元器件常识|风电并网逆变器运用有无功功率解耦控制的矢量控制战略

   更新日期:2017-03-24     来历:建材之家    作者:现金游戏之家    阅读:79    谈论:0    
中心提示:1导言    为了满意日益增长的电力需求,作为一种新的发电办法,风力发电赢得了十分重要的开展机会[1]。三相电压源逆变器(VoltageSourceInverter,VSI)通常被用来风力发电体系并网。依据IEEE相关规范的规则[2],风力发电体系不能调理耦合点(PointofCommonCoupling,PCC)的电压,因而并网体系的电能质量首要取决于输出电流的质量。为了能够给电网供给高质量的电

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现金游戏之家讯:1导言

为了满意日益增长的电力需求,作为一种新的发电办法,风力发电赢得了十分重要的开展机会[1]。三相电压源逆变器(VoltageSourceInverter,VSI)通常被用来风力发电体系并网。依据IEEE相关规范的规则[2],风力发电体系不能调理耦合点(PointofCommonCoupling,PCC)的电压,因而并网体系的电能质量首要取决于输出电流的质量。为了能够给电网供给高质量的电能,并网逆变器的电流控制发挥了重要的效果[3][4]。

用于三相PWM逆变器的电流控制战略已许多报导[5-9]。电流控制战略都有着相同的结构,包含一个电流反应的内环。其首要完成两个根本的意图:电流差错补偿和脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)。在曾经的电流控制战略中,依据电压空间矢量调制(SpacevoltageModulation,SVM)的电流控制器被广泛运用于三相逆变器中。实质上,依据SVM的电流控制器是一种线性的控制战略,并且能够有用的别离电流差错补偿和PWM部分。并且SVM还有许多的长处,如确认的开关频率、优异的电压电流谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion,THD)、优秀的直流电压利用率等[10]。可是,依据SVM的PWM控制器是一种电压型的控制器,并且是一种开环结构,因而关于电网电压的动摇以及为了满意变速恒频风电体系最大功率点盯梢[11](MaximumPowerPointTracking,MPPT)的要求而设定并网电流参阅,依据SVM的控制器无法满意这些风力发电并网的要求。此外,为了对电力体系无功功率进行补偿,大功率的风力发电体系有必要能够满意对体系有功功率和无功功率的独立解耦控制,文献[12]提出了一种依据SVPWM的控制战略并且能够对电网的谐波进行补偿控制,文献[13]在文献[12]的根底上提出了猜测型的算法。运用离散化、数字化的办法对电压和电流实施猜测型控制。可是这两种办法实质都是共同的,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用的补偿,因而该控制器在体系参数改变时的鲁棒性很差。文献[14]提出的矢量控制方案尽管将直流侧母线电压的动摇进行了考虑,使其不会对并网电能质量发作很大的影响,可是由于直流电压的参加,使控制无功电流的自由度消失,因而也就无法对体系的有无功电流别离控制。

本文在剖析风力发电并网逆变器体系数学模型的根底上,提出了一种改进的矢量控制战略。它首要由两个双环控制模型构成,别离都是电流外环电压内环的结构,然后在电压内环的根底上参加对并网电感电压信号的补偿环节。这种结构不只能够改进并网电流的波形质量,并且在体系给定参数发作改动的情况下,依然能够使体系具有很强的鲁棒性,此外,该结构还能有用补偿直流侧母线电压的脉动对并网电流质量的影响。

2 体系的数学模型

图1 三相并网逆变器的主电路

用于风力发电体系的三相并网逆变器如图1所示。它是由三相PWM逆变器经过并网电感滤波后并到电网。

在停止的三相A-B-C参阅坐标系中,三相PWM并网逆变器的数学模型描绘如下[12][13]:

(1)


收拾后得:

(2)


其间[νA νB νC]T是三相并网逆变器的输出电压矢量,[iA iB iC]T是逆变器的输出电流即并网电流矢量,而[νgA νgB νgC]T是电网电压矢量,L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。

为了完成有功无功电流的有用解耦,将停止三相A-B-C参阅坐标系转换成旋转的d-q同步坐标系中。这样状况空间内的状况方程可表明为:

(3)


在旋转的d-q同步坐标系中,三相并网PWM逆变器中有功功率和无功功率能够表明为:

(4)


在旋转的d-q同步坐标系中,三相并网PWM逆变器中有功功率和无功功率能够表明为:

(5)


在抱负的状况下,电网电压是严厉的正弦波即没有任何谐波,因而在旋转的d-q同步坐标系下,电网电压矢量变为:

(6)


其间V是电网相电压的峰值。

可是在实践的过程中,电网电压总是有谐波污染的,因而不行能是严厉的正弦波,故电网电压νgd和νgq总是有必定的脉动的,其幅值和频率与电网电压的谐波含量有关。可是在安稳的状况下,νgd的平均值依然等于0。因而在稳态下,逆变器输出的有功功率和无功功率,能够表明为:

(7)


从式(7)中可得出:在稳态下,逆变器的有功功率和无功功率别离取决于旋转d-q同步坐标系下的电流iq和 id,因而电流iq和id可别离称之为有功电流和无功电流。这样旋转d-q同步坐标系下,只需能够有用的独立的控制逆变器的有功电流iq和无功电流id,逆变器输出的有功功率和无功功率就能够彻底完成独立的解耦控制。

3 矢量控制体系模型

将式(3)风力发电体系状况方程收拾可得:

(8)


式(8)便是矢量控制体系的数学模型。从式中能够看出:只需能够有用的、实时的检测电网电压的动摇,有用的设定有功电流iq和无功电流id的参阅值,并且能够很好的补偿并网电感电压信号,那么就能够经过将检测电网电压作为反应信号补偿PWM的调制波信号,将检测并网电流信号作为反应信号来补偿并网电感电压信号,本文的改进之处就在于此。然后将电流反应与给定电流的差错经过前馈的PI环节来补偿并网电感电压信号的细小动摇。

本文提出的矢量控制体系方案如图2所示。该控制体系首要经过有功电流iq和无功电流id的解耦来完成有功功率和无功功率的解耦的。



图2矢量控制框图




如图2所示,两个解耦的id、iq直流重量构成两个双环控制模型,别离都是电流外环电压内环的结构。电流信号id、iq与给定参阅电流信号i*d、i*q的差错信号经过两个PI调理器构成并网电感电压细小动摇的补偿信号。然后两个解耦的电网电压检测信号νgd、νgq在叠加了并网电感电压细小动摇的补偿信号和并网电感电压信号一同经过份额环节后生成逆变器的输出电压的参阅信号i*d、i*q。经过旋转d-q坐标系到停止三相A-B-C坐标系的改换后,参阅信号νd、νq构成逆变器的调制信号ν*a、ν*b、ν*c。PWM信号的生成环节能够选用依据电压空间矢量(SVM)的调制战略,也能够选用依据三次谐波注入法的正弦波脉宽调制(SPWM),由于这两种调制办法的长处都是[15]:①有着确认的开光频率;②很低的电压电流谐波畸变率THD;③很高的直流电压利用率等。本文选用的是依据三次谐波注入法的正弦波脉宽调制方案。

有必要指出的是PWM生成环节经过检测直流侧母线电压Vdc,然后对调制波信号进行实时调理来补偿母线电压Vdc的动摇对逆变器输出电压的影响。给定的电流参阅信号i*d、i*q由上位机来供给,首要用来完成有无功功率的独立控制,或许为了满意变速恒频风电体系最大功率点盯梢MPPT的要求。

4 风力发电体系的仿真研讨

为了验证本文所提出的矢量控制体系的功能,选用电力电子专用仿真软件包PSIM6.0对风力发电并网体系进行了计算机仿真。以图2的模型为根底建立对应仿真电路。

依据本课题组所研讨的国家“十一五”科技支撑方案“大功率风电机组研发与演示”项意图要求,设定如下的仿真参数:
在0.4s时,给定并网电流从i*q=590A阶跃到i*q=1180A;然后在0.8s时,并网电流从i*q=1180A阶跃回i*q=590A,经过这种阶跃呼应来验证体系的动态功能。相应的仿真波形如图3到图9。图3是给定并网电流i*q=1180A时的电网电压和三相并网电流波形;图4是对应的并网电流谐波畸变率THD;图5是整个风力发电并网体系的功率因数波形;图6是并网体系的电流阶跃呼应;图7是给定电流从590A阶跃到1180A时并网电流的动态呼应,而图8是给定电流从1180A阶跃到590A时的并网电流动态呼应。图9是在阶跃的过程中逆变器输出功率的改变。


图3电网电压和三相并网电流波形


图4并网电流的谐波畸变率THD


图5并网体系的功率因数


图6并网体系的电流阶跃呼应


图7并网电流的动态呼应波形
(给定电流从590A阶跃到1180A)


图8并网电流的动态呼应波形
(给定电流从1180A阶跃到590A)


图9并网电流动态呼应的功率改变


从上面的仿真成果可看出,并网电流和电网电压根本上是同相位的,这从图5中功率因数近似等于1的成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THD=0.88%,彻底满意风力发电体系的并网要求。从并网电流的阶跃呼应中,可看出逆变器输出的电流彻底能够跟从给定电流的阶跃,并且呼应的时刻也十分短,从图7、图8中可知阶跃的呼应时刻都小于半个周期即小于0.01s。在阶跃的过程中逆变器的输出功率也跟着改变从0.5MW阶跃到1MW,然后再到0.5MW。
因而仿真的成果证明:本文提出的矢量控制战略具有很高的体系功能,彻底能够满意风力发电体系各种技能功能指标的要求。进一步的试验样机验证和查核将在随后的研讨中进行。
5 完毕语
本文在对风力发电并网逆变器体系数学模型剖析的根底上,提出了一种改进的矢量控制战略。它首要由两个双环控制模型构成,别离都是电流外环电压内环的结构。经过实时检测并网电流和电网电压的动摇,有用的设定有功电流和无功电流的参阅值,并且能够很好的补偿并网电感电压信号,那么就能够有用的补偿PWM的调制波信号。本文提出的这种结构不只能够改进并网电流的波形质量,并且在体系给定参数发作改变的情况下,依然可使体系具有很强的鲁棒性,此外,该结构还能有用补偿直流侧母线电压的脉动对并网电流质量的影响。







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