双馈风力发电机网侧变换器仿真

吕艳玲　卢健强　鲍杰

摘要：首先从电压型变换器的基本原理出发分析了双馈风力发电网侧变换器的基本结构，建立了网侧变换器分别在三相静止坐标系和dq坐标系下的数学模型。然后在网侧变换器的dq坐标模型的基础上采用电网电压定向矢量控制策略，介绍了其基本原理与实现方案。最后，利用mat-lab/simulink搭建了SVPWM、Park、控制系統等电力电子模型，在该模型上采用矢量控制策略进行了变换器在整流和逆变两种工作状态下的仿真，仿真结果表明，其控制策略具有良好的动态响应，而且通过选取合适的电感、电容，可以使网侧电流快速的进入稳定状态，且波形相对平滑，谐波含量较小，直流侧电压也可以很快进入稳定值，超调量小。

关键词：网侧变换器；矢量控制；控制策略；SVPWM

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0027-08

0 引言

随着风力发电技术的兴起，风电变流器的控制技术成为当今的研究热点。在双馈风力发电系统中，由于双馈发电机的转差功率在转子与电网之间双向流动，这就要求变流器的网侧变换器，既要能够工作于整流状态，又要能够工作于逆变状态。实现对网侧变换器准确控制是双馈风力发电系统变速恒频发电的关键技术之一。PWM变换器的控制技术是风力发电技术的核心技术之一，PWM变换器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM变换器可以取得以下优良性能：①网侧电流近似正弦波；②网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；③电能双向传输；④较快的动态响应。目前PWM变换器根据对输入电流的控制主要有两种方法，一是文提出的通过控制PWM变换器的交流侧电压，使其与电网电压保持一定的幅值和相位关系，进而间接控制网侧输入电流相位，这种通过交流侧电压来间接控制电流的方法叫间接电流控制，也称为幅相控制，该方法具有简单的控制结构和良好的开关特性，静态性能良好，检测量少，无需电流传感器，成本低，易于数字化实现，适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合，具有良好的工程实用价值；二是文提出的通过直接控制网侧交流电流跟踪指令电流的方式，来实现控制目的的直接控制电流的方法，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，这类控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法十分复杂，而且由于该方法增加了电流互感器，因此控制器成本会增大。此外，还有基于瞬时功率理论的控制方法，以有功和无功功率为控制对象的直接功率控制，如文提出的直接功率控制，但是DPC（直接功率控制）控制在靠近基本电压矢量的地方容易出现无功功率失控现象，导致网侧电流和直流电压出现较大波动。文提出无需同步旋转坐标变换和SVPWM调制的定开关频率的预测直接功率控制，可获得较好的稳态和动态性能，但该方法运算量大，矢量选择比较复杂，存在矢量租用时间为负的问题。文提出一种基于滑模变结构控制的直接功率控制，但存在抖动问题，会影响系统的性能和稳定性。此外控制技术主要有：①电流滞环控制；②智能控制；③矢量控制技术。电流滞环控制是一种电流直接控制方式，虽然结构简单，稳定性好，但是滞环电流控制的最大缺点是开关频率不固定，开关频率会随着滞环宽度和实际输入电流而变化，这对变换器的EMI设计带来了很大的困难。近年来，一些学者提出了大量的将非线性智能控制理论运用于PWM变换器控制中的算法，包括基于李亚普诺夫稳定定理控制方法、模糊控制方法、遗传算法和人工神经网络的控制方法。与传统方法相比，这些智能控制算法虽然无需建立变换器精确的数学模型和动态模型，但是控制复杂，而且在实际的工程应用中相对不成熟。矢量控制，技术成熟，控制灵活，而且通过矢量控制技术，可以方便的实现解耦控制。PWM变换器运行动态效果好坏，调制算法也是关键之一，常见的调制算法主要有载波调制法、正弦脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量调制（SVPWM）。3种调制算法中，空间电压矢量调制是基于伏秒平衡原理的调制方式，在每个开关周期，用相邻两个有效开关矢量和零矢量来等效三相桥臂终端电压矢量，没有明显的载波，具有直流电压利用率高，谐波小等优点。

因此综合考虑，本文采用间接电流控制方法，并且是基于电网电压定向的矢量控制策略，建立的PWM变换器仿真模型是基于PI调节器的双闭环控制系统，可实现无静差控制，该系统采用电压外环和电流内环的双闭环控制，将电网电压定向在两相旋转坐标系的d轴矢量上，双闭环输出的信号经过脉宽调制转化为脉冲信号从而驱动IGBT的导通，达到控制的目的。在调制方法上采用空间电压矢量调制（SVPWM），并且通过选取合适的滤波电感、滤波电容，可以使网侧电流谐波含量较小，直流侧母线电压快速准确的稳定在给定值，且超调量小。

1 网侧变换器数学模型及工作原理

三相电压型PWM变换器的主电路拓扑结构如图1所示。该电路主要包括三相交流电压源、交流侧电感、电阻、全控开关器件IGBT和直流侧电解电容。u_a、u_b、u_c分别为三相电网相电压；i_a、i_b、i_c分别为网侧输入的三相电流；U_dc为变换器直流侧电压；L为交流侧滤波电感；R为等效电阻；i_L为直流侧负载电流；C为直流侧电容。

为了简化计算，对该模型进行如下假设：

1）交流侧电源为三相平稳的纯正弦波电动势。

2）功率开关管为理想器件，没有过渡过程，其通断由开关函数描述。

3）网侧变换器直流母线电压保持稳定。

4）网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。

三相电压型SVPWM变换器的数学模型是采用开关函数描述的数学模型，假设主电路的开关器件可视为理想开关，其通断可以用开关函数S_K来描述，为了避免出现短路故障，图1中上下两个功率开关管的导通是互补的，即上桥臂开关管导通时，其对应的下桥臂功率开关管是关断的，对三相电压型SVPWM变换器写出其对应的逻辑开关函数为

（1）

根据以上假设、开关函数及PWM主电路拓扑结构可得网侧变换器在三相静止坐标系下的数学模型，即：

（2）式（2）写成矩阵形式如下：

（3）

在矢量控制中坐标变换作为一种工具是必不可少，三相静止坐标系ABC到兩相静止坐标系αβ的变换矩阵即3s/2s如下：

（4）

两相静止坐标系到两相任意旋转坐标系幽的变换矩阵即2s12r变换如下：

（5）式中：θ为d轴与α轴之间的夹角，θ=ωt，ω为dq坐标系空间旋转角速度。对式（3）应用坐标变换，经过clark变换和park变换可得两相同步旋转坐标系下的PWM数学模型，如下：

（6）

2 网侧变换器控制策略

整流器的控制目标一是输入电流，二是输出电压，其中输入电流的控制是整流系统控制的关键所在。首先采用PWM整流器的主要目的是将交流电转化为直流，而且三相电压型PWM变换器可以实现能量的双向流动。其次，对输入电流的有效控制的实质是对变换器能量流动的有效控制，即控制了输出电压。基于这个观点，可以将整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。本文采用间接电流控制方法，对整流器直流侧电压稳定控制的同时，实现高功率因数下能量双向流动。如何控制输入电流，得到理想的功率因数以及实现直流母线电压稳定和能量的双向流动，根本任务在于得到各功率开关器件的控制规律和通断时间。本文利用空间电压矢量脉宽调制原理（SVPWM），通过空间电压矢量PWM控制，在整流器交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压，该电压与电网电动势共同作用于整流器交流侧控制电感，实现输入电流可控。针对双馈发电机网侧变换器的矢量控制策略主要有两种类型：电网电压定向控制（voltage oriented control，VOC）和虚拟电网磁链定向控制（virtual flux oriented control，VFOC）。本文采用电网电压定向控制，电网电压定向控制策略依据文献提出的网侧变换器的数学模型，将两相同步坐标系d轴定向于电网电压矢量方向上的一种控制策略。电网电压定向控制策略相对简单，开关频率固定，可以采用先进的SVPWM调制技术。利用文提出的数学模型，简化控制算法，应用空间坐标变换，将同步旋转坐标dq坐标系d轴定向于电网电压矢量u_s方向上，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴。此时，电网电压的q轴分量为零。为了实现单位功率因数，无功电流分量值设为零。得电网电压的dq分量为

（7）

利用网侧变换器在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型，可得输入电流满足：

（8）式中：u_dr、u_qr，为变流器交流侧电压的d、q轴风量；u_dr=S_dU_dc；u_qr=S_qU_dc；S_d、S_q为开关函数；L平波电抗；U_dc为电容两端的电压ω₁为同步角速度。上式表明d、q轴电流除受控制量u_dr、u_qr的制约外，还受交叉耦合项ω₁Li_d、ω₁Li_q和电网电压的影响。将上式改写为

（9）

其中dq坐标系下，网侧变换器相对于电网的有功功率和无功功率分别为

（10）

为了实现单位功率因数，无功电流分量参考值设为零，所以Q=0。P>0时，表示变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；当P<0时，表示变换器工作于逆变状态，能量从变换器返回电网。根据以上数学表达式推导以及网侧变换器的数学模型可得到图2所示控制原理结构图.

整个控制系统为双闭环结构，外环为电压环、内环为电流环。直流环节给定电压u^*_dc和反馈电压u_dc相比较后的误差经PI调节器调节输出i^*_d，而i^*_q则由功率因数的性质决定。在双PWM型变换器作为双馈风力发电励磁电源时实行单位功率因数控制，即i^*_q=0。i^*_d、i^*_q分别与对应的反馈值i_d、i_q相比较后的误差经过PI调节器调节后输出u'_dr、u'_qr，再与各自的解藕补偿项△u_dr、△u_qr和电网电压扰动前馈补偿项u_d、u_q相运算后得到变换器交流侧参考电压u⁹_dr、u^*_qr参考电压u^*_dr、u^*_qr经坐标变换后得到αβ坐标系中的分量值u^*_αr、u^*_βr由此进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对网侧变换器的控制。

3 仿真分析

双馈风力发电网侧变换器仿真模型如下：

根据上述仿真模型可以得到整流和逆变时不同电感和电容时A相电流波形图、A相电流对应频谱图以及直流侧电压波形图，直流侧电压指令值为500 V。图4～图9为整流时波形图，图10～图15为逆变时波形图。

由图4、5、8、10、11、14可以看出，无论整流还是逆变，电感选取不同对网侧电流以及直流侧电压都会产生很大影响。当电感选取尽量小时，电流波动较小，而且可以快速进入稳态，当电感选取较大时电流波动较大，而且进入稳态的时间较长，甚至不能进入稳态。从图5和11可以看出，电感较大时，高次谐波电流含量相对较少，但是电感较大会影响直流侧电压稳定效果，从图8和14可以看出，电感较大时会大大影响直流侧电压进入稳态的速度，在逆变时电感较大导致直流侧电压不能稳定在给定值。从图6、7、9、12、13、15可以看出，不同电容对网侧电流和直流侧电压也会有很大影响。通常为满足系统对直流电压的快速跟踪控制，要求主电路的直流侧电容应选取的尽量小，从图9和图15可以看出无论整流还是逆变，电容选取不同导致直流侧电压稳定在给定值的时间也会不同，超调量也有一定差距。从图6、7、12、13看出小电容的选取可以使网侧电流不仅波动较小，而且进入稳态的时间短，谐波含量少。由于综合考虑到直流侧电压快速跟踪性、网侧电流波动小快速进入稳态、电流谐波含量较少等要求，因此本文选取电感，J=4 mH，c=2 200 uF进行仿真分析。

根据上述分析，仿真参数选取如下进行单独的整流和逆变。

1）整流仿真参数如下：电源相电压220 V，频率50 Hz；交流侧电阻R=0.4 Q，电感L=4 mH；仿真时间t=0.5 s；电容C=2 200μF；电压指令值500 V，初始电压为500 V；负载电阻50Ω；无功电流的指令值为0。

2）逆变仿真参数如下：电源相电压220 V，频率50 Hz；交流侧电阻R=0.4 Q，电感L=4 mH；仿真时间t=0.5 s；电容C=2 200μF；电压指令值500 V；负载电阻50Ω，直流母线侧加电压800 V；无功电流的指令值为0。

根据上述数据得到的仿真波形图如图16～图19，其中图16和图17为整流时的波形图，分别为整流时网侧A相电压和电流波形图，整流时网侧变换器相对于电网的有功功率、无功功功率；图18和图19为逆变时的波形图，分別为逆变时网侧A相电流和电压，逆变时网侧变换器相对于电网的有功功率、无功功功率。

由图16～图19可见，由于仿真时无功功率参考值设置为0，因此图（17）和图（19）中无功功率Q的值0，即实现单位功率因数下整流和逆变运行；当处于单位功率因数运行的时候，相电流的基波是一个正弦波形且频率和电网频率相同，同时从图可见当网侧变换器整流状态运行时，其交流侧电流与电网电压同相位，有功功率P>0，表示能量是流出电网的，变换器从电网吸收能量；当网侧变换器逆变状态运行时，其交流侧电流与电网电压反相位，P<0，能量从变换器流入电网。这说明三相电压型PWM变换器具有能量双向流动的能力。

为了分析整流和逆变的切换效果，利用上述仿真模型对整流和逆变的切换过程进行了仿真分析，仿真时间t=0.8 s。0.4 s之前进行整流工况运行，0.4 s时进入逆变状态运行，得到的仿真波形图如下：图20为网侧电压和电流的波形图，图21为网侧电流经过坐标变换后的dq轴电流，图22为网侧变换器相对于电网的有功功率、无功功功率波形图，图23为直流侧电压波形图。

从图20中可以看出，当0.4 s发生逆变时，网侧电流相位可以快速的发生180°的变化，而且电流可以在短时间内进入稳定状态，说明所建立的三相电压型PWM变换器仿真模型可以实现整流和逆变之间的有效切换，并且响应速度较快。从图21和图22可以看出，电流Id的变化趋势与有功变化趋势一致，Iq变化趋势与无功Q一致，验证了电网电压定向控制下，有功由Id控制而与Iq无关，即调节Id的大小就可以改变有功功率P的大小，同理无功功率是通过Iq来进行调节，说明电流矢量的d、q轴电流实际上分别代表了网侧变换器的有功电流和无功电流，而且Id从正变化为负，表示能量的流动方向发生了改变。图22中有功的改变没有影响无功的变化，说明利用矢量控制策略，可以有效的实现有功无功的解耦控制。由图23可知无论是整流还是逆变运行，直流侧电压都能很好地保持在500V给定值，在运行状态改变后能很快地重新回到给定值，动态响应速度较快，超调量小。

4 结论

本文分析了双馈异步风力发电机网侧变换器的结构及其工作原理，建立了三相静止坐标系下和两相旋转坐标下的数学模型，着重介绍了三相PWM整流器的控制策略，并对网侧变换器进行了仿真分析，验证了在电网电压定向控制策略下，采用SVP—WM（空间电压矢量脉宽调制）技术，所建立的三相电压型PWM变换器仿真模型可以有效的实现在整流和逆变之间切换，而且利用矢量控制策略可以达到解耦控制目的，使复杂的控制问题简单化。当网侧变换器运行于单位功率因数的整流或逆变状态时，通过选取合适的滤波电感以及滤波电容，可以使网侧电流动态响应快而且谐波含量较少，对电网污染较小，并且直流侧电压动态响应较好，可以快速稳定在给定值且超调量小。研究得出三相电压型PWM变换器可以实现能量的双向流动，为风力发电的运行提供理论依据。

（编辑：温泽宇）