基于矢量解耦逆變器控制電路的設(shè)計(jì)與研究

摘 要： 風(fēng)力發(fā)電具有廣闊的前景，逆變環(huán)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電最主要的環(huán)節(jié)之一。對(duì)于相位幅值逆變控制電路為電壓?jiǎn)苇h(huán)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度慢；且網(wǎng)側(cè)存在直流電流偏移量，瞬態(tài)時(shí)，輸入電壓濾波器會(huì)出現(xiàn)振蕩且負(fù)載電流會(huì)發(fā)生畸變的問(wèn)題。在此采用電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，設(shè)計(jì)出矢量解耦的逆變器控制電路。仿真結(jié)果表明：電壓與電流周期、頻率相同，相位差為90°；電流瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.005 s左右；三相并網(wǎng)電壓的周期0.02 s，頻率50 Hz，完全滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電； PWM變換器； 矢量控制； 電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）12?0123?03

Abstract： Wind power generation has a broad prospect. The inversion step is one of the most important steps of wind power generation. The inverter circuit controlling the phase and amplitude adopts the voltage single?loop structure， whose response speed is slow. Since the network side exists the DC offset， the filter of input voltage may appear the oscillation and load current may occur distortion during the transient. The vector control strategy for two loops of voltage and current is adopted to design the inverter control circuit based on vector decoupling. The simulation results show that the frequency and period of the voltage and current are the same， and their phase difference is 90°. The current transient response time is about 0.005 s. The period of the three?phase grid?connection voltage is 0.02 s， and the frequency is 50 Hz. The circuit can satisfy the grid?connection requirement.

Keywords： wind power generation； PWM converter； vector control； circuit design

0 引 言

不可再生化石能源的消耗與枯竭，尋找新型替代能源以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。風(fēng)電作為一種可再生的清潔能源受到重視。國(guó)家發(fā)改委2003年明確提出風(fēng)電規(guī)劃目標(biāo)：到2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)2 000萬(wàn)kW，以推動(dòng)風(fēng)電商業(yè)化發(fā)展；2005—2010年間，裝機(jī)容量需達(dá)到近60萬(wàn)kW/年；2010—2015年間，裝機(jī)容量需達(dá)到近120萬(wàn)kW/年；2015—2020年間，裝機(jī)容量[1?2]需達(dá)近200萬(wàn)kW/年，其發(fā)展前景廣闊。

逆變環(huán)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電最主要的環(huán)節(jié)之一。目前主要采用相位幅值逆變控制電路，該電路為電壓?jiǎn)苇h(huán)結(jié)構(gòu)，無(wú)電流環(huán)，響應(yīng)速度慢，且網(wǎng)側(cè)存在直流電流偏移量，瞬態(tài)時(shí)，輸入電壓濾波器會(huì)出現(xiàn)振蕩且負(fù)載電流會(huì)發(fā)生畸變[3]。本文采用電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，設(shè)計(jì)出矢量解耦的逆變器控制電路，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)三相逆變器的電流實(shí)現(xiàn)靜態(tài)解耦，改善有源逆變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制。

1 控制原理及數(shù)學(xué)模型

1.1 原理

矢量控制策略：給定信號(hào)分解成兩個(gè)互相垂直而且獨(dú)立的直流信號(hào)iM，iT，然后通過(guò)“直?交變換”將iM，iT交換成兩相交流信號(hào)iα，iβ ，又經(jīng)“2/3變換”，得到三相交流的控制信號(hào)ia，ib，ic 去控制變流電路[4?6]。對(duì)PWM逆變器控制也可以采用矢量控制策略，如圖1所示。

三相交流電流ia，ib，ic經(jīng)過(guò)“3/2變換”、“交?直變換”成為互相垂直且獨(dú)立的直流量id，iq，再經(jīng)過(guò)“直?交變換”、“2/3變換”，得到三相交流的控制信號(hào)ia，ib，ic，控制PWM逆變器[7]。該控制策略有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好、限流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于電壓型逆變器，在三相靜止坐標(biāo)系abc中假設(shè)：

（1） 電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為三相平衡的純正弦波電動(dòng)勢(shì)（Ea，Eb，Ec）；

（2） 網(wǎng)側(cè)濾波電感L（a，b，c）是線(xiàn)性的；

（3） 主電路的開(kāi)關(guān)視為理想元件，通斷可以用開(kāi)關(guān)函數(shù)描述。

在靜止的三相abc參考坐標(biāo)系中，三相PWM并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型為：

[vavbvc=L?diadtdibdtdicdt+vgavgbvgc] （1）

將靜止的三相abc參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電流的解耦。三相并網(wǎng)PWM逆變器中有功、無(wú)功功率為：

[P=32（vgd?id+vgq?iq）Q=32（vgd?id+vgq?iq）] （2）

理想狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓是無(wú)任何諧波的純正弦波，在同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下，電網(wǎng)電壓矢量可以表示為：

[vgd=0vgq=V] （3）

式中，V是電網(wǎng)相電壓的峰值。

實(shí)際上，電網(wǎng)電壓總是有諧波污染，不可能是純正弦波，故電網(wǎng)電壓vgd和vgq總有一定的脈動(dòng)，其幅值和頻率與電網(wǎng)電壓的諧波量有關(guān)。但在穩(wěn)態(tài)下，vgd的平均值仍為0。因此在穩(wěn)態(tài)下，逆變器輸出的有功、無(wú)功功率如式（4）所示。

[P=32?vgq?iqQ=32?vgd?id] （4）

可見(jiàn)：在穩(wěn)態(tài)下，逆變器的有功、無(wú)功功率分別取決于同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的電流iq和id 。如能獨(dú)立地控制逆變器的有功、無(wú)功電流iq，id，則可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的有功、無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制[8]。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變主電路

三相PWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電路由三個(gè)半橋電路組成，開(kāi)關(guān)管VT1～VT6采用全控型電力電子器件，二極管D1～D6為續(xù)流二極管，兩者組成IGBT關(guān)斷電路。在輸入三相交流電下，當(dāng)IGBT承受最大正向陽(yáng)極電壓，而控制極又獲得觸發(fā)脈沖時(shí)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)[9]。

2.2 檢測(cè)控制電路

檢測(cè)控制電路如圖3所示。

檢測(cè)三相逆變器交流逆變電壓與電流，經(jīng)“3/2變換”，交?直變換，轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立的直流分量，與給定值比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出再經(jīng)過(guò)“2/3變換”成三相交流，控制PWM逆變器產(chǎn)生脈沖。

2.3 脈沖產(chǎn)生電路

脈沖發(fā)生電路如圖4所示。

正弦調(diào)制波與三角載波相比較，將正弦半波電壓分成N等份，每等份用等面積的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等份的中點(diǎn)重合。

3 仿真測(cè)試及分析

3.1 仿真電路搭建

用Matlab搭建的逆變器控制系統(tǒng)仿真圖，見(jiàn)圖5。

仿真系統(tǒng)由設(shè)計(jì)的逆變主電路、檢測(cè)控制電路、脈沖產(chǎn)生電路等組成。

3.2 波形分析

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4 結(jié) 論

本文采用電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，設(shè)計(jì)出了矢量解耦的逆變器控制電路。其改善有源逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制。設(shè)計(jì)電路經(jīng)仿真測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)，電壓、電流波形完全滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。

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