基于改進(jìn)SVPWM的多電平風(fēng)電并網(wǎng)逆變器的研究

李 沁,李紹武,廖紅華,艾 青,高仕紅

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

基于改進(jìn)SVPWM的多電平風(fēng)電并網(wǎng)逆變器的研究

李 沁,李紹武,廖紅華,艾 青,高仕紅

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)中中點(diǎn)箝位式多電平并網(wǎng)逆變器存在的傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制方法(SVPWM)計(jì)算繁瑣和中點(diǎn)電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題,在120°坐標(biāo)系下,將傳統(tǒng)SVPWM中大量的三角函數(shù)和求根運(yùn)算用線性運(yùn)算代替,通過(guò)簡(jiǎn)化SVPWM算法,減小運(yùn)算量、提高運(yùn)行效率;通過(guò)直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差調(diào)節(jié)矢量運(yùn)行時(shí)間,實(shí)現(xiàn)直流側(cè)中點(diǎn)電壓平衡控制,減小諧波含量;并對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的逆變并網(wǎng)部分進(jìn)行了仿真,結(jié)果驗(yàn)證了該SVPWM調(diào)制方法的可行性和有效性,為實(shí)際中實(shí)現(xiàn)具有較高電能質(zhì)量的風(fēng)電并網(wǎng)提供了研究基礎(chǔ).

空間矢量脈寬調(diào)制;多電平逆變器;線性運(yùn)算;中點(diǎn)電位;風(fēng)電并網(wǎng)

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展,風(fēng)電裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中比重越來(lái)越大,大功率的風(fēng)電變流器已經(jīng)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn).在高壓大功率領(lǐng)域中,多電平換流器以其具有開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力小、輸出電壓諧波含量少的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用,具有良好的發(fā)展前景[1],因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三相PWM逆變器也是研究熱點(diǎn),其并網(wǎng)過(guò)程受到廣泛關(guān)注[2].

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,核心是連接電網(wǎng)的逆變器.交流側(cè)的逆變電壓需在幅值、頻率、相位上滿足與電網(wǎng)電壓一致的條件才能并網(wǎng),諧波電流盡可能低,功率因數(shù)可調(diào),能向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率[3].

并網(wǎng)逆變器常用PWM(脈寬調(diào)制)、SPWM(正弦脈寬調(diào)制)和SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制),其中SVPWM調(diào)制方法的電壓利用率高、輸出波形諧波含量較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、容易數(shù)字實(shí)現(xiàn),因而應(yīng)用非常廣泛.傳統(tǒng)的SVPWM方法中,運(yùn)算包含大量的三角函數(shù)和求根運(yùn)算,而在120°坐標(biāo)系下可以大大簡(jiǎn)化各個(gè)扇區(qū)基本矢量的作用時(shí)間的計(jì)算[4],通過(guò)對(duì)比分析SPWM與SVPWM可知,在兩電平SPWM輸出中加入特定的零序分量可以得到SVPWM的數(shù)學(xué)本質(zhì)[5],采用一種改進(jìn)的SVPWM形成多電平并網(wǎng)逆變器的輸出波形,該方法通過(guò)推導(dǎo)在120°坐標(biāo)系下各相調(diào)制波與占空比的表達(dá)式,其表達(dá)式省去了傳統(tǒng)SVPWM中繁雜的三角函數(shù)和求根計(jì)算,只含有線性計(jì)算,節(jié)約運(yùn)算資源和時(shí)間,通過(guò)電壓矢量角度的不同靈活調(diào)整非零矢量和零矢量的順序,使輸出波形對(duì)稱(chēng)性更好[6];在此基礎(chǔ)上,將一種基于中點(diǎn)電位偏移量的滯環(huán)控制方法引入改進(jìn)的空間矢量調(diào)制方法中,可以精確控制中點(diǎn)電位,進(jìn)一步減小諧波含量,改善并網(wǎng)的電能質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論的可行性[7].

1 直驅(qū)型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Direct-drive permanent magnet generator wind power system

本文研究的為永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),圖1為其發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,包括發(fā)電機(jī)、變流器.該類(lèi)型的風(fēng)電系統(tǒng)變流器直接與風(fēng)機(jī)相連,容量與風(fēng)機(jī)相等.其中逆變器為多電平逆變器,采用SVPWM控制,圖2為其逆變器的主電路結(jié)構(gòu).

圖2 多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of a three-level inverter

2 改進(jìn)SVPWM原理分析

實(shí)現(xiàn)該SVPWM調(diào)制方法的步驟為：①考矢量位置以及由哪三個(gè)矢量合成；②本電壓矢量的作用時(shí)間；③優(yōu)化輸出矢量開(kāi)關(guān)順序,調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡.

2.1開(kāi)關(guān)狀態(tài)分析

對(duì)于圖2所示的多電平逆變電路,根據(jù)三相對(duì)稱(chēng)原理,以A相為例,輸出電壓為ua=Udc/2,定義為P狀態(tài),輸出電壓為ua=0,定義為O狀態(tài),輸出電壓為ua=-Udc/2,定義為N狀態(tài).輸出電壓矢量為:

圖3 電壓空間矢量分布圖Fig.3 Voltage space vector graph

對(duì)于三相多電平逆變器,每相開(kāi)關(guān)狀態(tài)都有3種,因此逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合共有27種[8],如圖3所示.

由圖3可知,27個(gè)矢量中共有3個(gè)零矢量、12個(gè)小矢量、6個(gè)中矢量、6個(gè)大矢量,3個(gè)零矢量在中點(diǎn)重合,12個(gè)正負(fù)小矢量分別為P型矢量和N型矢量,并互為冗余矢量,因此輸出有效的空間矢量為19個(gè),6個(gè)大矢量將空間分為6個(gè)扇區(qū).

圖4 扇區(qū)Ⅰ的矢量分布Fig.4 Vector distribution in sectorⅠ

根據(jù)SVPWM調(diào)制的對(duì)稱(chēng)關(guān)系,以扇區(qū)Ⅰ為例對(duì)圖3所示的多電平逆變器參考矢量進(jìn)行分析.根據(jù)矢量作用的時(shí)間順序和不同的基本電壓矢量,可以將扇區(qū)分為6個(gè)小三角形區(qū)域,如圖4所示.

2.2空間電壓矢量作用時(shí)間確定

令ua、ub和uc為三相正弦電壓信號(hào)的給定值,相位依次相差120°,uab、ubc和uca為相應(yīng)的線電壓,PWM開(kāi)關(guān)周期為T(mén)s.根據(jù)等幅值坐標(biāo)變換,在區(qū)域2.1內(nèi)各基本電壓矢量作用的時(shí)間可由式(2)計(jì)算:

(2)

各基本電壓矢量作用的時(shí)間如圖5所示:

圖5 扇區(qū)ⅠSVPWM時(shí)序關(guān)系Fig.5 SVPWM timing in sectorⅠ

圖5中,ta、tb、tc為a、b、c三相在一個(gè)載波周期內(nèi)高電平導(dǎo)通的時(shí)間.一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),任意一相只會(huì)在兩種狀態(tài)之間變化,或者為P狀態(tài)和O狀態(tài)之間,或者為O狀態(tài)與N狀態(tài)之間,前者定義高電平為P狀態(tài),后者定義高電平為O狀態(tài).

引入控制因子k和三個(gè)中間變量,令:

(3)

結(jié)合圖4和圖5,當(dāng)參考電壓矢量落在2.1區(qū)域時(shí),有:

(4)

可得三相調(diào)制波的表達(dá)式:

(5)

由于SVPWM的本質(zhì)是在SPWM的正弦調(diào)制信號(hào)中注入零序電壓[5,9-10],SVPWM的調(diào)制波可以由典型的SPWM調(diào)制波等效實(shí)現(xiàn),即:

(6)

由式(2)到式(6)可得區(qū)域2.1內(nèi)零序電壓的表達(dá)式為:

uz=0.75(1+k)Udc+uca-1.5(1+k)uab-2ubc

(7)

同理可得扇區(qū)Ⅰ中其它區(qū)域零序電壓的表達(dá)式,如表1所示:

表1 扇區(qū)Ⅰ各區(qū)域零序電壓

(8)

其他區(qū)域的計(jì)算同理,在此不再贅述.

2.3中點(diǎn)電位平衡的控制

在多電平逆變器中,電容中點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)包括穩(wěn)態(tài)的直流偏移和動(dòng)態(tài)的低頻交流分量,這種不對(duì)稱(chēng)會(huì)產(chǎn)生諧波,增大電容應(yīng)力,使功率開(kāi)關(guān)電壓不一致甚至被擊穿,不利于變流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此需要采用中點(diǎn)電位平衡控制來(lái)消除或者減小這些影響[11].由于P型小矢量和N型小矢量對(duì)于中點(diǎn)電位貢獻(xiàn)效果相同,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩種矢量的有效時(shí)間比例來(lái)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡的控制[12].

在式(3)中,令k=ρe,其中e為中點(diǎn)電壓的偏移量,ρ為中點(diǎn)電位控制因子,在滿足諧波前提下合理選擇ρ值可以更好的獲得中點(diǎn)平衡控制性能,當(dāng)中點(diǎn)電位偏低則ρegt;0,若中點(diǎn)電位偏高則ρelt;0,即:

(9)

通過(guò)檢測(cè)直流側(cè)兩電容電壓間的差值,調(diào)整兩個(gè)小矢量的作用時(shí)間,形成閉環(huán)控制,使得中點(diǎn)電壓控制在期望范圍內(nèi).

3 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證所給出的三相多電平逆變器控制方法的有效性,以圖1所示對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析.用Matlab/Simulink軟件對(duì)本文的調(diào)制方法進(jìn)行仿真研究,算法基于s函數(shù)實(shí)現(xiàn).相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置為:直流母線電壓Udc=600V,直流側(cè)等效電阻Rs=0.2Ω,穩(wěn)壓電容C1=C2=900 μF;交流側(cè)濾波器電感L=9 mH,濾波器寄生電阻R=5Ω;開(kāi)關(guān)周期Ts=1 ms;中點(diǎn)電位控制因子ρ=0.6,實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡滯環(huán)控制的環(huán)寬為20V;電網(wǎng)電壓220V/50Hz.

3.2仿真結(jié)果及分析

根據(jù)圖1的三相電壓型逆變器的結(jié)構(gòu),以及上述參數(shù)設(shè)置,分別采用傳統(tǒng)的SVPWM和采用中點(diǎn)電位平衡控制的改進(jìn)型SVPWM調(diào)制方法對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真分析.由于運(yùn)算減少了三角函數(shù)和求根計(jì)算,仿真過(guò)程改進(jìn)SVPWM調(diào)制過(guò)程所用時(shí)間少于傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制.采用etime函數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)時(shí),傳統(tǒng)SVPWM的仿真過(guò)程需要64.237 s,而將三角函數(shù)和求根計(jì)算改進(jìn)為線性計(jì)算后的改進(jìn)SVPWM則只需要31.845 s,減小了仿真運(yùn)行的時(shí)間,提高了程序運(yùn)行效率.

圖6 直流側(cè)中點(diǎn)電位波形Fig.6 The waveform of DC-link neutral point vlotage

風(fēng)電系統(tǒng)多電平逆變器并網(wǎng)模型仿真運(yùn)行,模型中為七電平并網(wǎng)逆變器,仿真結(jié)果如下:圖6為直流側(cè)電容中點(diǎn)電位波形圖;圖7為引入中點(diǎn)電位平衡控制的改進(jìn)SVPWM調(diào)制法逆變器線電壓與線電壓基波波形；圖8為傳統(tǒng)SVPWM算法與改進(jìn)SVPWM算法調(diào)制波輸出的諧波分析對(duì)比圖.

圖7 多電平并網(wǎng)逆變器輸出電壓波形Fig.7 The waveforms of output voltage of three-level grid-connected inverter

圖6所示為加入中點(diǎn)電位控制后的直流側(cè)電容中點(diǎn)電位的波形,由圖可知直流電容電壓在±10V內(nèi)波動(dòng),中點(diǎn)電位保持在滯環(huán)的環(huán)寬范圍內(nèi),具有良好的穩(wěn)定性能,實(shí)現(xiàn)了有效的中點(diǎn)電位平衡,證明了該閉環(huán)控制中點(diǎn)電位方法的有效性和可行性.

圖7分別為多電平逆變器輸出相電壓、線電壓和線電壓的基波分量.由圖可知線電壓為多電平階梯波,驗(yàn)證了逆變器的多電平特性,本文采用的改進(jìn)SVPWM算法能使多電平逆變器輸出期望的電壓波形.

圖8為分別對(duì)傳統(tǒng)的SVPWM調(diào)制算法和改進(jìn)SVPWM調(diào)制算法輸出的線電壓采用傅里葉變換進(jìn)行諧波分析的對(duì)比圖,其中橫坐標(biāo)為頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)為各次諧波所占基波幅值的百分比.由諧波對(duì)比分析結(jié)果可以看出,相對(duì)于傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制,采用帶有中點(diǎn)電位控制的改進(jìn)SVPWM調(diào)制算法的總諧波畸變率(THD)大大減小,由15.5%減小到8.8%,傳統(tǒng)的SVPWM中直流分量占基波百分比為3.2%,引入了中點(diǎn)電位平衡的改進(jìn)SVPWM減少了直流分量,減弱了線電壓的畸變,抑制諧波產(chǎn)生,提高了交流側(cè)的功率因數(shù).

(a) 傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方法 (b) 改進(jìn)SVPWM調(diào)制方法圖8 輸出線電壓諧波分析對(duì)比圖Fig.8 The comparison of harmonic spectrum of line voltages

4 總結(jié)

由以上風(fēng)電并網(wǎng)多電平逆變器的理論與仿真分析,可以得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)SVPWM算法的本質(zhì)分析,在120°坐標(biāo)系下對(duì)SVPWM算法進(jìn)行推導(dǎo),得到了SVPWM各相調(diào)制波的簡(jiǎn)化算法數(shù)學(xué)表達(dá)式,避免了傳統(tǒng)的SVPWM算法求解時(shí)必須的三角函數(shù)和求根運(yùn)算,大大減小了運(yùn)行時(shí)間,提高了運(yùn)行效率.

2)將直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差引入到多電平逆變器閉環(huán)控制中,結(jié)果證明該方法能確保多電平逆變器在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中具有良好的網(wǎng)側(cè)性能和中點(diǎn)電壓平衡特性.

綜上,采用的改進(jìn)SVPWM控制多電平逆變器方法可以滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)需要,維持了并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和可靠,為實(shí)際中實(shí)現(xiàn)具有較高電能質(zhì)量的風(fēng)電并網(wǎng)提供了理論基礎(chǔ).

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責(zé)任編輯：時(shí)凌

ResearchonMulti-levelWindPowerGridInverterBasedonImprovedSVPWM

LI Qin,LI Shaowu,LIAO Honghua,AI Qing,GAO Shihong

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Aiming at the problems of complex Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) and neutral point voltage fluctuation of three-level neutral point clamped inverter in wind power system,an improved SVPWM modulation method is presented in this paper.The linear calculation is used to simplify the three-level SVPWM algorithm and increase the efficiency instead of the numerous trigonometric functions and squre-root function in the traditional three-level SVPWM algorithm under the 120°coordinate system.The neutral point voltage error is introduced in the improved SVPWM algorithm to adjust the acting time of small vectors and the DC-link neural point voltage balance control is solved.The model of active inverter part of wind power grid-connected system with this improved SVPWM modulation has been simulated,the simulation results verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy,which provides theoretical basis on completing wind power grid integration of high power quality in practice.

space vector pulse width modulation;multi-level inverter;linear calculation;neutral point voltage;wind power grid-connected

2017-06-23.

湖北省教育廳科技項(xiàng)目(Q20161901);湖北民族學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目(MY2013B024).

李沁(1981-)，女，博士，講師，主要從事電力電子與新能源技術(shù)的研究.

1008-8423(2017)04-0453-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.12.022

TM46

A