基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的網(wǎng)側(cè)逆變器
矢量控制研究
趙梅花， 阮毅，楊勇
(1洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)
摘要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三相電壓型并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)，與變頻器供電的交流異步電機(jī)的定子電路有很大的相似性，采用類(lèi)似于電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法構(gòu)造出虛擬的電網(wǎng)電壓磁鏈?zhǔn)噶�，從而達(dá)到取消交流側(cè)電壓傳感器的目的。根據(jù)交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)造了虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器；并對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其結(jié)果驗(yàn)證了該控制方案的可行性和正確性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；矢量控制；虛擬磁鏈；磁鏈觀測(cè)器
0 引 言
隨著世界環(huán)境的日益惡化和日常能源的日益枯竭，風(fēng)力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中占有越來(lái)越重要的地位。在變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是連接發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，目前廣泛應(yīng)用的是電壓型脈寬調(diào)制(PwM)逆變器，其具有輸出電流正弦度好、諧波含量少、功率因數(shù)可調(diào)、能量雙向流動(dòng)、直流母線電壓可控及對(duì)電網(wǎng)較低的污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為綠色環(huán)保電力電子裝置，在新能源并網(wǎng)發(fā)電中扮演著很重要的角色。
電壓型PwM逆變器，主要采用電壓定向矢量控制方式，基于坐標(biāo)變換理論的電壓定向矢量控制策略具有電流無(wú)靜差、能實(shí)現(xiàn)電流有功分量和無(wú)功分量的解耦控制而得到廣泛應(yīng)用，但該控制方式需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓、輸入電流及直流母線電壓，較多的傳感器及其信號(hào)處理電路必然會(huì)增加系統(tǒng)成本，同時(shí)也帶來(lái)相應(yīng)的附加電路和檢測(cè)誤差等問(wèn)題。因此研究以減少傳感器數(shù)為目的的控制策略具有重要的實(shí)際意義。虛擬磁鏈定向矢量控制通過(guò)引入虛擬磁鏈的概念，間接獲得電網(wǎng)電壓角度信息，省去了電網(wǎng)電壓傳感器。
本文分析了虛擬電網(wǎng)磁鏈的特點(diǎn)，構(gòu)造出了虛擬磁鏈觀測(cè)器，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該觀測(cè)器的可靠性和這一方案良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。
1虛擬磁鏈的引入
綜前所述，在網(wǎng)側(cè)逆變器的控制中，如果能夠取消電壓互感器，而利用網(wǎng)側(cè)逆變器本身的一些特性來(lái)估算電網(wǎng)電壓合成矢量角，對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性具有重要的意義。這就是本文分析的出發(fā)點(diǎn)和重點(diǎn)。
圖1是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中三相電壓型并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它與變頻器供電的交流異步電機(jī)的定子電路有很大的相似性，采用類(lèi)似于交流異步電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法構(gòu)造出虛擬的電網(wǎng)電壓磁鏈?zhǔn)噶浚瑥亩_(dá)到可以取消交流側(cè)電壓互感器的目的。圖1中：eA，eB，eC分別為電網(wǎng)的三相電壓，L、R分別為電感和電阻。并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)電壓相當(dāng)于電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而電抗器的電感和電阻相當(dāng)于是電機(jī)定子繞組的漏感和電阻。因此，圖1圓圈內(nèi)可以看作是一臺(tái)虛擬的交流異步電機(jī)。
在三相交流電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，通常采用磁鏈作為矢量控制的定向矢量。而對(duì)于并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)電壓eA，eB，eC，則可以認(rèn)為是由三相繞組切割某個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際上是不存在的，故稱(chēng)為虛擬磁鏈。采用類(lèi)似于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法來(lái)觀測(cè)這個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，取代電網(wǎng)電壓作為定向矢量，從而達(dá)到省去電網(wǎng)電壓傳感器的目的。
2虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器
假設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，電流參考方向如圖1所示，則α、β坐標(biāo)系下的電壓方程為：
式中：eα、eβ，iα、iβ——分別為三相電網(wǎng)電壓和逆變側(cè)輸出電流的α、β軸分量；
uα、uβ——分別為逆變器輸出電壓的α、β軸分量。
根據(jù)直流母線電壓和并網(wǎng)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc(si=1為相應(yīng)的上橋臂導(dǎo)通，si=0為相應(yīng)的下橋臂導(dǎo)通)，可以估算出并網(wǎng)逆變器輸出的電壓uα、uβ(等匝數(shù)變換)：
采用正弦脈寬調(diào)制(svPwM)時(shí)，脈寬調(diào)制(PwM)周期短，開(kāi)關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc可以用平均占空比Da、Db、Dc來(lái)表示，則式(2)可以表示為：
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