LVPWM調(diào)制模式下變流器技術(shù)研究

吳建明++魏毅立++吳振奎

摘 要：風(fēng)電變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，它決定著風(fēng)電機(jī)組輸出電能質(zhì)量。針對(duì)SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）控制技術(shù)的不足，在此基礎(chǔ)上提出了LVPWM（邏輯電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)）控制技術(shù)，通過搭建MATLAB/SIMULINK仿真試驗(yàn)平臺(tái)和基于TMS320F2812DSP的94kW變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明，LVPWM調(diào)制模式下變流器門極開關(guān)損耗減少一半，延長(zhǎng)了變流器壽命，減少了風(fēng)力發(fā)電成本，提高了變流器抗直通安全性能。LVPWM調(diào)制模式下發(fā)出的電能質(zhì)量跟SVPWM模式下一樣，諧波質(zhì)量分析表明電能質(zhì)量未受到任何影響。

關(guān)鍵詞：邏輯電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù) 變流器 DSP

中圖分類號(hào)：TM375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（c）-0118-04

Abstract： Wind power converter is an important part of wind power generation system， it determines the wind turbine output power quality. Aiming at the shortcomings of SVPWM （space vector pulse width modulation） control technology， this paper puts forward the control technology of LVPWM （logic voltage space vector pulse width modulation）. By setting up the MATLAB/SIMULINK simulation test platform and the 94kW converter based on TMS320F2812DSP The simulation results and experimental results show that the power quality in the LVPWM modulation mode is the same as that in the SVPWM mode. The harmonic quality analysis shows that the power quality is not affected， the gate switching loss is reduced by half， and the converter life， Reducing the cost of wind power， improve the converter anti-pass safety performance.

Key Words： Logic voltage space vector pulse width modulation （LVPWM）； Converter； DSP

風(fēng)能是一種安全、清潔、豐富的新能源，在這個(gè)新能源備受青睞的時(shí)代，風(fēng)力發(fā)電作為新能源的典型代表，近年來，全球風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。到2020年底，全球累計(jì)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量將達(dá)到703.4GW，我國占全球裝機(jī)容量將達(dá)到40%左右。

隨著裝機(jī)容量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，如何降低風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行和維護(hù)成本是當(dāng)前亟待解決的難題，以雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，風(fēng)力發(fā)電變流器作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件直接決定著風(fēng)力發(fā)電成本。因此，延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器壽命至關(guān)重要。為了提高風(fēng)電機(jī)組變流器壽命降低風(fēng)電機(jī)組維護(hù)運(yùn)行成本，采用LVPWM（邏輯電壓空間矢量脈寬調(diào)制）脈寬調(diào)制信號(hào)取代SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)。SVPWM調(diào)制技術(shù)是在一個(gè)周期內(nèi)插入兩種零矢量，一個(gè)周期內(nèi)上下橋臂開關(guān)器件動(dòng)作4次。如果采用高的調(diào)制比，則開關(guān)器件開關(guān)頻率特別高，這樣會(huì)縮短變流器壽命，增加風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)成本。如果有一種脈寬調(diào)制技術(shù)，在輸出電能質(zhì)量不變壞的情況下，降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率，延長(zhǎng)變流器使用壽命，在此提出了LVPWM（邏輯電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)）脈寬調(diào)制技術(shù)[1]。

1 LVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)原理分析

網(wǎng)側(cè)變流器的拓?fù)淙鐖D1所示，負(fù)載是三相有源負(fù)載即大電網(wǎng)[2]。網(wǎng)側(cè)變流器的電流流向如圖1所示，設(shè)定流進(jìn)為負(fù)即A，C相為正，B相為負(fù)。此刻電路VT1關(guān)斷，VT2開通，VT3開通，VT4關(guān)斷，VT5關(guān)斷，VT6開通，即基本電壓矢量為（010）。在此通過DSP控制器發(fā)送脈沖調(diào)制信號(hào)（110）信號(hào)，給VT1發(fā)開通脈沖信號(hào)，給VT2發(fā)關(guān)斷脈沖信號(hào)，由圖1可以推出，VT2管能及時(shí)關(guān)斷，但是由于感性負(fù)載使得電流滯后于電壓一定角度，此刻上橋臂導(dǎo)通的是續(xù)流二極管VD1管，由于電壓的反向鉗位作用，作用在VT1上的開通脈沖信號(hào)不可能立刻使VT2導(dǎo)通。

通過上述推理分析，LVPWM的調(diào)制信號(hào)與電流方向共同來決定了網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)器件的開通關(guān)斷，我們把這種脈寬調(diào)制方法稱為L(zhǎng)VPWM（邏輯電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)）。此方法重點(diǎn)是理清電壓與電流的相位關(guān)系。

網(wǎng)側(cè)變流器帶無源三相對(duì)稱感性負(fù)載即大電網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出相電壓為，回路電流相量為，負(fù)載為等郊電阻R和電感L，電感L和電阻R上的相電壓分別為和，網(wǎng)側(cè)變流器單相等效電路及向量圖如圖2所示[3]。

根據(jù)圖2（b）可以求出阻抗角：

（1）

式中，為電流的角頻率，R、L分別為負(fù)載電網(wǎng)的電阻與電感。

SVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制輸出的相電壓波形為馬鞍形，主要諧波為三次諧波。由于大電網(wǎng)屬于感性負(fù)載，使得網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓諧波占比較小，因而網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流波形幾乎接近正弦。

可設(shè)三相電流方程為：

（2）

式中，為電壓初始相位角，為負(fù)載阻抗角。endprint

結(jié)合圖1與式2推理分析，LVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)的調(diào)制機(jī)理以B相橋臂來說，在iB>0的時(shí)候，一直封鎖B相的下橋臂脈沖，正常對(duì)上橋臂進(jìn)行脈寬調(diào)制；反之在iB<0時(shí)，封鎖B相的上橋臂。同理，采用上述脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)于A和C相來說同樣適用，采用同樣的調(diào)制方法來調(diào)制A相和C相開關(guān)器件。

2 基于MATLAB/SIMULINK平臺(tái)的LVPWM控制技術(shù)仿真分析

（1）SVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制模式下仿真模型及UAB線電壓波形圖，該模型的負(fù)載為三相對(duì)稱無源負(fù)載，如圖3、圖4所示。

（2）為了比對(duì)LVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制的的可行性，以MATLAB/SIMULINK來搭建仿真模型，如圖5所示。參數(shù)如下：f=15Hz；輸出相電壓幅值為200V；直流母線電壓Udc=550V；負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，阻容濾波電阻R4=R5=200Ω；阻容濾波電容C4=C5=5e-6。

負(fù)載電阻R1=R2=R3=2Ω；負(fù)載電感L1=L2=L3=1e-2H。

負(fù)載阻抗角：

（3）

圖5為負(fù)載阻抗角為360時(shí)仿真波形圖，由下面兩個(gè)仿真圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用LVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓和電流波形沒有受到任何影響，輸出電能質(zhì)量完全沒有發(fā)生變化（如圖6所示）[4]。

從圖7（b）中可以看出A相橋臂的上下管的觸發(fā)脈沖信號(hào)通過反相移位后能拼湊成一個(gè)馬鞍形波，這與用SVPWM調(diào)制模式下調(diào)制時(shí)得到的波形一樣。通過分析圖6（a）0.25后前后兩部分脈沖波形。LVPWM脈寬信號(hào)調(diào)制比SVPWM脈寬信號(hào)調(diào)制模式下，網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)器件的開通關(guān)斷次數(shù)能減少一半[5]。

3 基于TMS320F2812芯片的LVPWM驗(yàn)證結(jié)果

通過示波器驗(yàn)證LVPWM脈寬調(diào)制方法的適用性，以TMS320F2812 DSP控制芯片為核心搭建一臺(tái)94kW的網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[6]，負(fù)載為大電網(wǎng)系統(tǒng)，參數(shù)如下負(fù)載：R=22，負(fù)載阻抗角，采樣周期Ts=0.0005s，F(xiàn)=15Hz，L=0.25H，Udc=550V，Uref=25V，結(jié)果如圖8所示。

圖8（a）為網(wǎng)側(cè)變流器A相輸出電壓波形，與采用SVPWM脈寬調(diào)制時(shí)一樣，輸出電壓波形都為馬鞍形波。圖8（b）為網(wǎng)側(cè)變流器A相輸出電流波形。由圖8可以看出，采用LVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓電流波形與采用SVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)輸出波形一樣，電能質(zhì)量未受到任何影響。證明了LVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)技術(shù)的可行性，也降低網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)器件開關(guān)頻率和延長(zhǎng)使用壽命，在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

4 結(jié)語

在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，為了降低維護(hù)成本，基于基于網(wǎng)側(cè)變流器SVPWM脈寬調(diào)制信號(hào)的不足，結(jié)合實(shí)際提出了LVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證明這一技術(shù)的可行性，通過諧波分析比較，電能質(zhì)量未受到影響。LVPWM調(diào)制信號(hào)可以在不影響輸出電能質(zhì)量的前提下減少變流器開關(guān)器件的開關(guān)頻率一半，延長(zhǎng)了變流器使用壽命，提高了變流器抗直通安全可靠性，同時(shí)也帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，降低了風(fēng)力發(fā)電企業(yè)運(yùn)行維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] Raju.A.B，Chatterjee.K，F(xiàn)emandes.B.G.A Simple Maximum Power Point Tracker for grid connected Variable Speed Wind Energy Conversion System with Reduced Switch count power converters[A].2003 IEEE 34th Annual Power Electronics Specialists Conference[C]. Acapulco，NM，United states，2003：748-753.

[2] 包能勝，陳慶新，姜桐.百千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)建模與仿真[J].太陽能學(xué)報(bào)，1997（1）：51-57.

[3] 雄健，康勇，陳堅(jiān)，等.電壓空間矢量調(diào)制與常規(guī)SPWM的比較研究[J].電力電子技術(shù)，1999（7）：25-28.

[4] 梁亮，李建林，許洪化.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越研究[J].電力電子技術(shù)，2008（7）：23-28.

[5] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：5-22.

[6] R.Pena，J.C.Clare，G.M.Asher.Doubly fed induction generator usingback-to back[M].PWM converters，2003：617-728.

[7] 林資旭.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器在輸入電壓不平衡時(shí)控制技術(shù)的研究[D].北京：中國科學(xué)院電工研究所，2006.endprint