多重电枢风电系统无电网电压传感器的并网逆变

汤燕燕, 阮 毅, 杨 勇

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

多重电枢风电系统无电网电压传感器的并网逆变

汤燕燕, 阮 毅, 杨 勇

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

以提高并网逆变器可靠性和降低成本为目的,采用基于虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器的矢量控制策略;为了提高风电系统可靠性和容错能力,采用多重电枢直流侧电压并联运行的控制方案.详细分析单套逆变器数学模型和控制策略,实现两套逆变器并联运行并网.实验结果表明,三相并网逆变器输出电流正弦度良好,同时具有较好的动、静态特性,从而验证了方案的可行性和正确性.

多重电枢;并联;无电网电压传感器;虚拟磁链

能源与环境是人类社会生存发展的重要基础.随着不可再生能源减少、电力资源紧张、环境污染等问题的日益严重,可再生能源发电技术引起了人们的广泛关注.风能是一种无污染、可再生的绿色能源,风力发电在未来的能源结构中将占有越来越重要的地位,风力发电技术已成为研究的热点[1].

三相并网逆变器主要采用直接功率控制 (direct power control,DPC)和电压矢量控制 (voltage oriented control,VOC)[2-3].目前应用最多的是电网电压定向的矢量控制技术[4],该项技术必须检测电网电压、输出电流和直流母线电压.但是,众多的传感器也带来了高成本、复杂性和可靠性差等问题.

交流电流传感器用于提供反馈电流和实现电流保护,直流母线电压传感器用于实现电压保护和保证母线的稳定,二者缺一不可.电网电压传感器可用来计算电网电压的空间角度,由于该角度可以通过过零点检测,因此也可以在静止坐标系或旋转坐标系中,通过滤波再求反正切实时计算[5],所以本工作控制策略省略了电网电压传感器.

1 三相并网逆变器数学模型和控制策略

1.1 数学模型

三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图 1所示[6],其中 UDC为前端风机机组输出电压接整流桥得到的直流母线电压,iA,iB,iC为并网逆变器输出电流,uA,uB,uC为并网逆变器输出电压,eA,eB,eC分别为三相电网电压,L,R为连接并网逆变器与电网的电感和电阻.

图 1 三相电压型的并网逆变器Fig.1 Three-phase voltage source of gr id-connected inver ter

并网逆变器的电网电压相当于交流电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电动势,电抗器的电感和电阻相当于电机定子绕组的漏感和电阻.如图1所示,圆内部分可以看作一台虚拟的交流电机[7].

设三相电网电压平衡,电流参考方向如图 1所示,则在αβ坐标系下,并网逆变器的电压方程为

式中,iα,iβ为三相并网逆变器输出电流在αβ坐标系下的α,β分量,uα,uβ为三相并网逆变器输出电压在αβ坐标系下的α,β分量 ,eα,eβ为电网电压在αβ坐标系下的α,β分量.根据直流母线电压和并网逆变器的开关函数 Sa,Sb,Sc(Si=1为相应的上桥臂导通,Si=0为相应的下桥臂导通),可以估算出并网逆变器输出电压 uα,uβ(等匝数变换),有

通过对式 (1)两边积分,电网电压的虚拟磁链α,β分量为

忽略电阻,得到

式中 ,ψα,ψβ和 ψuα,ψuβ分别为电网电压合成矢量的虚拟磁链和逆变器输出电压合成矢量的虚拟磁链在αβ坐标系下的α,β分量.

1.2 控制策略

旋转坐标系的同步旋转频率为ωs,则三相并网逆变器在同步旋转 dq坐标系下的数学模型[8]为

式中,id,iq为三相并网逆变器输出电流在 dq坐标系下的 d,q分量,ud,uq为三相并网逆变器输出电压在dq坐标系下的 d,q分量.如果将旋转坐标系下 d轴定向在虚拟电网磁链合成矢量ψ上,可得到以 d轴虚拟电网磁链定向下并网逆变器的稳态矢量图 (见图 2),则电网电压合成矢量 Es比虚拟磁链矢量ψ超前π/2,即

式中,Es为电网电压合成矢量的幅值.将 ud,uq用开关函数来表示 (Sd,Sq为开关函数在 dq旋转坐标系中的表示),由式 (5)和 (6)可得

图 2 虚拟磁链定向并网逆变器稳态矢量图Fig.2 Steady vector of vir tual power gr id flux or iented gr id-connected inver ter

要实现虚拟磁链定向,控制器此时的重点是实现虚拟磁链空间位置角度θs的观测.由式 (4)可以获得虚拟磁链的两个分量ψα和ψβ,但是虚拟电网磁链的初始值未知,积分时直接运用式 (4)会引入与积分初值有关的直流偏置,所以采用一阶低通滤波器代替纯积分的磁链观测器,以得到在稳态时消除直流偏置的效果[9-10],磁链观测器模型如图 3所示.于是,利用两相电流和桥臂的开关信号估算出虚拟电网磁链的α,β分量,再根据图 2,经过反正切函数运算即可得到虚拟磁链空间位置角度为

图 3 虚拟磁链观测器Fig.3 Observation of vir tual flux

利用虚拟电网磁链观测器估算电网的空间角度,采用空间矢量脉宽调制 (space vector pulse width modulation,SVPWM)方式和虚拟的电网磁链矢量定向的控制策略,使 d轴、q轴电流闭环,实现有功功率和无功功率的解耦控制,q轴电流控制有功功率,d轴电流控制无功功率.图 4为以 d轴虚拟磁链定向的无电压传感器并网逆变器矢量控制框图.

2 并联运行并网逆变实验

图 4 虚拟磁链定向并网逆变器矢量控制框图Fig.4 Vector control d iagram of vir tual power gr id flux or ien ted gr id-connected inver ter s

多重电枢绕组混合励磁风力发电系统的结构如图 5所示.图中有 3套控制器分别控制 3套主回路:一套用于控制混合励磁电机的电励磁部分;另外两套功能相同且独立运行,控制两套变频器实现逆变并网.额定运行下,通过调节励磁电流的大小调整发电机输出电压满足并网逆变的要求.考虑到实验成本,本系统设计为两套电枢绕组[11-12].正常运行下,可以选择单套个别运行和两套并联运行;故障发生时,可撤去故障电枢单元进行检修,由未发生故障电枢单元维持发电系统持续运行.另外,风速较大时可以选择两套同时向电网发送有功功率;而风速较低时可以使一套发送有功功率另一套发送无功补偿,以提高逆变电流的品质,提高系统的运行灵活性.

图 5 多重电枢绕组混合励磁风力发电系统Fig.5 W ind-power system w ith m ultiple armaturew ind ingsand hybr id excitation

整流侧由发电机输出的三相电压在实验过程中由电网直接经由调压器给出,更好地完成了并网逆变的控制.调压器输出的三相电压经过隔离变压器分别送至两套主回路,经过不可控整流,由两套控制器独立控制逆变器并网运行.

为了验证该控制策略的可行性和并网逆变器的性能,本工作研制了基于英飞凌公司 DSP芯片(XC167CI)的实验平台 (见图 6).整个系统由 2块XC167CI芯片来实现,分别控制上、下套并网逆变器,2块 DSP通过 CAN与电脑进行通讯,由上位机软件统一控制.

图 6 实验平台的实物照片Fig.6 Photo of exper imental platform

并网逆变实验分为单套逆变运行和并联逆变运行两部分.

2.1 单套逆变实验

整个系统由三相二极管整流桥、三相脉宽调制(pulsewidth modulation,PWM)逆变器、电压和电流检测以及保护电路等组成.绝缘栅极型功率管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的开关频率设置为 10 kHz,死区时间设置为 3μs.并网逆变器的控制系统算法有 3S/2S变换、2S/2r旋转变换、2r/2S逆变换、电流 PI调节器、电压空间矢量模块、电网空间角度的估算等,参数如表1所示.

表1 实验条件参数Table 1 Param eter s of exper im en tal cond ition

为了进行单位功率因数逆变,给定 id=0 A,iq=4 A,0.3 s后 id=0 A,iq=8 A.图 7为 A相电压和估算出来的电网空间角度 (超前虚拟磁链π/2)实验波形,图 8为虚拟电网磁链的实验波形,图 9为 A相电压和A相电流的实验波形.

图 7 A相电压和估算电网空间角度实验波形Fig.7 Exper imental waveform of A phase voltage and estimated gr id space angle

图 8 虚拟电网的磁链实验波形Fig.8 Exper imental waveform of vir tual gr id flux

图 9 A相电压和 A相电流的实验波形Fig.9 Exper imental waveform of A phase voltage and A phase current

从图 7可以看出,估算得到的电网角度从 0°变化到360°,线性度良好.从图8可以看出,估算的虚拟电网磁链ψα,ψβ基本为正弦,ψα在时间上比ψβ超前 90°.从图 9可以看出,A相电压和 A相电流同相位,电流正弦度好,谐波分量小,实现了功率因数接近为 1的逆变,并且在起动过程中,三相并网逆变器输出电流不到半个周波就达到了给定值.

2.2 并联逆变实验

图 10为两套并联运行且有功电流给定情况下的系统电流响应图.可以看出,两套三相并网逆变器输出电流都基本正弦,且同向实现两套都是有功功率电流.图 11为一套有功电流给定、一套无功电流给定情况下的两套并联运行系统电流响应图.可以看出,两套三相并网逆变器输出电流都基本正弦,其中一套实现功率因数为 1的逆变,另一套实现无功功率补偿.由图 10和图 11可以看出,电流波形正弦度好、系统性能良好,谐波分量较小,实现了并联并网运行.

图 10 两套 A相电流波形(都为有功)Fig.10 Waveform of A phase currents(two active power)

图 11 两套 A相电流波形(一套有功一套无功)Fig.11 Waveform of A phase curren ts(one active power,one reactive power)

3 结 束 语

本研究采用多重电枢直流侧电压并联运行的控制方案,根据无电网电压传感器的并网逆变器的数学模型,采用空间矢量脉宽调制方式和虚拟电网磁链合成矢量定向的控制策略,实现有功功率和无功功率的解耦控制和功率因数可调.实验结果表明,并网逆变器输出的电流波形正弦度良好,谐波分量小,动态响应快.

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“上大期刊屋”推出“学术论文写作与投稿”系列讲座

根据上海大学期刊社“上大期刊屋”的工作计划,2010年“上大期刊屋”系列讲座的第一场“学术论文写作与投稿”在上海大学延长校区第四教学楼 301室如期举行.本次讲座在研究生工作党委的协助下,“上大期刊屋”专门针对冬季学期的首日教育而为机电工程与自动化学院在读研究生量身打造.本次讲座由《上海大学学报 (自然科学版)》孟庆勋编辑主讲.讲座内容丰富而生动,从上大主办的学术期刊、国内外知名的期刊检索及数据库体系讲起,重点为同学们介绍了学术期刊编辑眼中的好论文的选题设计、研究过程、内容构成以及标题、摘要、关键词、文献等各个方面所必须具备的标准,尤其是针对当下的学术不端行为,重点强调了在论文投稿过程中应该遵循的技术规范和道德规范.

本次讲座是上海大学期刊社“上大期刊屋”针对各个学院所精心策划的系列讲座的第一场.在期刊社青联会成员的共同努力下,针对冬季学期各个学院的研究生教育,“上大期刊屋”还会继续围绕“编辑眼中的好论文”这一主题推出系列讲座.

(上海大学期刊社)

Parallel Gr id-Connected Inver ter s for M ultiple Ar mature-W ind ing W ind Power System w ithout Gr id Voltage Sensor s

TANG Yan-yan, RUAN Yi, YANG Yong
(School of Mechatronics Engineering and Automation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

The control strategy based on virtual power grid flux without power grid voltage sensors is proposed to improve reliability and reduce cost for the grid-connected inverter.A novel control strategy makes the DC voltage flexibly run in parallel based on multip le armature-w inding,making the system more reliable and robust.Experimental results show that output currents are sinusoidal,w ith a good dynamic and static performance.Thus feasibility of the control strategy is verified.

multiple armature-winding;parallel;sensorswithout grid voltage;virtual grid flux

TM 614

A

1007-2861(2011)01-0074-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.012

2009-07-22

台达电力电子科教发展基金重点资助项目(DRES2007002);上海大学研究生创新基金资助项目 (SHUCX092200)

阮 毅 (1955～),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为电力电子与电力传动.E-mail:yruan@mail.shu.edu.cn

(编辑:刘志强)