湯燕燕, 阮 毅, 楊 勇

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

多重電樞風(fēng)電系統(tǒng)無電網(wǎng)電壓傳感器的并網(wǎng)逆變

湯燕燕, 阮 毅, 楊 勇

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

以提高并網(wǎng)逆變器可靠性和降低成本為目的,采用基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的無電網(wǎng)電壓傳感器的矢量控制策略;為了提高風(fēng)電系統(tǒng)可靠性和容錯能力,采用多重電樞直流側(cè)電壓并聯(lián)運行的控制方案.詳細分析單套逆變器數(shù)學(xué)模型和控制策略,實現(xiàn)兩套逆變器并聯(lián)運行并網(wǎng).實驗結(jié)果表明,三相并網(wǎng)逆變器輸出電流正弦度良好,同時具有較好的動、靜態(tài)特性,從而驗證了方案的可行性和正確性.

多重電樞;并聯(lián);無電網(wǎng)電壓傳感器;虛擬磁鏈

能源與環(huán)境是人類社會生存發(fā)展的重要基礎(chǔ).隨著不可再生能源減少、電力資源緊張、環(huán)境污染等問題的日益嚴重,可再生能源發(fā)電技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注.風(fēng)能是一種無污染、可再生的綠色能源,風(fēng)力發(fā)電在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有越來越重要的地位,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為研究的熱點[1].

三相并網(wǎng)逆變器主要采用直接功率控制 (direct power control,DPC)和電壓矢量控制 (voltage oriented control,VOC)[2-3].目前應(yīng)用最多的是電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)[4],該項技術(shù)必須檢測電網(wǎng)電壓、輸出電流和直流母線電壓.但是,眾多的傳感器也帶來了高成本、復(fù)雜性和可靠性差等問題.

交流電流傳感器用于提供反饋電流和實現(xiàn)電流保護,直流母線電壓傳感器用于實現(xiàn)電壓保護和保證母線的穩(wěn)定,二者缺一不可.電網(wǎng)電壓傳感器可用來計算電網(wǎng)電壓的空間角度,由于該角度可以通過過零點檢測,因此也可以在靜止坐標系或旋轉(zhuǎn)坐標系中,通過濾波再求反正切實時計算[5],所以本工作控制策略省略了電網(wǎng)電壓傳感器.

1 三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型和控制策略

1.1 數(shù)學(xué)模型

三相電壓型并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1所示[6],其中 UDC為前端風(fēng)機機組輸出電壓接整流橋得到的直流母線電壓,iA,iB,iC為并網(wǎng)逆變器輸出電流,uA,uB,uC為并網(wǎng)逆變器輸出電壓,eA,eB,eC分別為三相電網(wǎng)電壓,L,R為連接并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的電感和電阻.

圖 1 三相電壓型的并網(wǎng)逆變器Fig.1 Three-phase voltage source of gr id-connected inver ter

并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)電壓相當(dāng)于交流電機的氣隙磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,電抗器的電感和電阻相當(dāng)于電機定子繞組的漏感和電阻.如圖1所示,圓內(nèi)部分可以看作一臺虛擬的交流電機[7].

設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡,電流參考方向如圖 1所示,則在αβ坐標系下,并網(wǎng)逆變器的電壓方程為

式中,iα,iβ為三相并網(wǎng)逆變器輸出電流在αβ坐標系下的α,β分量,uα,uβ為三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓在αβ坐標系下的α,β分量 ,eα,eβ為電網(wǎng)電壓在αβ坐標系下的α,β分量.根據(jù)直流母線電壓和并網(wǎng)逆變器的開關(guān)函數(shù) 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)逆變器輸出電壓 uα,uβ(等匝數(shù)變換),有

通過對式 (1)兩邊積分,電網(wǎng)電壓的虛擬磁鏈α,β分量為

忽略電阻,得到

式中 ,ψα,ψβ和 ψuα,ψuβ分別為電網(wǎng)電壓合成矢量的虛擬磁鏈和逆變器輸出電壓合成矢量的虛擬磁鏈在αβ坐標系下的α,β分量.

1.2 控制策略

旋轉(zhuǎn)坐標系的同步旋轉(zhuǎn)頻率為ωs,則三相并網(wǎng)逆變器在同步旋轉(zhuǎn) dq坐標系下的數(shù)學(xué)模型[8]為

式中,id,iq為三相并網(wǎng)逆變器輸出電流在 dq坐標系下的 d,q分量,ud,uq為三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓在dq坐標系下的 d,q分量.如果將旋轉(zhuǎn)坐標系下 d軸定向在虛擬電網(wǎng)磁鏈合成矢量ψ上,可得到以 d軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)態(tài)矢量圖 (見圖 2),則電網(wǎng)電壓合成矢量 Es比虛擬磁鏈矢量ψ超前π/2,即

式中,Es為電網(wǎng)電壓合成矢量的幅值.將 ud,uq用開關(guān)函數(shù)來表示 (Sd,Sq為開關(guān)函數(shù)在 dq旋轉(zhuǎn)坐標系中的表示),由式 (5)和 (6)可得

圖 2 虛擬磁鏈定向并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)矢量圖Fig.2 Steady vector of vir tual power gr id flux or iented gr id-connected inver ter

要實現(xiàn)虛擬磁鏈定向,控制器此時的重點是實現(xiàn)虛擬磁鏈空間位置角度θs的觀測.由式 (4)可以獲得虛擬磁鏈的兩個分量ψα和ψβ,但是虛擬電網(wǎng)磁鏈的初始值未知,積分時直接運用式 (4)會引入與積分初值有關(guān)的直流偏置,所以采用一階低通濾波器代替純積分的磁鏈觀測器,以得到在穩(wěn)態(tài)時消除直流偏置的效果[9-10],磁鏈觀測器模型如圖 3所示.于是,利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估算出虛擬電網(wǎng)磁鏈的α,β分量,再根據(jù)圖 2,經(jīng)過反正切函數(shù)運算即可得到虛擬磁鏈空間位置角度為

圖 3 虛擬磁鏈觀測器Fig.3 Observation of vir tual flux

利用虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器估算電網(wǎng)的空間角度,采用空間矢量脈寬調(diào)制 (space vector pulse width modulation,SVPWM)方式和虛擬的電網(wǎng)磁鏈矢量定向的控制策略,使 d軸、q軸電流閉環(huán),實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制,q軸電流控制有功功率,d軸電流控制無功功率.圖 4為以 d軸虛擬磁鏈定向的無電壓傳感器并網(wǎng)逆變器矢量控制框圖.

2 并聯(lián)運行并網(wǎng)逆變實驗

圖 4 虛擬磁鏈定向并網(wǎng)逆變器矢量控制框圖Fig.4 Vector control d iagram of vir tual power gr id flux or ien ted gr id-connected inver ter s

多重電樞繞組混合勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 5所示.圖中有 3套控制器分別控制 3套主回路:一套用于控制混合勵磁電機的電勵磁部分;另外兩套功能相同且獨立運行,控制兩套變頻器實現(xiàn)逆變并網(wǎng).額定運行下,通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小調(diào)整發(fā)電機輸出電壓滿足并網(wǎng)逆變的要求.考慮到實驗成本,本系統(tǒng)設(shè)計為兩套電樞繞組[11-12].正常運行下,可以選擇單套個別運行和兩套并聯(lián)運行;故障發(fā)生時,可撤去故障電樞單元進行檢修,由未發(fā)生故障電樞單元維持發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運行.另外,風(fēng)速較大時可以選擇兩套同時向電網(wǎng)發(fā)送有功功率;而風(fēng)速較低時可以使一套發(fā)送有功功率另一套發(fā)送無功補償,以提高逆變電流的品質(zhì),提高系統(tǒng)的運行靈活性.

圖 5 多重電樞繞組混合勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.5 W ind-power system w ith m ultiple armaturew ind ingsand hybr id excitation

整流側(cè)由發(fā)電機輸出的三相電壓在實驗過程中由電網(wǎng)直接經(jīng)由調(diào)壓器給出,更好地完成了并網(wǎng)逆變的控制.調(diào)壓器輸出的三相電壓經(jīng)過隔離變壓器分別送至兩套主回路,經(jīng)過不可控整流,由兩套控制器獨立控制逆變器并網(wǎng)運行.

為了驗證該控制策略的可行性和并網(wǎng)逆變器的性能,本工作研制了基于英飛凌公司 DSP芯片(XC167CI)的實驗平臺 (見圖 6).整個系統(tǒng)由 2塊XC167CI芯片來實現(xiàn),分別控制上、下套并網(wǎng)逆變器,2塊 DSP通過 CAN與電腦進行通訊,由上位機軟件統(tǒng)一控制.

圖 6 實驗平臺的實物照片F(xiàn)ig.6 Photo of exper imental platform

并網(wǎng)逆變實驗分為單套逆變運行和并聯(lián)逆變運行兩部分.

2.1 單套逆變實驗

整個系統(tǒng)由三相二極管整流橋、三相脈寬調(diào)制(pulsewidth modulation,PWM)逆變器、電壓和電流檢測以及保護電路等組成.絕緣柵極型功率管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的開關(guān)頻率設(shè)置為 10 kHz,死區(qū)時間設(shè)置為 3μs.并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)算法有 3S/2S變換、2S/2r旋轉(zhuǎn)變換、2r/2S逆變換、電流 PI調(diào)節(jié)器、電壓空間矢量模塊、電網(wǎng)空間角度的估算等,參數(shù)如表1所示.

表1 實驗條件參數(shù)Table 1 Param eter s of exper im en tal cond ition

為了進行單位功率因數(shù)逆變,給定 id=0 A,iq=4 A,0.3 s后 id=0 A,iq=8 A.圖 7為 A相電壓和估算出來的電網(wǎng)空間角度 (超前虛擬磁鏈π/2)實驗波形,圖 8為虛擬電網(wǎng)磁鏈的實驗波形,圖 9為 A相電壓和A相電流的實驗波形.

圖 7 A相電壓和估算電網(wǎng)空間角度實驗波形Fig.7 Exper imental waveform of A phase voltage and estimated gr id space angle

圖 8 虛擬電網(wǎng)的磁鏈實驗波形Fig.8 Exper imental waveform of vir tual gr id flux

圖 9 A相電壓和 A相電流的實驗波形Fig.9 Exper imental waveform of A phase voltage and A phase current

從圖 7可以看出,估算得到的電網(wǎng)角度從 0°變化到360°,線性度良好.從圖8可以看出,估算的虛擬電網(wǎng)磁鏈ψα,ψβ基本為正弦,ψα在時間上比ψβ超前 90°.從圖 9可以看出,A相電壓和 A相電流同相位,電流正弦度好,諧波分量小,實現(xiàn)了功率因數(shù)接近為 1的逆變,并且在起動過程中,三相并網(wǎng)逆變器輸出電流不到半個周波就達到了給定值.

2.2 并聯(lián)逆變實驗

圖 10為兩套并聯(lián)運行且有功電流給定情況下的系統(tǒng)電流響應(yīng)圖.可以看出,兩套三相并網(wǎng)逆變器輸出電流都基本正弦,且同向?qū)崿F(xiàn)兩套都是有功功率電流.圖 11為一套有功電流給定、一套無功電流給定情況下的兩套并聯(lián)運行系統(tǒng)電流響應(yīng)圖.可以看出,兩套三相并網(wǎng)逆變器輸出電流都基本正弦,其中一套實現(xiàn)功率因數(shù)為 1的逆變,另一套實現(xiàn)無功功率補償.由圖 10和圖 11可以看出,電流波形正弦度好、系統(tǒng)性能良好,諧波分量較小,實現(xiàn)了并聯(lián)并網(wǎng)運行.

圖 10 兩套 A相電流波形(都為有功)Fig.10 Waveform of A phase currents(two active power)

圖 11 兩套 A相電流波形(一套有功一套無功)Fig.11 Waveform of A phase curren ts(one active power,one reactive power)

3 結(jié) 束 語

本研究采用多重電樞直流側(cè)電壓并聯(lián)運行的控制方案,根據(jù)無電網(wǎng)電壓傳感器的并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型,采用空間矢量脈寬調(diào)制方式和虛擬電網(wǎng)磁鏈合成矢量定向的控制策略,實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制和功率因數(shù)可調(diào).實驗結(jié)果表明,并網(wǎng)逆變器輸出的電流波形正弦度良好,諧波分量小,動態(tài)響應(yīng)快.

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“上大期刊屋”推出“學(xué)術(shù)論文寫作與投稿”系列講座

根據(jù)上海大學(xué)期刊社“上大期刊屋”的工作計劃,2010年“上大期刊屋”系列講座的第一場“學(xué)術(shù)論文寫作與投稿”在上海大學(xué)延長校區(qū)第四教學(xué)樓 301室如期舉行.本次講座在研究生工作黨委的協(xié)助下,“上大期刊屋”專門針對冬季學(xué)期的首日教育而為機電工程與自動化學(xué)院在讀研究生量身打造.本次講座由《上海大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)》孟慶勛編輯主講.講座內(nèi)容豐富而生動,從上大主辦的學(xué)術(shù)期刊、國內(nèi)外知名的期刊檢索及數(shù)據(jù)庫體系講起,重點為同學(xué)們介紹了學(xué)術(shù)期刊編輯眼中的好論文的選題設(shè)計、研究過程、內(nèi)容構(gòu)成以及標題、摘要、關(guān)鍵詞、文獻等各個方面所必須具備的標準,尤其是針對當(dāng)下的學(xué)術(shù)不端行為,重點強調(diào)了在論文投稿過程中應(yīng)該遵循的技術(shù)規(guī)范和道德規(guī)范.

本次講座是上海大學(xué)期刊社“上大期刊屋”針對各個學(xué)院所精心策劃的系列講座的第一場.在期刊社青聯(lián)會成員的共同努力下,針對冬季學(xué)期各個學(xué)院的研究生教育,“上大期刊屋”還會繼續(xù)圍繞“編輯眼中的好論文”這一主題推出系列講座.

(上海大學(xué)期刊社)

Parallel Gr id-Connected Inver ter s for M ultiple Ar mature-W ind ing W ind Power System w ithout Gr id Voltage Sensor s

TANG Yan-yan, RUAN Yi, YANG Yong
(School of Mechatronics Engineering and Automation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

The control strategy based on virtual power grid flux without power grid voltage sensors is proposed to improve reliability and reduce cost for the grid-connected inverter.A novel control strategy makes the DC voltage flexibly run in parallel based on multip le armature-w inding,making the system more reliable and robust.Experimental results show that output currents are sinusoidal,w ith a good dynamic and static performance.Thus feasibility of the control strategy is verified.

multiple armature-winding;parallel;sensorswithout grid voltage;virtual grid flux

TM 614

A

1007-2861(2011)01-0074-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.012

2009-07-22

臺達電力電子科教發(fā)展基金重點資助項目(DRES2007002);上海大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目 (SHUCX092200)

阮 毅 (1955～),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向為電力電子與電力傳動.E-mail:yruan@mail.shu.edu.cn

(編輯:劉志強)