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        變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機中網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制

        2015-05-05 05:59:58張文斌劉雪揚
        機械與電子 2015年5期
        關(guān)鍵詞:電機工程變流器數(shù)學(xué)模型

        李 奇,張文斌,劉雪揚

        (昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院,云南 昆明650500)

        0 引言

        隨著發(fā)電機功率的增加,對變流器的要求也越高。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機中,網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)主要是保持直流母線電壓穩(wěn)定、輸入電流諧波含量少和輸入電壓與電流的相位保持一致[1-3]。為此,圈內(nèi)外學(xué)者提出了許多控制方案[2-11]。

        1 變流器數(shù)學(xué)模型

        變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機中的網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)為:

        圖1 變流器結(jié)構(gòu)

        根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律,各相回路方程為:

        ua,ub,uc為電網(wǎng)三相電壓,uaN,ubN,ucN為橋臂電壓,UNO為直流母線負(fù)端與電網(wǎng)中性點間的電壓。

        當(dāng)sa=1時,uaN=Udc,sa=0時,uaN=0。因此,uaN=SaUdc,同理可得

        將其帶入式(1)得

        在式(3)中,對變流器中的運行條件未做任何假定。因此,該方程對三相電壓不平衡、波動、有諧波等情況都使用。

        一般變流器采用三相無中線接線,由基爾霍夫電流定理得出,不管電網(wǎng)三相電壓是否平衡,交流側(cè)的三相電流之和等于零,即

        假設(shè)電網(wǎng)側(cè)進線電抗的電阻、電感均相等,有

        由于網(wǎng)側(cè)直接與大電網(wǎng)相連。因此,一般考慮電網(wǎng)電壓三相對稱(ua+ub+uc=0)的情況。聯(lián)立式(3)~式(5)解出

        將式(4)~式(6)代入式(3)可得電網(wǎng)電壓對稱情況下的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型為:

        由于經(jīng)典控制中對正弦量的跟蹤較困難。因此,需要將三相正弦量變?yōu)橹绷髁俊=栌秒姍C控制中磁場定向的觀點,可將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

        ud,uq為電網(wǎng)電壓的d,q軸分 量;id,iq分別為網(wǎng)側(cè)輸入電流的d,q軸分量;vgd,vgq分別為變流器網(wǎng)側(cè)電壓的d,q軸分量;Sd,Sq分別為開關(guān)函數(shù)的d,q軸分量。

        2 電網(wǎng)電壓定向矢量控制

        根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,將兩相同步坐標(biāo)系d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向上,可使控制相對簡單,開關(guān)頻率固定。令ugrid=ud+juq為電網(wǎng)電壓矢量,則d軸定向后有ud=|ugrid|=ugrid,uq=0,于是變流器電壓方程可化為:

        式(10)說明d,q軸電流除受vgd,vgq影響外,還受到交叉耦合項ωLiq,ωLid和電網(wǎng)電壓的影響。將式(10)改寫為:

        圖2 基于電網(wǎng)電壓定向的變流器控制策略

        變流器采用雙閉環(huán)控制,電壓外環(huán)主要控制三相PWM變流器的直流側(cè)電壓,直流電壓給定與反饋的誤差,經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器計算有功電流給定值,其值決定有功功率的大小,符號決定有功功率的流向。電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制,為實現(xiàn)功率因數(shù)為1的整流或逆變,應(yīng)使無功電流分量=0。計算得到的參考電壓,經(jīng)坐標(biāo)變換后進行SPWM調(diào)制,產(chǎn)生的驅(qū)動信號實現(xiàn)變流器的控制。

        3 仿真實驗驗證

        在Matlab/Simulink軟件中搭建了變流器的模型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)側(cè)相電壓有效值為220V;電壓頻率為50Hz;直流側(cè)電容值為100μF;進線電感為26 mH;開關(guān)頻率為3kHz;直流側(cè)輸出電壓為750V。根據(jù)電壓定向的控制策略建立控制算法,通過仿真可以驗證該算法的可行性。

        直流側(cè)電壓的輸出波形如圖3所示,可以看出,在0.1s左右就達到了750V的設(shè)定目標(biāo)值,0.15s后輸出穩(wěn)定在750V,具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性。無功電流Iq的波形如圖4所示,0.1s后Iq的值一直保持在零附近,說明輸入無功功率為零,變流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。網(wǎng)側(cè)A,B,C相輸入電壓、電流波形如圖5所示(電壓、電流為標(biāo)幺值,其基值分別為311V和21A)。在0.04之前電流有些波動,之后各相輸入電流的相位基本上與電壓一致,三相的功率因素都幾乎為1,且三相電流的正弦度較好。

        圖3 輸出直流電壓

        圖4 無功電流波形

        圖5 網(wǎng)側(cè)變流器輸入電壓、電流波形

        4 結(jié)束語

        在變流器的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略,并建立了仿真模型。從直流電壓、網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流的仿真結(jié)果可以看出,電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略能使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的網(wǎng)側(cè)變流器滿足控制要求,且有較好的動態(tài)性能,為后續(xù)風(fēng)力發(fā)電機中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制研究奠定了基礎(chǔ)。

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