風電并網逆變器應用【回路電阻測試儀】有無功功率解耦控制的矢量控制策略

為了滿足日益增長的電力需求，作為一種新的發電方式，風力發電贏得了非常重要的發展機遇[1]。三相電壓源逆變器（VoltageSourceInverter，VSI）通常被用來風力發電系統并網。根據IEEE相關標準的規定[2]，風力發電系統不能調節耦合點（PointofCommonCoupling，PCC）的電壓，因此并網系統的電能質量主要取決于輸出電流的質量。為了能夠給電網提供高質量的電能，并網逆變器的電流控制發揮了重要的作用[3][4]。
　　
　　用于三相PWM逆變器的電流控制策略已很多報道[5-9]。電流控制策略都有著相同的結構，包括一個電流反饋的內環。其主要實現兩個基本的目的:電流誤差補償和脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）。在以前的電流控制策略中，基于電壓空間矢量調制（SpacevoltageModulation，SVM）的電流控制器被廣泛應用于三相逆變器中。本質上，基于SVM的電流控制器是一種線性的控制策略，并且能夠有效的分離電流誤差補償和PWM部分。而且SVM還有很多的優點，如確定的開關頻率、*的電壓電流諧波畸變率（TotalHarmonicDistortion，THD）、優良的直流電壓利用率等[10]。但是，基于SVM的PWM控制器是一種電壓型的控制器，并且是一種開環結構，因此對于電網電壓的波動以及為了滿足變速恒頻風電系統zui大功率點跟蹤[11]（MaximumPowerPointTracking，MPPT）的要求而設定并網電流參考，基于SVM的控制器無法滿足這些風力發電并網的要求。此外，為了對電力系統無功功率進行補償，大功率的風力發電系統必須能夠滿足對系統有功功率和無功功率的獨立解耦控制，文獻[12]提出了一種基于SVPWM的控制策略并且能夠對電網的諧波進行補償控制，文獻[13]在文獻[12]的基礎上提出了預測型的算法。運用離散化、數字化的方法對電壓和電流實行預測型控制。但是這兩種方法本質都是一致的，都是矢量控制的一種改進，都并沒有對并網電網電感的電壓信號進行有效的補償，因此該控制器在系統參數變化時的魯棒性很差。文獻[14]提出的矢量控制方案雖然將直流側母線電壓的波動進行了考慮，使其不會對并網電能質量產生很大的影響，但是由于直流電壓的加入，使控制無功電流的自由度消失，因此也就無法對系統的有無功電流分別控制。
　　
　　本文在分析風力發電并網逆變器系統數學模型的基礎上，提出了一種改進的矢量控制策略。它主要由兩個雙環控制模型構成，分別都是電流外環電壓內環的結構，然后在電壓內環的基礎上加入對并網電感電壓信號的補償環節。這種結構不僅可以改善并網電流的波形質量，而且在系統給定參數發生改變的情況下，仍然可以使系統具有很強的魯棒性，此外，該結構還能有效補償直流側母線電壓的脈動對并網電流質量的影響。

    2　系統的數學模型

                          圖1  三相并網逆變器的主電路

用于風力發電系統的三相并網逆變器如圖1所示。它是由三相PWM逆變器經過并網電感濾波后并到電網。

在靜止的三相A-B-C參考坐標系中，三相PWM并網逆變器的數學模型描述如下[12][13]:

 （1）
 

整理后得:

 （2）
 

其中[νA νB νC]T是三相并網逆變器的輸出電壓矢量，[iA iB iC]T是逆變器的輸出電流即并網電流矢量，而[νgA νgB νgC]T是電網電壓矢量，L是每相電路中的并網電感。并網電感中的電阻和導線中的電阻忽略不計。

為了實現有功無功電流的有效解耦，將靜止三相A-B-C參考坐標系轉換成旋轉的d-q同步坐標系中。這樣狀態空間內的狀態方程可表示為:

 （3）
 

在旋轉的d-q同步坐標系中，三相并網PWM逆變器中有功功率和無功功率可以表示為:

 （4）
 

在旋轉的d-q同步坐標系中，三相并網PWM逆變器中有功功率和無功功率可以表示為:

 （5）
 

在理想的狀態下，電網電壓是嚴格的正弦波即沒有任何諧波，因此在旋轉的d-q同步坐標系下，電網電壓矢量變為:

 （6）
 

其中V是電網相電壓的峰值。

但是在實際的過程中，電網電壓總是有諧波污染的，因此不可能是嚴格的正弦波，故電網電壓νgd和νgq總是有一定的脈動的，其幅值和頻率與電網電壓的諧波含量有關。但是在穩定的狀態下，νgd的平均值仍然等于0。因此在穩態下，逆變器輸出的有功功率和無功功率，可以表示為:

 （7）
 

從式（7）中可得出:在穩態下，逆變器的有功功率和無功功率分別取決于旋轉d-q同步坐標系下的電流iq和 id，因此電流iq和id可分別稱之為有功電流和無功電流。這樣旋轉d-q同步坐標系下，只要能夠有效的獨立的控制逆變器的有功電流iq和無功電流id，逆變器輸出的有功功率和無功功率就可以*實現獨立的解耦控制。

3　矢量控制系統模型

將式（3）風力發電系統狀態方程整理可得:

 （8）
 

式（8）就是矢量控制系統的數學模型。從式中可以看出:只要能夠有效的、實時的檢測電網電壓的波動，有效的設定有功電流iq和無功電流id的參考值，并且能夠很好的補償并網電感電壓信號，那么就可以通過將檢測電網電壓作為反饋信號補償PWM的調制波信號，將檢測并網電流信號作為反饋信號來補償并網電感電壓信號，本文的改進之處就在于此。然后將電流反饋與給定電流的誤差通過前饋的PI環節來補償并網電感電壓信號的微小波動。

　　本文提出的矢量控制系統方案如圖2所示。該控制系統主要通過有功電流iq和無功電流id的解耦來實現有功功率和無功功率的解耦的。
　　
　　
　　
　　                                   圖2矢量控制框圖
　　
　　
　　
　　
　　如圖2所示，兩個解耦的id、iq直流分量構成兩個雙環控制模型，分別都是電流外環電壓內環的結構。電流信號id、iq與給定參考電流信號i*d、i*q的誤差信號通過兩個PI調節器形成并網電感電壓微小波動的補償信號。而后兩個解耦的電網電壓檢測信號νgd、νgq在疊加了并網電感電壓微小波動的補償信號和并網電感電壓信號一起經過比例環節后生成逆變器的輸出電壓的參考信號i*d、i*q。經過旋轉d-q坐標系到靜止三相A-B-C坐標系的變換后，參考信號νd、νq形成逆變器的調制信號ν*a、ν*b、ν*c。PWM信號的生成環節可以采用基于電壓空間矢量（SVM）的調制策略，也可以采用基于三次諧波注入法的正弦波脈寬調制（SPWM），因為這兩種調制方式的優點都是[15]:①有著確定的開光頻率;②很低的電壓電流諧波畸變率THD;③很高的直流電壓利用率等。本文采用的是基于三次諧波注入法的正弦波脈寬調制方案。
　　
　　必須指出的是PWM生成環節通過檢測直流側母線電壓Vdc，然后對調制波信號進行實時調節來補償母線電壓Vdc的波動對逆變器輸出電壓的影響。給定的電流參考信號i*d、i*q由上位機來提供，主要用來實現有無功功率的獨立控制，或者為了滿足變速恒頻風電系統zui大功率點跟蹤MPPT的要求。
　　
　　4  風力發電系統的仿真研究
　　
　　為了驗證本文所提出的矢量控制系統的性能，采用電力電子仿真軟件包PSIM6.0對風力發電并網系統進行了計算機仿真。以圖2的模型為基礎搭建對應仿真電路。
　　
　　根據本課題組所研究的國家“十一五”科技支撐計劃“大功率風電機組研制與示范”項目的要求，設定如下的仿真參數:
在0.4s時，給定并網電流從i*q=590A階躍到i*q=1180A;然后在0.8s時，并網電流從i*q=1180A階躍回i*q=590A，通過這種階躍響應來驗證系統的動態性能。相應的仿真波形如圖3到圖9。圖3是給定并網電流i*q=1180A時的電網電壓和三相并網電流波形;圖4是對應的并網電流諧波畸變率THD;圖5是整個風力發電并網系統的功率因數波形;圖6是并網系統的電流階躍響應;圖7是給定電流從590A階躍到1180A時并網電流的動態響應，而圖8是給定電流從1180A階躍到590A時的并網電流動態響應。圖9是在階躍的過程中逆變器輸出功率的變化。

  
                                圖3電網電壓和三相并網電流波形 

 
                                圖4并網電流的諧波畸變率THD 

                                圖5并網系統的功率因數

  
                                圖6并網系統的電流階躍響應 

 
                               圖7并網電流的動態響應波形  
                               （給定電流從590A階躍到1180A） 

 
                               圖8并網電流的動態響應波形  
                               （給定電流從1180A階躍到590A） 

                               圖9并網電流動態響應的功率變化 

     從上面的仿真結果可看出，并網電流和電網電壓基本上是同相位的，這從圖5中功率因數近似等于1的結果中也可證明這一點;并網電流的波形質量很高，諧波畸變率THD＝0.88％，*風力發電系統的并網要求。從并網電流的階躍響應中，可看出逆變器輸出的電流完夠跟隨給定電流的階躍，并且響應的時間也非常短，從圖7、圖8中可知階躍的響應時間都小于半個周期即小于0.01s。在階躍的過程中逆變器的輸出功率也隨著變化從0.5MW階躍到1MW，然后再到0.5MW。 
因此仿真的結果證明:本文提出的矢量控制策略具有很高的系統性能，完夠滿足風力發電系統各種技術性能指標的要求。進一步的實驗樣機驗證和考核將在隨后的研究中進行。 
     5  結束語 
     本文在對風力發電并網逆變器系統數學模型分析的基礎上，提出了一種改進的矢量控制策略。它主要由兩個雙環控制模型構成，分別都是電流外環電壓內環的結構。通過實時檢測并網電流和電網電壓的波動，有效的設定有功電流和無功電流的參考值，并且能夠很好的補償并網電感電壓信號，那么就可以有效的補償PWM的調制波信號。本文提出的這種結構不僅可以改善并網電流的波形質量，而且在系統給定參數發生變化的情況下，仍然可使系統具有很強的魯棒性，此外，該結構還能有效補償直流側母線電壓的脈動對并網電流質量的影響。 
 

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