小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器設(shè)計(jì)與仿真

姚 鑫 栗文義 燕 博 賀棟棟

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080；2.內(nèi)蒙古電力勘察設(shè)計(jì)院，呼和浩特 010020）

1 引言

風(fēng)能屬于間歇式能源，小型孤立風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能具有波動(dòng)性[1]。采用小型永磁發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)變流環(huán)節(jié)向用戶輸出合格的電能。傳統(tǒng)的整流與逆變往往采用基于二極管的不可控整流器或SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制的晶閘管三相橋式電路，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低、控制方法簡(jiǎn)易；缺點(diǎn)是諧波含量高、功率因數(shù)低、逆變出的電壓波形不平滑和穩(wěn)定等[2]。為了克服傳統(tǒng)變流方式的缺點(diǎn)，本文對(duì)三相電壓型整流器和三電平逆變器采用SVPWM方式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整流輸出直流電壓穩(wěn)定和逆變輸出三相交流電壓符合用戶要求的目的。

2 三相VSR工作原理[3]

三相PWM電壓型整流器（Voltage source rectifier，簡(jiǎn)稱VSR）電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為[4]

式中，Usn（n=a，b，c）為電源電壓；in（n=a，b，c）為電源側(cè)電流；Sn為開(kāi)關(guān)函數(shù)，它有兩種狀態(tài)1和0，1表示某一相的上橋臂導(dǎo)通，0表示某一相的下橋臂導(dǎo)通。對(duì)式（1）進(jìn)行坐標(biāo)變換，從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下[5]

3 SVPWM原理[6]

SVPWM控制通常要經(jīng)過(guò)扇區(qū)判斷與選擇、扇區(qū)內(nèi)矢量作用時(shí)間判定和開(kāi)關(guān)作用時(shí)間計(jì)算三個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 扇區(qū)判斷

由于采用三相橋式電路，將空間分為六個(gè)扇區(qū)。將兩相 d -q坐標(biāo)系變換到α-β坐標(biāo)系后，得到電壓Uα和Uβ，二者合成得到矢量Uout，它與每一相的相電壓的關(guān)系為

Ur1＞0，則 A=1；Ur2＞0，則 B=1；Ur3＞0，則C=1；不符合上述情況的，皆取零。

定義S=A+2×B+ 4×C，通過(guò)查表可得參考電壓矢量Uout所在扇區(qū)。

表1 S與扇區(qū)的關(guān)系

3.2 扇區(qū)內(nèi)的矢量作用時(shí)間判斷

設(shè)Ts為一個(gè)觸發(fā)周期，Tk、Tk+1、T0分別為電壓矢量在一個(gè)周期內(nèi)的作用時(shí)間。根據(jù)空間矢量等效原則，得到每個(gè)扇區(qū)兩個(gè)非零矢量和零矢量作用時(shí)間分別為

通過(guò)計(jì)算得到6個(gè)扇區(qū)的作用時(shí)間如表2所示。

表2 不同扇區(qū)的作用時(shí)間

3.3 開(kāi)關(guān)作用時(shí)間計(jì)算

在不同的扇區(qū)，根據(jù)T1、T2和開(kāi)關(guān)切換規(guī)律，開(kāi)關(guān)作用時(shí)間為

根據(jù)公式(7)，開(kāi)關(guān)作用時(shí)間To1、To2、To3取值如表3所示。以三角波為載波，To1、To2、To3為調(diào)制波，可獲得SVPWM的觸發(fā)脈沖。

表3 開(kāi)關(guān)作用時(shí)間取值

4 變流器仿真分析

小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖

把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器分為整流器和逆變器兩部分進(jìn)行仿真。小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量一般為幾個(gè)到幾十個(gè)千瓦, 電壓等級(jí)為 690V，頻率50Hz，交流側(cè)電阻為0.1Ω，電感0.01H，直流側(cè)電阻50Ω，電容0.003F。

4.1 整流器仿真

（1）整流器仿真模型的構(gòu)建[7]

風(fēng)力發(fā)電用整流器的控制重點(diǎn)是輸出直流電壓。本文使用Matlab2009a版本，利用powersystem庫(kù)構(gòu)建三相VSR整流器的仿真模型，仿真框圖如圖3所示。

采用三相電壓源模擬風(fēng)力發(fā)電的特性?？刂破鲗?shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流分量轉(zhuǎn)化成 d,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，再通過(guò)比利積分控制器對(duì)采集到的直流量進(jìn)行控制。SVPWM 觸發(fā)信號(hào)的生成原理如前面所述，其內(nèi)部各個(gè)模塊均實(shí)現(xiàn)了上述的分析要求。

圖3 整流器系統(tǒng)仿真框圖

（2）直流電壓與電流分析

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸出的直流電壓和電流的波形如圖4所示。

圖4 直流電壓Vdc和電流Idc的波形

在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，電壓上升，最大值為1.02 kV。直流側(cè)電壓在0.07秒后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，幅值為1kV，超調(diào)量消除。直流電流穩(wěn)定在20 A。SVPWM控制的整流器對(duì)直流電壓和電流有著良好的穩(wěn)定作用，電壓和電流的紋波幅度較低，整流器可以起到隔離發(fā)電機(jī)側(cè)產(chǎn)生的頻率波動(dòng)和諧波的作用。

（3）發(fā)電機(jī)側(cè)電壓跳變對(duì)直流側(cè)電壓電流的影響

實(shí)際的小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的輸出功率容易受到風(fēng)速的影響，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，輸出電壓增大，反之則降低。在發(fā)電機(jī)沒(méi)有采用合適控制器的情況下，這種影響明顯的體現(xiàn)在整流器輸出的直流電壓上?；赟VPWM控制的三相VSR整流器相比于其他控制方式具有迅速穩(wěn)定電壓波動(dòng)的性能。

發(fā)電機(jī)側(cè)輸出的相電壓峰值在 0.2s時(shí)由 975V跳變到1170V，在0.6s時(shí)又恢復(fù)到975V。其波形如圖5和圖6所示。

圖5 發(fā)電機(jī)側(cè)輸出電壓波動(dòng)情況

在發(fā)電機(jī)電壓跳變后，整流器輸出的直流電壓和電流波形如圖5所示。

圖6 直流側(cè)電壓變化情況

直流側(cè)輸出電壓在0.2s后開(kāi)始上升，最大幅值為1200V，直流電流最大值為24A，在0.45s后電壓和電流的超調(diào)量趨向于 0，電壓穩(wěn)定在 1100V，電流穩(wěn)定在22A。在0.6s后直流電壓下降，電壓最小值為960V，電流最小值為19.2A，之后逐漸上升，到0.7s之后恢復(fù)到1000V。雖然直流電壓可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定，但在實(shí)際的風(fēng)電系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓加以控制，防止出現(xiàn)電壓大幅度突變。仿真結(jié)果表明，基于SVPWM控制的三相電壓型整流器具有良好的直流電流的輸出特性。

4.2 逆變器仿真

（1）三電平逆變器仿真模型

風(fēng)力發(fā)電用逆變器的作用是將直流電變換為滿足用戶要求的交流電。三電平逆變器將1kV的直流電逆變成有效值為380V，頻率為50Hz的交流電。逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 三電平SVPWM逆變器

（2）負(fù)荷側(cè)電壓仿真波形分析

仿真時(shí)長(zhǎng)為0.06s，輸出濾波電感為15mH，負(fù)載有功功率為10kW。負(fù)載上的三相電壓波形的峰值為540V，符合負(fù)載需求。波形如圖8所示。

圖8 交流負(fù)載電壓波形

逆變電壓峰值為 540V，頻率為 50Hz，波形符合供電要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)小型孤立發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于SVPWM控制的變流器仿真模型，分別對(duì)整流器和逆變器進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，整流器輸出的直流電壓穩(wěn)定，逆變出的三相交流電壓和頻率符合要求。本文所設(shè)計(jì)的變流器可以應(yīng)用于電壓等級(jí)為 690V，頻率為 50Hz，功率為幾個(gè)到十幾個(gè)千瓦的小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能向用戶提供合格電能。

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