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

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；2.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；3.华北电力大学控制与计算机工程学院,河北 保定 071003)

基于电压定向的网侧变换器控制建模及仿真

李传斌1,3,梁俊宇2,赵明2,郑飘飘1,3

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；2.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；3.华北电力大学控制与计算机工程学院,河北 保定 071003)

通过建立三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的DFIG双PWM网侧变换的数学模型。在电压矢量定向方式基础之上,在Matlab/Simulink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。

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

0 前言

变速恒频 (VSCF)双馈异步风力发电机(DFIG)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,DFIG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PWM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PWM变换器用作DFIG交流励磁电源是目前最具优势的技术方案[1]。

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PWM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Matlab/Simulink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。

1 网侧变换器数学模型建立

1.1 网侧变换器结构[1]

网侧变换器主电路如图1所示,图中Ua、Ub、Uc分别为三相电网的相电压；Ia、Ib、Ic分别为三相输入电流；Va、Vb、Vc分别为交换器交流侧的三相电压；Udc为变换器直流侧电压；C为直流母线电容；Lk、Rk(k=a、b、c)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1 网侧变换器主电路

1.2 三相静止坐标系下的数学模型[2]

记Sa、Sb、Sc为三相PWM变换器中各相桥臂的开关函数,上桥臂功率元件导通时,Sk=1 (k=a、b、c),下桥臂功率元件导通时,Sk=0。通过线电压与各桥臂开关函数Sk之间的关系 (1)转换为相电压关系可得 (2)。

根据图1得三相静止坐标系下的数学描述为

1.3 网侧变换器数学模型[3]

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PI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d-q坐标系之间的变换关系

由 (4)得出同步速ω1旋转d-q坐标系中网侧变换器的数学模型为

式中Ud、Uq、Id、Iq分别为电网电压、输入电流的d、q轴分量,当坐标系的d轴定向于电网电压矢量时,Ud=｜U｜,Uq=0,U为电网电压幅值。

通过d-q坐标系下的模型的建立,可以完成PWM网侧变换器控制策略的研究；实现三相PWM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[4]。

1.4 SVPWM调制算法[5]

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 SPWM、SVPWM、载波相移SPWM(CPS-SPWM)、相移空间矢量调制(CPSSVPWM)控制算法当中,由于CPS-SPWM技术和CPS-SVPWM技术应用于大功率变流器,系统实现成本相对较高,因此,属SVPWM算法效果较优[6],在保证相同的开关频率下,SVPWM方法的开关损耗低和输出电压的谐波分量少。

SVPWM算法的数字化实现主要分为三个步骤[7],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8个电压空间矢量如表1,其中有6个有效非零电压空间矢量(U1～U6)及2个零矢量 (U0和U7)。

表1 电压空间矢量

可以看出,变换器三相电压可以用一个模为2/3 Udc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Uga,0Ugb,0Ugc,0。三个开关组合对应的矢量将SVPWM的一个周期分为了6个扇区如图2所示。

图2 空间矢量分布

SVPWM的本质就是在一个PWM周期内,用这8个开关组合所对应的空间矢量去逼近给定的信号,SVPWM算法可以通过三段式均分零矢量法来实现。

1.4.1 判断参考电压矢量所在的扇区

引入三个变量i,j,k,

如果Uβ＞0,则i=1；否则i=0；

扇区号：N=i+2j+4k；其仿真实现如图 3所示。

图3 扇区判断仿真模块

1.4.2 各个有效电压矢量和零矢量的作用时间

为了用上述8个电压矢量是逼近给定的电压矢量,必须确定在一个PWM周期内,各矢量的作用时间。实际应用中有许多不同的SVPWM实现方法,其中最为常用的是三段式均分零矢量SVPWM,因为在相同的开关频率下,这种SVPWM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4

图4 中间变量模块

图5 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2所示,注意Tx相位角落后于Ty(逆时针为正)。

表2 参考电压的矢量作用时间

如果Tx+Ty＞TPWM时。

则Txs=TxTPWM/(Tx+Ty),Tys=TyTPWM/(Tx+Ty),Tx=Txs,Ty=Tys,零电压作用时间为 T0= TPWM-Tx-Ty,其仿真模块实现如图5。

1.4.3 比较时间分配

设TH,TM,TL为三个比较器的时间点,令

其仿真模块实现如图6

图6 时间分配模块

在一个PWM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3所示

表3 各个扇区对应的比较器作用时间

经过对上面SVPWM算法的分析,可得出SVPWM仿真总模块如图7。

图7 SVPWM仿真模块

1.5 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 (PLL)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PLL到软件PLL的发展阶段,软件PLL技术可以克服硬件PLL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[1],因此,本文通过搭建软件PLL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Δθ1可用同步速旋转d-q坐标系中电网电压q轴分量Usq来描述[1],采用PI调节器对Usq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PLL原理框图如图8,对应的仿真模块图如图9所示。

图8 锁相环原理

图9 锁相环仿真模块

2 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10所示。

图10 网侧变换器结构

网侧变换双闭环控制[8-9],根据式 (5),可以得出基于d轴电网电压定向d、q分量形式的网侧变换器交流侧电压表达式为很明显要实现d、q轴电流有效控制,必须解除d、q轴电流间耦合关系和消除电网电压扰动的控制办法。使用PI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 (10)(11)可以得出基于d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11所示

图11 基于电压定向的网侧变换器控制框图

图11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PI控制部分对应的仿真模块如下图12,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PI调节,然后将得到的同步旋转坐标系下的电压值变换为αβ坐标系下的值,再送入 SVPWM模块产生PWM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12 开关信号获取仿真模块

3 网侧变换器仿真

3.1 基于d轴电压定向仿真模型

图13 总仿真模块

上图13中左侧是完成整流的模块图,右侧两个子模块分别是软件PLL和电压、电流控制回路及SVPWM调制算法。

3.2 仿真结果

PWM整流器的矢量控制系统的仿真模型如图13所示,电网交流输入电压设定为690 V,工频50 Hz。直流侧负载电阻Rload选取50 Ω,开关周期Ts选取0.000 2 s,整流后直流侧电压稳定在1 150 V。交流侧输入电压、电流波形图如图14,其整流输出电压仿真图如15所示。

图14 交流侧输入电压、电流波形

图15 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4～4.5 s之间发生幅值扰动时,交流侧三相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15可以看出整流效果：当交流侧电压在4～4.5 s之间发生40%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。

4 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Simulink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。

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Research on Modeling and Simulation of Control for Voltage Oriented Network Side Converter

LI Chuanbin1,3,LIANG Junyu2,ZHAO Ming2,ZHENG Piaopiao1,3
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid,Kunming 650217,China；2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；3.Control and Computer Engineering Institute,North China Electric Power University,Baoding,Hebei 071003,China)

In this paper,the double PWM net-side converter model of DFIG is set up under the three-phase static coordinate system and two-phase synchronous reference frame.Based on the way of voltage vector orientation,the model of voltage、current double closed loop control and the space voltage vector pulse width modulation and phase lock loop are built in Matlab/Simulink. The simulation results show that the DC voltage to can be stability controlled and effectively rectified,voltage can be kept steady under the unbalance range,and input current waveform be controlled sinusoidal with net-side converter while the AC input amplitude changes.

VSCF；GSC；SVPWM；GVO；VC；software phase-locked loop

TM76

B

1006-7345(2015)01-0067-06

2014-08-15

李传斌 (1989)，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 (e-mail) 446356950＠qq.com。

梁俊宇 (1983)，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 (e-mail)ljy_1029＠163.com。

赵明 (1964)，男，高级工程师，云南电网公司电力科学研究院，长期从事热能动力工程试验研究工作 (e-mail) zhaoming64＠vip.sina.com。