風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三相PWM整流器控制技術(shù)

梁炯炯，陳勇，周虎，代文平，周俊

(電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三相PWM整流器控制技術(shù)

梁炯炯，陳勇，周虎，代文平，周俊

(電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731)

整流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的核心部件，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量隨機(jī)波動(dòng)的缺點(diǎn)以及傳統(tǒng)整流方式的不足，設(shè)計(jì)了一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙閉環(huán)控制的三相PWM整流器。網(wǎng)側(cè)采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)及電流前饋解耦控制，實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓可調(diào)及高功率因數(shù)運(yùn)行。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了該P(yáng)WM整流技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上的應(yīng)用是可行的、有效的。

風(fēng)力發(fā)電；三相PWM整流器；電流前饋；解耦

隨著科技革命的不斷進(jìn)步，人類的發(fā)展也越來越迅猛，能源的需求也就越來越大，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，全球范圍內(nèi)的能源短缺趨勢(shì)越發(fā)明顯，尤其是能源危機(jī)已經(jīng)引發(fā)了一系列的全球問題，如：環(huán)境污染，全球變暖等。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，人類越來越迫切地開發(fā)新的清潔的能源形式，建立新型的、綠色的、安全的、可持續(xù)的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改進(jìn)和能源的升級(jí)換代。風(fēng)能作為未來幾十年內(nèi)最重要的新能源之一，對(duì)于緩解能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義[1]。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、整流器、蓄電池組、逆變器和控制器等構(gòu)成[2]。根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)一般有四種結(jié)構(gòu)：二極管整流+晶閘管逆變+無功補(bǔ)償?shù)姆绞?；二極管整流+PWM逆變的方式；二極管整流+Boost升壓+ PWM逆變的方式；PWM整流+PWM逆變(即背靠背)方式。逆變部分目前基本都采用PWM逆變器方式。而整流部分大多采用的是二極管整流方式，雖然控制簡(jiǎn)單，但是會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，致使網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變，成脈沖狀，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的“污染”，而且功率因數(shù)極低，降低了發(fā)電機(jī)的有效利用率；含有大量的諧波分量，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，局部發(fā)熱等現(xiàn)象而減少發(fā)電機(jī)的壽命[4]。而且風(fēng)能存在著能量隨機(jī)波動(dòng)的缺點(diǎn)：長(zhǎng)時(shí)波動(dòng)(晝夜或季節(jié)循環(huán))，短時(shí)波動(dòng)(小時(shí)級(jí))和瞬時(shí)波動(dòng)(秒級(jí)或更短)，具有很大的不穩(wěn)定性[5]，因此傳統(tǒng)的二極管整流并不適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。而PWM整流可以實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)電流的正弦化和單位功率因數(shù)運(yùn)行，就能避免這些問題的產(chǎn)生[6-8]。

針對(duì)上述問題的描述，本文提出了基于TMS320F28027 的PWM整流技術(shù)的研究，將PWM整流技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整流上，采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流前饋解耦控制，使解耦后的電流控制模型等效為無耦合的一階環(huán)節(jié)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流和無功電流的獨(dú)立控制，并采用空間矢量脈寬調(diào)制的控制策略使輸入電流正弦化、功率因數(shù)可控、電能雙向傳輸、直流母線電壓可調(diào)、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，有效地抑制了電網(wǎng)諧波，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)整流方式的不足。根據(jù)該方法構(gòu)造了仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理

三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，三相PWM整流電路，逆變器和控制器等組成。三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器的主電路結(jié)構(gòu)實(shí)際上為三相六開關(guān)的Boost型功率因數(shù)電路，該電路左半部分為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；中間部分為常規(guī)的三相PWM整流電路，是一種性能優(yōu)良，具有輸入電流連續(xù)可控，功率因數(shù)可控且接近于1的高功率因數(shù)校正電路。中間靠右部分是零電壓開關(guān)電路，采用軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)損耗[9]，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，使開關(guān)器件開通時(shí)電壓先降為零，或關(guān)斷時(shí)電流先降為零，抑制開通和關(guān)斷過程中的，減小或消除電壓和電流的重疊，不僅減小了開關(guān)損耗，更加降低了系統(tǒng)的EMI，為三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了保障。后端為三相PWM逆變器，用于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)輸入。

圖1 帶軟開關(guān)的三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器結(jié)構(gòu)

所以要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，必須對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電流直接控制或通過電壓對(duì)電流的間接控制，對(duì)電路進(jìn)行空間電壓矢量調(diào)制，控制功率開關(guān)管的通斷，改變線電壓中基波分量的幅值與相位，使網(wǎng)側(cè)輸入電流與其對(duì)應(yīng)的交流輸入電壓同相位，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)單位化。

過零檢測(cè)電路用于捕捉網(wǎng)側(cè)交流電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的電壓值以產(chǎn)生電網(wǎng)同步相位角度θ。在PWM可控整流控制系統(tǒng)中，定向矢量的角度往往通過過零檢測(cè)同步電路來確定，所以同步電流的控制，關(guān)鍵在于電網(wǎng)同步相位角度θ的控制。θ角的控制精度決定著回饋給電網(wǎng)的電流質(zhì)量的好壞，超前或滯后都會(huì)給電網(wǎng)帶來諧波污染。另外，在SVPWM算法中，θ也間接地參與了扇區(qū)計(jì)算，過程繁雜，本文采用DSP捕捉單元和軟件相結(jié)合的方法，來確定電網(wǎng)同步相位角度，方法簡(jiǎn)單。具體實(shí)現(xiàn)如下：先檢測(cè)電網(wǎng)中某一相的電壓值，假設(shè)為A相。將A相電壓經(jīng)過比較器輸出所得的方波輸入到DSP的捕捉單元Ecap1，并使之產(chǎn)生上升沿中斷，此時(shí)的角度為0°。由于電網(wǎng)頻率保持在50 Hz，在此后的一個(gè)周期(0.02 s)內(nèi)，以此角度為基值，用軟件計(jì)算出該周期內(nèi)其他時(shí)刻角度的精確值。由于在每個(gè)周期內(nèi)都對(duì)電壓過零點(diǎn)進(jìn)行一次檢測(cè)，這樣就可以減少在計(jì)算電網(wǎng)角度過程中所產(chǎn)生的累積誤差。電路如圖4所示。

圖2 交流側(cè)單相等效電路

圖3 單位因數(shù)整流時(shí)電壓、電流的矢量關(guān)系

圖4 過零檢測(cè)同步電路

此電路由文氏濾波電路、過零比較電路及調(diào)壓電路構(gòu)成。文氏濾波電路基于諧振原理，使其對(duì)基波阻抗最小且無相移，包括低通濾波器、高通濾波器兩部分。1和1組成低通濾波器，低通濾波器可以濾去電網(wǎng)輸入信號(hào)中的高頻諧波，使波形得到改善，但是會(huì)使相位產(chǎn)生滯后，因而又引入高通濾波器2、2進(jìn)行補(bǔ)償。從電路中可以看出，該高通、低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，而且電阻電容成對(duì)稱分布，高通濾波器超前的相位正好抵消低通濾波器滯后的相位，經(jīng)兩次濾波后，不但濾去了諧波，更使波形接近于正弦信號(hào)，而且不會(huì)因?yàn)V波而產(chǎn)生相移。為了得到更好的相位信號(hào)3、3與4、4同理。

2 基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流前饋解耦控制

在三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。電壓外環(huán)的作用是控制直流側(cè)電壓，以及給定有功指令電流*；電流內(nèi)環(huán)控制通過引入電流反饋實(shí)現(xiàn)解耦，使有功電流和無功電流實(shí)現(xiàn)獨(dú)立性調(diào)節(jié)，網(wǎng)側(cè)電流跟蹤指令電流，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)單位化或可控。

圖5坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)的解耦控制結(jié)構(gòu)

在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，只有對(duì)三相電壓型PWM整流器進(jìn)行電流解耦及前饋補(bǔ)償控制，才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流和無功電流的單獨(dú)控制，且無靜差。為實(shí)現(xiàn)單功率因數(shù)運(yùn)行，必須將的指令電流設(shè)置為0，即*=0；的指令電流則可依據(jù)電壓外環(huán)得到。電壓外環(huán)的主要作用是穩(wěn)定直流母線電壓，通過采樣回來的直流母線電壓，確定有功電流指令。電壓外環(huán)也采用PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)PWM風(fēng)力發(fā)電整流系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)所用到的系統(tǒng)參數(shù)如下：交流側(cè)輸入相電壓為150 V；進(jìn)線電感5 mH；開關(guān)頻率10 kHz；直流母線電壓450 V；濾波電容1 000 μF。

根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流前饋解耦控制策略的分析，建立三相PWM新能源整流器系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示。

圖6 三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器的控制框圖

3.1 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)圖7所示的三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器系統(tǒng)控制框圖在Matlab中搭建仿真模型，仿真結(jié)果分別如圖7、8、9、10所示。

圖7與圖8分別為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在二極管不控整流和PWM整流時(shí)A相電壓電流的仿真波形圖，從圖中的對(duì)比可以看出：在PWM整流運(yùn)行時(shí)A相電壓電流波形完全同相，電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，系統(tǒng)在單功率因數(shù)狀態(tài)下運(yùn)行。

圖9為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在二極管不控整流時(shí)直流母線的電壓仿真波形圖，圖10為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在PWM整流時(shí)直流母線的電壓仿真波形圖，從圖中的對(duì)比可以看出二極管不控整流時(shí)直流母線電壓存在波動(dòng)，PWM整流能得到很好的穩(wěn)定性能，而且基于電流前饋解耦時(shí)系統(tǒng)超調(diào)明顯降低，具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。

圖7 二極管不控整流時(shí)A相電壓電流仿真波形

圖8 PWM可控整流時(shí)A相電壓電流仿真波形

圖9 二極管不控整流時(shí)直流母線電壓仿真波形

圖10 PWM可控整流時(shí)直流母線仿真電壓

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證上述所提方案的可行性和有效性，研制了一臺(tái)以TMS320F28027為核心的三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流控制系統(tǒng)，得到了PWM風(fēng)力發(fā)電整流器在二極管不控整流和PWM可控整流時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖11、12)。

圖11 二極管不控整流條件下A相電壓電流波形

圖12 可控整流條件下A相電壓電流波形

圖11為系統(tǒng)在二極管不控條件下A相電壓電流波形圖，從圖中可以看出電流產(chǎn)生明顯的畸變；而在PWM可控條件下A相電壓電流波形如圖12所示：A相電壓電流波形基本同相，且電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，即系統(tǒng)運(yùn)行在高功率因數(shù)狀態(tài)，通過圖11與12的對(duì)比可知在PWM整流模式下實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流，達(dá)到了預(yù)期的目的，符合系統(tǒng)的理論分析。

4 結(jié)論

本文所研究的三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器采用了基于電流解耦及前饋補(bǔ)償?shù)碾p閉環(huán)控制方式和SVPWM調(diào)制方式，有效地提高了電壓的利用率。以TMS320F28027 DSP作為控制芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的三相PWM風(fēng)力發(fā)電整流器的控制策略能夠很好地控制網(wǎng)側(cè)電流，使電流與電壓基本同相，減少了諧波含量，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有效利用率和使用壽命，大大減小了對(duì)電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)最理想的“綠色電能變換”，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，克服了風(fēng)能能量隨機(jī)波動(dòng)的缺點(diǎn)，滿足了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)整流電源低諧波、高功率因數(shù)、快速響應(yīng)及能量雙向流的要求。

這些優(yōu)越的性能使PWM風(fēng)力發(fā)電整流器得到廣泛的應(yīng)用，不僅適用于風(fēng)力發(fā)電，對(duì)于統(tǒng)一潮流控制、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及太陽能等可再生新能源的并網(wǎng)發(fā)電同樣具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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Study on control technology of three-phase PWM rectifier in wind power generation system

LIANG Jiong-jiong,CHEN Yong,ZHOU Hu,DAI Wen-ping,ZHOU Jun

Rectifier was an indispensable core module of wind power generation system.Three-phase PWM rectifier based on DSP was put forward by the disadvantages of random fluctuation about wind energy and the deficiency of the traditional rectifier.The space vector pulse width modulation strategy(SVPWM)and the current feed-forward compensation based on synchronous rotation frames were used.The circulating of voltage's tracking and unity power factor was achieved.The simulation and experimental results show PWM rectifier applied in wind power generation system is valid and feasible.

wind power generation system;three-phase PWM rectifier;current feed-forward;decouple

TM 315

A

1002-087 X(2014)02-0341-04

2013-06-06

國家自然科學(xué)基金(61105030)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(ZYGX2011J02)；四川省科技支撐計(jì)劃(2013GZ0054)

梁炯炯(1986—)，男，浙江省人，碩士，主要研究方向?yàn)樗欧刂啤㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)、先進(jìn)控制理論研究。導(dǎo)師：陳勇(1977—)，男，四川省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、先進(jìn)控制理論。