變速恒頻風力發(fā)電機中網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制

李 奇，張文斌，劉雪揚

（昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明650500）

0 引言

隨著發(fā)電機功率的增加，對變流器的要求也越高。在變速恒頻風力發(fā)電機中，網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標主要是保持直流母線電壓穩(wěn)定、輸入電流諧波含量少和輸入電壓與電流的相位保持一致［1－3］。為此，圈內(nèi)外學者提出了許多控制方案［2－11］。

1 變流器數(shù)學模型

變速恒頻風力發(fā)電機中的網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先定義單極性二值邏輯開關函數(shù)為：

圖1 變流器結(jié)構(gòu)

根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律，各相回路方程為：

ua，ub，uc為電網(wǎng)三相電壓，uaN，ubN，ucN為橋臂電壓，UNO為直流母線負端與電網(wǎng)中性點間的電壓。

當sa＝1時，uaN＝Udc，sa＝0時，uaN＝0。因此，uaN＝SaUdc，同理可得

將其帶入式（1）得

在式（3）中，對變流器中的運行條件未做任何假定。因此，該方程對三相電壓不平衡、波動、有諧波等情況都使用。

一般變流器采用三相無中線接線，由基爾霍夫電流定理得出，不管電網(wǎng)三相電壓是否平衡，交流側(cè)的三相電流之和等于零，即

假設電網(wǎng)側(cè)進線電抗的電阻、電感均相等，有

由于網(wǎng)側(cè)直接與大電網(wǎng)相連。因此，一般考慮電網(wǎng)電壓三相對稱（ua＋ub＋uc＝0）的情況。聯(lián)立式（3）～式（5）解出

將式（4）～式（6）代入式（3）可得電網(wǎng)電壓對稱情況下的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學模型為：

由于經(jīng)典控制中對正弦量的跟蹤較困難。因此，需要將三相正弦量變?yōu)橹绷髁俊＝栌秒姍C控制中磁場定向的觀點，可將三相靜止坐標系下的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標系下的數(shù)學模型為：

ud，uq為電網(wǎng)電壓的d，q軸分 量；id，iq分別為網(wǎng)側(cè)輸入電流的d，q軸分量；vgd，vgq分別為變流器網(wǎng)側(cè)電壓的d，q軸分量；Sd，Sq分別為開關函數(shù)的d，q軸分量。

2 電網(wǎng)電壓定向矢量控制

根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學模型，將兩相同步坐標系d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向上，可使控制相對簡單，開關頻率固定。令ugrid＝ud＋juq為電網(wǎng)電壓矢量，則d軸定向后有ud＝｜ugrid｜＝ugrid，uq＝0，于是變流器電壓方程可化為：

式（10）說明d，q軸電流除受vgd，vgq影響外，還受到交叉耦合項ωLiq，ωLid和電網(wǎng)電壓的影響。將式（10）改寫為：

圖2 基于電網(wǎng)電壓定向的變流器控制策略

變流器采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相PWM變流器的直流側(cè)電壓，直流電壓給定與反饋的誤差，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器計算有功電流給定值，其值決定有功功率的大小，符號決定有功功率的流向。電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，為實現(xiàn)功率因數(shù)為1的整流或逆變，應使無功電流分量＝0。計算得到的參考電壓，經(jīng)坐標變換后進行SPWM調(diào)制，產(chǎn)生的驅(qū)動信號實現(xiàn)變流器的控制。

3 仿真實驗驗證

在Matlab／Simulink軟件中搭建了變流器的模型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)側(cè)相電壓有效值為220V；電壓頻率為50Hz；直流側(cè)電容值為100μF；進線電感為26 mH；開關頻率為3kHz；直流側(cè)輸出電壓為750V。根據(jù)電壓定向的控制策略建立控制算法，通過仿真可以驗證該算法的可行性。

直流側(cè)電壓的輸出波形如圖3所示，可以看出，在0.1s左右就達到了750V的設定目標值，0.15s后輸出穩(wěn)定在750V，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性。無功電流Iq的波形如圖4所示，0.1s后Iq的值一直保持在零附近，說明輸入無功功率為零，變流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。網(wǎng)側(cè)A，B，C相輸入電壓、電流波形如圖5所示（電壓、電流為標幺值，其基值分別為311V和21A）。在0.04之前電流有些波動，之后各相輸入電流的相位基本上與電壓一致，三相的功率因素都幾乎為1，且三相電流的正弦度較好。

圖3 輸出直流電壓

圖4 無功電流波形

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器輸入電壓、電流波形

4 結(jié)束語

在變流器的數(shù)學模型基礎上，推導出了電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略，并建立了仿真模型。從直流電壓、網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流的仿真結(jié)果可以看出，電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略能使變速恒頻風力發(fā)電機的網(wǎng)側(cè)變流器滿足控制要求，且有較好的動態(tài)性能，為后續(xù)風力發(fā)電機中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制研究奠定了基礎。

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