基于PMW三相并網(wǎng)逆變器矢量解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

代佳華 張礦偉 程剛 林楠 陳焰

摘 要：三相PWM逆變器是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主要部分，開發(fā)高性能的逆變器控制策略已成為研究的重點。對于相位幅值逆變控制電路，為電壓單環(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，輸入電壓濾波器會出現(xiàn)振蕩且負(fù)載電流會發(fā)生畸變。提出一種矢量解耦控制策略，對直流側(cè)電容電壓的平衡進行分析與補償設(shè)計，給出矢量解耦控制算法的軟件流程。實驗結(jié)果表明，該控制策略能獲得較好的控制性能，并能實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正。該逆變器運行效率高，可靠性好，完全滿足并網(wǎng)要求。

關(guān)鍵詞：新能源；三相并網(wǎng)；模型建立；PWM變換器；解耦控制

中圖分類號：TP464 文獻標(biāo)識碼：A

1 引 言

隨著現(xiàn)代社會對能源需求的不斷增加而傳統(tǒng)能源的供應(yīng)不斷枯竭，以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電收到了廣泛重視。作為一種新的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電贏得了非常重要的發(fā)展機遇[1]。風(fēng)力并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)憑借成本低、應(yīng)用廣泛、輸出波形穩(wěn)定等特點，其應(yīng)用比例快速增長，已成為新能源技術(shù)的主流應(yīng)用。由于要求風(fēng)力并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)輸出的交流電與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步，因此，如何綜合考慮功率變換器的動態(tài)性能、系統(tǒng)干擾、輸出波形失真、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同步等問題成為了風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制的關(guān)鍵和難點[2]?；诖耍疚牟捎秒妷?、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，設(shè)計出矢量解耦的逆變器控制電路，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對三相逆變器的電流實現(xiàn)靜態(tài)解耦，改善有源逆變的動態(tài)響應(yīng)及抗干擾能力，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制。

2 控制原理及數(shù)學(xué)模型

2.1 原理

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

圖1 矢量控制框圖

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

2.2 三相PWM逆變器dq數(shù)學(xué)模型

對電壓型逆變器，在三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC中假設(shè)：

1.電網(wǎng)電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢（Ea、Eb、Ec）；

2.網(wǎng)側(cè)濾波電感L（a，b，c）是線性的；

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

在靜止的三相ABC參考坐標(biāo)系中，經(jīng)濾波電感L并網(wǎng)的風(fēng)力并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)方程如式（1）。

分別是并網(wǎng)電流、逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的dq分量；ω為電網(wǎng)電壓基波角頻率。理想狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓是無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式（3）。

vgd=0vgq=v（3）

其中，v是電網(wǎng)相電壓的峰值。

實際上，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，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，νgd的平均值仍為0。因此在穩(wěn)態(tài)下，逆變器輸出的有功、無功功率如式（4）。

P=vdid+vqiqQ=vqid-udiq（4）

在三相電網(wǎng)電壓平衡的條件下，使并網(wǎng)電流d軸分量與電網(wǎng)電壓交流矢量同步旋轉(zhuǎn)，則Vq=0。那么逆變器輸出的有功與無功功率分別與dq軸電流成比例，可以實現(xiàn)逆變器輸出有功與無功功率的解耦控制[8]。

3 電路設(shè)計

3.1 逆變主電路

三相PWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖2示。

電路由三個橋式電路組成，開關(guān)管VT1～VT6采用全控型電力電子器件，二極管VD1-VD6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承受最大正向陽極電壓，而控制極又獲得觸發(fā)脈沖時轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)[9]。

3.2 三相并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

三相風(fēng)力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)采用雙環(huán)控制。外環(huán)由鎖相環(huán)和最大功率跟蹤環(huán)組成，為內(nèi)環(huán)提供參考線電流；內(nèi)環(huán)由定頻算法、滯環(huán)電流控制和三相解耦等模塊組成，用于電流的實際跟蹤，實現(xiàn)并網(wǎng)[10]，三相并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3示。

檢測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2/3變換成三相交流，控制PWM逆變器產(chǎn)生脈沖。

4 仿真測試及分析

4.1 仿真電路搭建

用MATLAB搭建的三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的仿真模型，主要由風(fēng)力電源模塊、逆變主電路模塊、電網(wǎng)模塊和PWM生成模塊組成，如圖4所示。

仿真輸出三相并網(wǎng)電壓波形如圖5示[11-12]。三相并網(wǎng)電壓的周期0.01s，頻率50Hz。與電網(wǎng)的頻率一致，不會對電網(wǎng)造成干擾，完全滿足并網(wǎng)要求。

圖5 三相并網(wǎng)電壓輸出波形

仿真輸出A相的電壓與電流波形如圖6示。

A相電壓與電流周期，頻率相同，相位差90°；電流瞬態(tài)響應(yīng)時間0.005s左右，響應(yīng)的時間短，逆變器輸出電流完全能夠跟隨給定電流變化。

圖6 A相電壓和電流波形

5 結(jié) 論

本文提出了一種采用電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，設(shè)計出三相四橋臂逆變器的矢量解耦控制方案，實現(xiàn)了對三相四橋臂逆變器的矢量解耦控制。建立了三相四橋臂逆變器的空間電路模型，分析了其空間電壓矢量的分布；同時，改善了有源逆變器的動態(tài)響應(yīng)及抗干擾能力，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制。設(shè)計電路經(jīng)仿真測試，系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠、瞬態(tài)響應(yīng)時間短、抗干擾能力強，電壓、電流波形完全滿足并網(wǎng)要求。

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