风电并网逆变器用有无功功率解耦控制的矢量控制策略

技 术 探 讨 与 研 究 空 世 界 年 月 风 电 并 网 逆 变 器 用 有 无 功 功 率 解 祸 控 制 的 矢 量 控 制 策 略 ‘ 一 引 言 为 了 满 足 日 益 增 长 的 电 力 需 求 , 作 为 一 种 新 的 发 电 方 式 , 风 力 发 电 赢 得 了 非 常 重 要 的 发 展 机 遇 ’ 。 三 相 电 压 源 逆 变 器 , 通 常 被 用 来 风 力 发 电 系 统 并 网 。 根 据 相 关 标 准 的 规 定 , 风 力 发 电 系 统 不 能 调 节 藕 合 点 , 的 电 压 , 因 此 并 网 系 统 的 电 能 质 量 主 要 取 决 于 输 出 电 流 的 质 量 。 为 了 能 够 给 电 网 提 供 高 质 量 飞 压 面 面 永 砂 干 二 丽 技 支 捧 计 划 “ 大 功 率 风 电 机 组 研 制 与 示 范 ” 课 题 编 号 从 。 的 电 能 , 并 网 逆 变 器 的 电 流 控 制 发 挥 了 重 要 的 作 用 。 用 于 三 相 逆 变 器 的 电 流 控 制 策 略 己 很 多 报 道 一 】 。 电 流 控 制 策 略 都 有 着 相 同 的 结 构 , 包 括 一 个 电 流 反 馈 的 内 环 。 其 主 要 实 现 两 个 基 本 的 目 的 电 流 误 差 补 偿 和 脉 宽 调 制 , 。 在 以 前 的 电 流 控 制 策 略 中 , 基 于 电 压 空 间 矢 量 调 制 一 , 的 电 流 控 制 器 被 广 泛 应 用 于 三 相 逆 变 器 中 。 本 质 上 , 基 于 的 电 流 控 制 器 是 一 种 线 性 的 控 制 策 略 , 并 且 能 够 有 效 的 分 离 电 流 误 差 补 偿 和 部 分 。 而 且 还 有 很 多 的 优 点 , 如 确 定 安 二 世 界 年 月 技 术 探 讨 与 研 究 的 开 关 频 率 、 优 秀 的 电 压 电 流 谐 波 畸 变 率 一 , 、 优 良 的 直 流 电 压 利 用 率 等 ’ ” 。 但 是 , 基 于 的 控 制 器 是 一 种 电 压 型 的 控 制 器 , 并 且 是 一 种 开 环 结 构 , 因 此 对 于 电 网 电 压 的 波 动 以 及 为 了 满 足 变 速 恒 频 风 电 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 【 ’ ‘ , 的 要 求 而 设 定 并 网 电 流 参 考 , 基 于 的 控 制 器 无 法 满 足 这 些 风 力 发 电 并 网 的 要 求 。 此 外 , 为 了 对 电 力 系 统 无 功 功 率 进 行 补 偿 , 大 功 率 的 风 力 发 电 系 统 必 须 能 够 满 足 对 系 统 有 功 功 率 和 无 功 功 率 的 独 立 解 祸 控 制 , 文 献 【 提 出 了 一 种 基 于 的 控 制 策 略 并 且 能 够 对 电 网 的 谐 波 进 行 补 偿 控 制 , 文 献 【 在 文 献 【 的 基 础 上 提 出 了 预 测 型 的 算 法 。 运 用 离 散 化 、 数 字 化 的 方 法 对 电 压 和 电 流 实 行 预 测 型 控 制 。 但 是 这 两 种 方 法 本 质 都 是 一 致 的 , 都 是 矢 量 控 制 的 一 种 改 进 , 都 并 没 有 对 并 网 电 网 电 感 的 电 压 信 号 进 行 有 效 的 补 偿 , 因 此 该 控 制 器 在 系 统 参 数 变 化 时 的 鲁 棒 性 很 差 。 文 献 【 提 出 的 矢 量 控 制 方 案 虽 然 将 直 流 侧 母 线 电 压 的 波 动 进 行 了 考 虑 , 使 其 不 会 对 并 网 电 能 质 量 产 生 很 大 的 影 响 , 但 是 由 于 直 流 电 压 的 加 人 , 使 控 制 无 功 电 流 的 自 由 度 消 失 , 因 此 也 就 无 法 对 系 统 的 有 无 功 电 流 分 别 控 制 。 本 文 在 分 析 风 力 发 电 并 网 逆 变 器 系 统 数 学 模 型 的 基 础 上 , 提 出 了 一 种 改 进 的 矢 量 控 制 策 略 。 它 主 要 由 两 个 双 环 控 制 模 型 构 成 , 分 别 都 是 电 流 外 环 电 压 内 环 的 结 构 , 然 后 在 电 压 内 环 的 基 础 上 加 入 对 并 网 电 感 电 压 信 号 的 补 偿 环 节 。 这 种 结 构 不 仅 可 以 改 善 并 网 电 流 的 波 形 质 量 , 而 且 在 系 统 给 定 参 数 发 生 改 变 的 情 况 下 , 仍 然 可 以 使 系 统 具 有 很 强 的 鲁 棒 性 , 此 外 , 该 结 构 还 能 有 效 补 偿 直 流 侧 母 线 电 压 的 脉 动 对 并 网 电 流 质 量 的 影 响 。 在 静 止 的 三 相 一 一 参 考 坐 标 系 中 , 三 相 并 网 逆 变 器 的 数 学 模 型 描 述 如 下 与与一乙 一 一 一一 一 其 中 是 三 相 并 网 逆 变 器 的 输 出 电 压 矢 量 , 。 是 逆 变 器 的 输 出 电 流 即 并 网 电 流 矢 量 , 而 【 , , 。 , 是 电 网 电 压 矢 量 , 是 每 相 电 路 中 的 并 网 电 感 。 并 网 电 感 中 的 电 阻 和 导 线 中 的 电 阻 忽 略 不 计 。 为 了 实 现 有 功 无 功 电 流 的 有 效 解 祸 , 将 静 止 三 相 一 一 参 考 坐 标 系 转 换 成 旋 转 的 一 同 步 坐 标 系 中 这 样 状 态 空 间 内 的 状 态 方 程 可 表 示 为 「 」 「一 」 」 士 」一 士 「 」 其 中 , 是 一 坐 标 系 中 的 电 流 矢 量 , 。 是 逆 变 器 输 出 电 压 在 一 坐 标 系 中 的 电 压 矢 量 , 而 则 是 电 网 电 压 一 坐 标 系 中 的 电 压 矢 量 。 是 电 网 电 压 的 基 波 角 速 度 。 在 理 想 的 情 况 下 , 即 在 三 相 对 称 的 电 路 通 过 三 相 对 称 的 电 流 , 上 面 的 所 有 变 量 都 是 直 流 量 。 式 是 静 止 三 相 一 一 参 考 坐 标 系 转 换 到 旋 转 一 同 步 坐 标 系 的 转 换 系 数 。 系 统 的 数 学 棋 型 叹 万 一 乙 万 一 于 万 公 于 汀 一 砚 一 于 才 一 砚 于 才 在 旋 转 的 一 同 步 坐 标 系 中 , 三 相 并 网 逆 变 器 中 有 功 功 率 和 无 功 功 率 可 以 表 示 为 图 , 三 相 并 网 逆 变 器 的 主 电 路 用 于 风 力 发 电 系 统 的 三 相 并 网 逆 变 器 如 图 所 示 。 它 是 由 三 相 逆 变 器 经 过 并 网 电 感 滤 波 后 并 到 电 网 。 号 , 、 , 。 ‘ , 号 ,。 , ,‘ 在 理 想 的 状 态 下 , 电 网 电 压 是 严 格 的 正 弦 波 即 没 有 任 何 谐 波 , 因 此 在 旋 转 的 一 同 步 坐 标 系 下 , 电 网 电 压 矢 量 变 为 卜 技 术 探 讨 与 研 究 空 组 世 界 年 月 ’ , , 二 其 中 是 电 网 相 电 压 的 峰 值 。 但 是 在 实 际 的 过 程 中 , 电 网 电 压 总 是 有 谐 波 污 染 的 , 因 此 不 可 能 是 严 格 的 正 弦 波 , 故 电 网 电 压 和 。 总 是 有 一 定 的 脉 动 的 , 其 幅 值 和 频 率 与 电 网 电 压 的 谐 波 含 量 有 关 。 但 是 在 稳 定 的 状 态 下 , 的 平 均 值 仍 然 等 于 。 因 此 在 稳 态 下 , 逆 变 器 输 出 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 , 可 以 表 示 为 叼 ‘ 召 叮 叮 ’ 止 一一一一尸 之 、 从 式 中 可 得 出 在 稳 态 下 , 逆 变 器 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 分 别 取 决 于 旋 转 一 同 步 坐 标 系 下 的 电 流 。 和 。 , 因 此 电 流 。 和 可 分 别 称 之 为 有 功 电 流 和 无 功 电 流 。 这 样 旋 转 一 同 步 坐 标 系 下 , 只 要 能 够 有 效 的 独 立 的 控 制 逆 变 器 的 有 功 电 流 。 和 无 功 电 流 , 逆 变 器 输 出 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 就 可 以 完 全 实 现 独 立 的 解 祸 控 制 。 矢 控 制 系 统 棋 型 将 式 风 力 发 电 系 统 状 态 方 程 整 理 可 得 一 。 几 , 口 ‘ 矜 药一汽一乙乙一一一一均嘴 了‘ 式 就 是 矢 量 控 制 系 统 的 数 学 模 型 。 从 式 中 可 以 看 出 只 要 能 够 有 效 的 、 实 时 的 检 测 电 网 电 压 的 波 动 , 有 效 的 设 定 有 功 电 流 。 和 无 功 电 流 的 参 考 值 , 并 且 能 够 很 好 的 补 偿 并 网 电 感 电 压 信 号 , 那 么 就 可 以 通 过 将 检 测 电 网 电 压 作 为 反 馈 信 号 补 偿 的 调 制 波 信 号 , 将 检 测 并 网 电 流 信 号 作 为 反 馈 信 号 来 补 偿 并 网 电 感 电 压 信 号 , 本 文 的 改 进 之 处 就 在 于 此 。 然 后 将 电 流 反 馈 与 给 定 电 流 的 误 差 通 过 前 馈 的 环 节 来 补 偿 并 网 电 感 电 压 信 号 的 微 小 波 动 。 本 文 提 出 的 矢 量 控 制 系 统 方 案 如 图 所 示 。 该 控 制 系 统 主 要 通 过 有 功 电 流 。 和 无 功 电 流 的 解 祸 来 实 现 有 功 功 率 和 无 功 功 率 的 解 祸 的 。 如 图 所 示 , 两 个 解 祸 的 、 。 直 流 分 量 构 成 两 个 双 环 控 制 模 型 , 分 别 都 是 电 流 外 环 电 压 内 环 的 结 构 。 电 流 信 号 、 。 与 给 定 参 考 电 流 信 号 ’ 、 ’ 。 的 误 差 信 号 通 过 两 个 调 节 器 形 成 并 网 电 感 电 压 微 小 波 动 的 补 偿 信 图 矢 控 制 框 图 号 。 而 后 两 个 解 藕 的 电 网 电 压 检 测 信 号 ” 〔 、 ” ‘ 。 在 益 加 了 并 网 电 感 电 压 微 小 波 动 的 补 偿 信 号 和 并 网 电 感 电 压 信 号 一 起 经 过 比 例 环 节 后 生 成 逆 变 器 的 输 出 电 压 的 参 考 信 号 ’ 、 ’ 。 经 过 旋 转 一 坐 标 系 到 静 止 三 相 一 坐 标 系 的 变 换 后 , 参 考 信 号 ” 。 , 、 。 形 成 逆 变 器 的 调 制 信 号 ’ 、 ’ 、 ’ 。 。 信 号 的 生 成 环 节 可 以 采 用 基 于 电 压 空 间 矢 量 的 调 制 策 略 , 也 可 以 采 用 基 于 三 次 谐 波 注 人 法 的 正 弦 波 脉 宽 调 制 , 因 为 这 两 种 调 制 方 式 的 优 点 都 是 ’ ① 有 着 确 定 的 开 光 频 率 ② 很 低 的 电 压 电 流 谐 波 畸 变 率 ③ 很 高 的 直 流 电 压 利 用 率 等 。 本 文 采 用 的 是 基 于 三 次 谐 波 注 入 法 的 正 弦 波 脉 宽 调 制 方 案 。 必 须 指 出 的 是 生 成 环 节 通 过 检 测 直 流 侧 母 线 电 压 。 , 然 后 对 调 制 波 信 号 进 行 实 时 调 节 来 补 偿 母 线 电 压 。 的 波 动 对 逆 变 器 输 出 电 压 的 影 响 。 给 定 的 电 流 参 考 信 号 ‘ 、 ’ 。 由 上 位 机 来 提 供 , 主 要 用 来 实 现 有 无 功 功 率 的 独 立 控 制 , 或 者 为 了 满 足 变 速 恒 频 风 电 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 的 要 求 。 风 力 发 电 系 统 的 仿 真 研 究 为 了 验 证 本 文 所 提 出 的 矢 量 控 制 系 统 的 性 能 , 采 用 电 力 电 子 专 用 仿 真 软 件 包 对 风 力 发 电 并 网 系 统 进 行 了 计 算 机 仿 真 。 以 图 的 模 型 为 基 础 搭 建 对 应 仿 真 电 路 。 根 据 本 课 题 组 所 研 究 的 国 家 “ 十 一 五 ” 科 技 支 撑 计 交 翻 世 界 入 幻 年 月 技 术 探 讨 与 研 究 划 “ 大 功 率 风 电 机 组 研 制 与 示 范 ” 项 目 的 要 求 , 设 定 如 下 的 仿 真 参 数 在 时 , 给 定 并 网 电 流 从 ’ 一 阶 跃 到 ’ 一 然 后 在 时 , 并 网 电 流 从 ’ 一 阶 跃 回 ’ 一 , 通 过 这 种 阶 跃 响 应 来 验 证 系 统 的 动 态 性 能 。 相 应 的 仿 真 波 形 如 图 到 图 。 图 是 给 定 并 网 电 流 ’ 一 时 的 电 网 电 压 和 三 相 并 网 电 流 波 形 图 是 对 应 的 并 网 电 流 谐 波 畸 变 率 图 是 整 个 风 力 发 电 并 网 系 统 的 功 率 因 数 波 形 图 是 并 网 系 统 的 电 流 阶 跃 响 应 图 是 给 定 电 流 从 阶 跃 到 时 并 网 电 流 的 动 态 响 应 , 而 图 是 给 定 电 流 从 阶 跃 到 时 的 并 网 电 流 动 态 响 应 。 图 是 在 阶 跃 的 过 程 中 逆 变 器 输 出 功 率 的 变 化 。 图 并 网 系 统 的 功 率 因 数 从 上 面 的 仿 真 结 果 可 看 出 , 并 网 电 流 和 电 网 电 压 基 本 上 是 同 相 位 的 , 这 从 图 中 功 率 因 数 近 似 等 于 的 结 果 中 也 可 证 明 这 一 点 并 网 电 流 的 波 形 质 量 很 高 , 谐 波 畸 变 率 , 完 全 满 足 风 力 发 电 系 统 的 并 技 术 探 讨 与 研 究 , 二 界 么 扣 年 月 网 要 求 。 从 并 网 电 流 的 阶 跃 响 应 中 , 可 看 出 逆 变 器 输 出 的 电 流 完 全 能 够 跟 随 给 定 电 流 的 阶 跃 , 并 且 响 应 的 时 间 也 非 常 短 , 从 图 、 图 中 可 知 阶 跃 的 响 应 时 间 都 小 于 半 个 周 期 即 小 于 。 在 阶 跃 的 过 程 中 逆 变 器 的 输 出 功 率 也 随 着 变 化 从 阶 跃 到 , 然 后 再 到 。 因 此 仿 真 的 结 果 证 明 本 文 提 出 的 矢 量 控 制 策 略 具 有 很 高 的 系 统 性 能 , 完 全 能 够 满 足 风 力 发 电 系 统 各 种 技 术 性 能 指 标 的 要 求 。 进 一 步 的 实 验 样 机 验 证 和 考 核 将 在 随 后 的 研 究 中 进 行 。 结 束 语 本 文 在 对 风 力 发 电 并 网 逆 变 器 系 统 数 学 模 型 分 析 的 基 础 上 , 提 出 了 一 种 改 进 的 矢 控 制 策 略 。 它 主 要 由 两 个 双 环 控 制 模 型 构 成 , 分 别 都 是 电 流 外 环 电 压 内 环 的 结 构 。 通 过 实 时 检 测 并 网 电 流 和 电 网 电 压 的 波 动 , 有 效 的 设 定 有 功 电 流 和 无 功 电 流 的 参 考 值 , 并 且 能 够 很 好 的 补 偿 并 网 电 感 电 压 信 号 , 那 么 就 可 以 有 效 的 补 偿 的 调 制 波 信 号 。 本 文 提 出 的 这 种 结 构 不 仅 可 以 改 善 并 网 电 流 的 波 形 质 量 , 而 且 在 系 统 给 定 参 数 发 生 变 化 的 情 况 下 , 仍 然 可 使 系 统 具 有 很 强 的 兽 棒 性 , 此 外 , 该 结 构 还 能 有 效 补 偿 直 流 侧 母 线 电 压 的 脉 动 对 并 网 电 流 质 量 的 影 响 。 , , , , 一 【 』 阳 , , 【 加 咫 袄 治 欣 氏 材 罗 即 , , 的 , 一 【 」 找 犯 一 由 怡 坡 , 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驱 动 的 电 力 电 子 学 控 制 的 新 办 法 文 献 〕 洲 , 【 使 用 能 宏 观 表 示 法 的 风 能 转 换 系 统 回 路 模 拟 中 的 硬 件 【 川 一 个 新 型 基 于 第 二 命 令 的 单 相 结 构 概 括 积 分 器 文 献 拓 一 【 一 个 连 接 栅 极 的 反 相 器 的 新 控 制 结 构 无 零 立 稳 态 误 差 带 可 选 调 和 补 偿