基于電壓定向的網(wǎng)側(cè)變換器控制建模及仿真

李傳斌,梁俊宇,趙明,鄭飄飄

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003)

基于電壓定向的網(wǎng)側(cè)變換器控制建模及仿真

李傳斌1,3,梁俊宇2,趙明2,鄭飄飄1,3

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003)

通過建立三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的DFIG雙PWM網(wǎng)側(cè)變換的數(shù)學(xué)模型。在電壓矢量定向方式基礎(chǔ)之上,在Matlab/Simulink中對電壓、電流雙閉環(huán)的控制方式及空間電壓矢量脈寬調(diào)制方式和鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行了模塊搭建并仿真。仿真結(jié)果表明網(wǎng)側(cè)變換器能夠快速調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓達(dá)到穩(wěn)定,即能有效的實(shí)現(xiàn)整流,并在交流側(cè)發(fā)生幅值擾動時(shí),能快速維持在直流側(cè)目標(biāo)電壓不平衡度范圍內(nèi),且控制輸入電流波形正弦。

變速恒頻；網(wǎng)側(cè)變換器；空間矢量脈寬調(diào)制；電網(wǎng)電壓定向；矢量控制；軟件鎖相環(huán)

0 前言

變速恒頻 (VSCF)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)技術(shù)是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的前沿技術(shù),且風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中離不開對風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性控制的研究,DFIG的控制是通過對轉(zhuǎn)子交流勵磁用變換器的控制來實(shí)現(xiàn),可滿足交流勵磁要求的變換器裝置主要有兩電平電壓型雙PWM變換器、矩陣式變換器、多電平變換器等,通過比較：兩電平電壓型雙PWM變換器用作DFIG交流勵磁電源是目前最具優(yōu)勢的技術(shù)方案[1]。

網(wǎng)側(cè)變換器是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變換器的一部分,網(wǎng)側(cè)變換器連接網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的直流母線電容使兩變換器實(shí)現(xiàn)了解耦,可以獨(dú)立控制而互不干擾,提高交、直電能變換的品質(zhì)和性能,在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究中頗為重要。通過比較,選擇兩電平電壓型雙PWM變換器建模和仿真,實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的整流,即完成網(wǎng)側(cè)變換器的實(shí)現(xiàn)。

本文通過建立網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型,在電壓矢量定向的基礎(chǔ)上,在Matlab/Simulink中搭建網(wǎng)側(cè)變換器仿真模型,驗(yàn)證了本文中網(wǎng)側(cè)變換器仿真模型能有效的實(shí)現(xiàn)整流,并保持輸入電流正弦。

1 網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型建立

1.1 網(wǎng)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)[1]

網(wǎng)側(cè)變換器主電路如圖1所示,圖中Ua、Ub、Uc分別為三相電網(wǎng)的相電壓；Ia、Ib、Ic分別為三相輸入電流；Va、Vb、Vc分別為交換器交流側(cè)的三相電壓；Udc為變換器直流側(cè)電壓；C為直流母線電容；Lk、Rk(k=a、b、c)分別為進(jìn)線電感和電阻。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器就相當(dāng)于網(wǎng)側(cè)變換器的負(fù)載。

圖1 網(wǎng)側(cè)變換器主電路

1.2 三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[2]

記Sa、Sb、Sc為三相PWM變換器中各相橋臂的開關(guān)函數(shù),上橋臂功率元件導(dǎo)通時(shí),Sk=1 (k=a、b、c),下橋臂功率元件導(dǎo)通時(shí),Sk=0。通過線電壓與各橋臂開關(guān)函數(shù)Sk之間的關(guān)系 (1)轉(zhuǎn)換為相電壓關(guān)系可得 (2)。

根據(jù)圖1得三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)描述為

1.3 網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型[3]

三相電流控制通常在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)為在同步坐標(biāo)系中各量穩(wěn)態(tài)時(shí)為直流量,采用PI調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)電流的零穩(wěn)態(tài)誤差,電流瞬態(tài)響應(yīng)也較快。通過三相靜止坐標(biāo)系與兩相同步速旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系

由 (4)得出同步速ω1旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型為

式中Ud、Uq、Id、Iq分別為電網(wǎng)電壓、輸入電流的d、q軸分量,當(dāng)坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量時(shí),Ud=｜U｜,Uq=0,U為電網(wǎng)電壓幅值。

通過d-q坐標(biāo)系下的模型的建立,可以完成PWM網(wǎng)側(cè)變換器控制策略的研究；實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器控制器的設(shè)計(jì)；能夠正確選取整流器電路參數(shù)并進(jìn)行仿真研究[4]。

1.4 SVPWM調(diào)制算法[5]

網(wǎng)側(cè)變換器的實(shí)現(xiàn)中矢量調(diào)制算法的選擇影響著能量流動的損耗和直流電壓的利用率。目前,使用的三角載波 SPWM、SVPWM、載波相移SPWM(CPS-SPWM)、相移空間矢量調(diào)制(CPSSVPWM)控制算法當(dāng)中,由于CPS-SPWM技術(shù)和CPS-SVPWM技術(shù)應(yīng)用于大功率變流器,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本相對較高,因此,屬SVPWM算法效果較優(yōu)[6],在保證相同的開關(guān)頻率下,SVPWM方法的開關(guān)損耗低和輸出電壓的諧波分量少。

SVPWM算法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)主要分為三個(gè)步驟[7],首先,求出給定空間電壓矢量的空間位置,即位于哪一個(gè)扇區(qū)。然后,計(jì)算出合成給定空間電壓矢量的兩個(gè)非零矢量占的時(shí)間比。接著根據(jù)占時(shí)間比計(jì)算出三個(gè)比較器的導(dǎo)通時(shí)刻,并將三個(gè)導(dǎo)通時(shí)刻的值賦給相應(yīng)的比較器。

三個(gè)橋臂的開關(guān)組合可以得到8個(gè)電壓空間矢量如表1,其中有6個(gè)有效非零電壓空間矢量(U1～U6)及2個(gè)零矢量 (U0和U7)。

表1 電壓空間矢量

可以看出,變換器三相電壓可以用一個(gè)模為2/3 Udc的矢量來表示。每一個(gè)開關(guān)組合均對應(yīng)一個(gè)空間電壓矢量。該矢量在三個(gè)相軸上的投影就是Uga,0Ugb,0Ugc,0。三個(gè)開關(guān)組合對應(yīng)的矢量將SVPWM的一個(gè)周期分為了6個(gè)扇區(qū)如圖2所示。

圖2 空間矢量分布

SVPWM的本質(zhì)就是在一個(gè)PWM周期內(nèi),用這8個(gè)開關(guān)組合所對應(yīng)的空間矢量去逼近給定的信號,SVPWM算法可以通過三段式均分零矢量法來實(shí)現(xiàn)。

1.4.1 判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)

引入三個(gè)變量i,j,k,

如果Uβ＞0,則i=1；否則i=0；

扇區(qū)號：N=i+2j+4k；其仿真實(shí)現(xiàn)如圖 3所示。

圖3 扇區(qū)判斷仿真模塊

1.4.2 各個(gè)有效電壓矢量和零矢量的作用時(shí)間

為了用上述8個(gè)電壓矢量是逼近給定的電壓矢量,必須確定在一個(gè)PWM周期內(nèi),各矢量的作用時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中有許多不同的SVPWM實(shí)現(xiàn)方法,其中最為常用的是三段式均分零矢量SVPWM,因?yàn)樵谙嗤拈_關(guān)頻率下,這種SVPWM方法的開關(guān)損耗和輸出電壓的諧波分量少。記：

其對應(yīng)的仿模塊實(shí)現(xiàn)如下圖4

圖4 中間變量模塊

圖5 矢量作用時(shí)間模塊

通過推導(dǎo),可得到在各扇區(qū)內(nèi),參考電壓所對應(yīng)的有效矢量作用時(shí)間,如表2所示,注意Tx相位角落后于Ty(逆時(shí)針為正)。

表2 參考電壓的矢量作用時(shí)間

如果Tx+Ty＞TPWM時(shí)。

則Txs=TxTPWM/(Tx+Ty),Tys=TyTPWM/(Tx+Ty),Tx=Txs,Ty=Tys,零電壓作用時(shí)間為 T0= TPWM-Tx-Ty,其仿真模塊實(shí)現(xiàn)如圖5。

1.4.3 比較時(shí)間分配

設(shè)TH,TM,TL為三個(gè)比較器的時(shí)間點(diǎn),令

其仿真模塊實(shí)現(xiàn)如圖6

圖6 時(shí)間分配模塊

在一個(gè)PWM周期內(nèi),通過比較器與根據(jù)預(yù)先時(shí)間切換點(diǎn)設(shè)計(jì)好的三角波進(jìn)行比對,確定三個(gè)開關(guān)函數(shù)的開關(guān)時(shí)間和取值。

扇區(qū)內(nèi)時(shí)間比較點(diǎn)可以通過類似的推導(dǎo)得到,如下表3所示

表3 各個(gè)扇區(qū)對應(yīng)的比較器作用時(shí)間

經(jīng)過對上面SVPWM算法的分析,可得出SVPWM仿真總模塊如圖7。

圖7 SVPWM仿真模塊

1.5 鎖相環(huán)原理

電壓矢量定向需要精確的電網(wǎng)電壓頻率和相位作為控制的基準(zhǔn),而鎖相環(huán) (PLL)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓或者定子磁鏈?zhǔn)噶康臏?zhǔn)確定向。在電力電子變換器領(lǐng)域的應(yīng)用正經(jīng)歷著由硬件PLL到軟件PLL的發(fā)展階段,軟件PLL技術(shù)可以克服硬件PLL中的鑒相器電壓過零檢測方式中動態(tài)響應(yīng)慢和檢測精度低的問題[1],因此,本文通過搭建軟件PLL能實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確定向。

鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí),能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴(yán)格相位差同步。但電網(wǎng)電壓突然變化時(shí),輸出電壓矢量和實(shí)際電網(wǎng)電壓將出現(xiàn)差異。電網(wǎng)電壓的相角跳變Δθ1可用同步速旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中電網(wǎng)電壓q軸分量Usq來描述[1],采用PI調(diào)節(jié)器對Usq實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)即可準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓空間矢量,因此可得檢測三相電網(wǎng)電壓頻率和相位的軟件PLL原理框圖如圖8,對應(yīng)的仿真模塊圖如圖9所示。

圖8 鎖相環(huán)原理

圖9 鎖相環(huán)仿真模塊

2 網(wǎng)側(cè)變換器的運(yùn)行控制

整個(gè)網(wǎng)側(cè)變換器的控制分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 網(wǎng)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)

網(wǎng)側(cè)變換雙閉環(huán)控制[8-9],根據(jù)式 (5),可以得出基于d軸電網(wǎng)電壓定向d、q分量形式的網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓表達(dá)式為很明顯要實(shí)現(xiàn)d、q軸電流有效控制,必須解除d、q軸電流間耦合關(guān)系和消除電網(wǎng)電壓擾動的控制辦法。使用PI控制,因此設(shè)計(jì)如下電流控制器：

可得網(wǎng)側(cè)交流側(cè)變換器電壓參考值

直流環(huán)節(jié)的電壓控制器采取類似的控制方式設(shè)計(jì)及可得

根據(jù)式 (10)(11)可以得出基于d軸電壓定向網(wǎng)側(cè)變換器直流環(huán)節(jié)電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖,如圖11所示

圖11 基于電壓定向的網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖

圖11中通過電流狀態(tài)反饋來實(shí)現(xiàn)兩軸電流間的解耦；通過電網(wǎng)電壓前饋來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓擾動的補(bǔ)償；通過對負(fù)載電流的前饋來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載擾動的補(bǔ)償。

直流環(huán)節(jié)電壓、電流雙閉環(huán)PI控制部分對應(yīng)的仿真模塊如下圖12,它是將直流側(cè)參考電壓,與實(shí)際給定電壓的差值和有功電流無、功電流與實(shí)際反饋值之間的差值做比例積分,即PI調(diào)節(jié),然后將得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓值變換為αβ坐標(biāo)系下的值,再送入 SVPWM模塊產(chǎn)生PWM脈沖驅(qū)動信號來驅(qū)動三相通用橋功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷。

圖12 開關(guān)信號獲取仿真模塊

3 網(wǎng)側(cè)變換器仿真

3.1 基于d軸電壓定向仿真模型

圖13 總仿真模塊

上圖13中左側(cè)是完成整流的模塊圖,右側(cè)兩個(gè)子模塊分別是軟件PLL和電壓、電流控制回路及SVPWM調(diào)制算法。

3.2 仿真結(jié)果

PWM整流器的矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖13所示,電網(wǎng)交流輸入電壓設(shè)定為690 V,工頻50 Hz。直流側(cè)負(fù)載電阻Rload選取50 Ω,開關(guān)周期Ts選取0.000 2 s,整流后直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 150 V。交流側(cè)輸入電壓、電流波形圖如圖14,其整流輸出電壓仿真圖如15所示。

圖14 交流側(cè)輸入電壓、電流波形

圖15 整流后的直流側(cè)電壓變化波形

從圖中看出輸入電流正弦,在交流側(cè)三相電壓在4～4.5 s之間發(fā)生幅值擾動時(shí),交流側(cè)三相電流也發(fā)生相應(yīng)的擾動,當(dāng)擾動消失,三相電流快速維持在原來的穩(wěn)定狀態(tài)。

從直流側(cè)電壓變化波形圖15可以看出整流效果：當(dāng)交流側(cè)電壓在4～4.5 s之間發(fā)生40%階躍幅值擾動時(shí),直流側(cè)的電壓保持著穩(wěn)定在直流電壓不平衡度的范圍之內(nèi),并快速恢復(fù)平穩(wěn),能夠很好的完成整流。

4 結(jié)束語

本文通過建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器模型,以定子電壓定向?yàn)榛A(chǔ),在Simulink搭建了網(wǎng)側(cè)變換器仿真模型并進(jìn)行仿真；仿真結(jié)果驗(yàn)證了網(wǎng)側(cè)變換器能夠快速有效調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓穩(wěn)定；并在交流側(cè)發(fā)生幅值擾動時(shí)能快速維持在直流側(cè)的目標(biāo)電壓不平衡度范圍內(nèi),即具有良好的抗擾性能；且能保證輸入電流正弦。

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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

李傳斌 (1989)，男，碩士研究生，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，主要研究領(lǐng)域?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制 (e-mail) 446356950＠qq.com。

梁俊宇 (1983)，男，博士后，云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與仿真研究工作 (e-mail)ljy_1029＠163.com。

趙明 (1964)，男，高級工程師，云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，長期從事熱能動力工程試驗(yàn)研究工作 (e-mail) zhaoming64＠vip.sina.com。