切换点

电压开关切换时间切换点 Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3与各扇区的关系如表4所示。

表4 各扇区时间切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3

为了限制开关频率,减少开关损耗,必须合理选择零矢量,使变流器开关状态每次只变化一次。假设零矢量000和零矢量111在一个开关周期中作用时间相同,生成的是对称PWM波形,再把每个基本空间电压矢量作用时间一分为二。例如图2所示的扇区I,逆变器开关状态编码序列为000,100,110, 111,110,100,000,将三角波周期TPWM作为定时周期,与切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3比较,从而调制出SVPWM波,其输出波形如图4所示。同理,可以得到其它扇区的波形图。

图4 扇区I内三相PWM调制方式

2 SVPWM建模与仿真[9-10]

2.1 建模

空间矢量脉宽调制 (SVPWM)的整体框图如图5所示。圈出来的分别为并网双馈风机网侧、转子侧的变流器及相应的SVPWM的模型。其中仿真参数设置如下：Udc=1 100 V,TPWM=0.000 2 s。图6为SVPWM仿真模型图。图7-图10分别给出了扇区判断、中间变量XYZ计算、t1、t2计算、电压开关时间切换图计算仿真模型图,图12～16为相应的仿真波形图。

图5 双馈风机SVPWM仿真模型图

图6 SVPWM仿真模型图

图7 扇区N判断

图8 中间变量XYZ

图9 t1和t2计算

图10 计算切换时间tcm1 tcm2 tcm3

2.2 仿真

从图11中可以看到,扇区N值3、2、6、4、5、1交替更换；从图13电压时间开关切换波形可知,由SVPWM算法和获得的调制波中,谐波分量被有效抑制,调制波呈马鞍形,提高了直流电压利用率；由图15看出,得到的相电压呈阶梯波状正负等幅变化,即SVPWM调制方法可以实现对逆变器的良好控制；从图16可以看出,该方法对连接网侧、转子侧变流器的直流母线的电流、电压有很好的控制效果,使变流器工作在整流或是逆变的状态,同时保持了直流母线电压的稳定。

图11 N区判断仿真波形

图12 t1 t2计算仿真波形图

图13 电压开关时间Tcm1、Tcm2、Tcm3切换仿真波形图

图14 A相线电压仿真波形

图15 A相相电压仿真波形

图16 直流母线电流、电压仿真波形

3 结束语

本文介绍了使用SVPWM进行脉宽调制的优点,阐述了SVPWM的调制原理,在此基础上,提出了一种用在复平面中开关矢量与电压的关系来控制变流案件器IGBT原件关断的方法,搭建了能够调制并网双馈风机的SVPWM仿真模型,并在MATLAB/Simulink仿真平台中进行仿真。仿真结果表明,此方法可以很好的实现对并网双馈风机变流器的控制,有效地抑制了谐波,提高了直流电压利用率,保证了网侧、转子侧变流器的正常运行。

[1] 黄珊珊.三电平逆变器SVPWM算法的研究及仿真 [J].中国现代教育装备,2009,(6)：45-47.

[2] 高红联.一种SVPWM脉宽调制控制算法的理论探讨 [J] .电气开关,2009,(2)：11-13.

[3] 张毅,许月霞.三电平逆变器SVPWM控制算法及其仿真研究 [J].通信电源技术,2008,25(2)：9-12.

[4] 王归新,严浩,张陆洲,等.SVPWM优化算法研究 [J].电器开关,2013,(5)：16-19.

[5] 陈娜,李杨声,李福瑞,等.永磁同步电机的空间矢量脉宽调制 (SVPWM)原理及仿真研究 [J].科技创新与应用,2013,(30)：40-41.

[6] 李启明.三电平SVPWM算法研究及仿真 [D].合肥工业大学,2007.

[7] 闫大新,于雁南,姜华.SVPWM三相电压型逆变器的仿真研究 [J].系统仿真技术,2012,8(1)：56-61.

[8] 朱学贵,付志红,苏向丰,等.SVPWM控制中的三角恒等式 [J].电气电子教学学报,2012,34(2)：36-38.

[9] 利剑,窦金生.基于SPWM的SVPWM算法 [J].科学技术与工程,2011,11(26)：6314-6318.

[10] 孔维涛,张庆范,张承慧.基于DSP的空间矢量脉宽调制(SVPWM)的实现 [J].山东大学学报 (工学版), 2008,38(3)：81-85.

刘友宽 (1973),男,所长、教授级高级工程师,云南电网公司电力科学研究院,研究领域为新能源、智能电网。

谭向宇 (1981),男,云南电网公司电力科学研究院,博士后,研究领域为电力系统及其自动化。

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 不同安装方式对低频振荡的影响

TM46

B

1006-7345(2015)01-0033-04

2014-08-11

陈文雯 (1989),女,硕士研究生,华北电力大学云南电网公司研究生工作站,研究领域为新能源、电力系统及其自动化、控制工程 (email)961689821＠qq.com。