彭威亞

(國家電投集團鋁電投資有限公司,北京,100000)

1 逆變器相關(guān)概述

在交流并網(wǎng)型風(fēng)電渦輪發(fā)電機組系統(tǒng)中，逆變器一直是一項核心部件和一項關(guān)鍵技術(shù)，其主要作用功能也就是將一臺風(fēng)力渦輪發(fā)電機組所輸出的千伏交流電經(jīng)過風(fēng)力整流、升壓、逆變器等轉(zhuǎn)變后成為一種可以直接并網(wǎng)的千伏交流電，逆變器實現(xiàn)的目的從前端到后端主要包括整流、電壓逆變、諧波消除、電網(wǎng)跟蹤、防孤島效應(yīng)等，其中逆變器控制拓撲和控制策略由于直接決定了風(fēng)力發(fā)電的輸出效率，且關(guān)系到整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故而系統(tǒng)性地研究風(fēng)電并網(wǎng)逆變器具有十分重要的意義。

2 逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及基本原理

2.1 并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

新能源汽車發(fā)電機所輸出的電流既有高壓交流電也就沒有直流電，如果像風(fēng)能，發(fā)電機組等輸出的如果是高壓交流電，通常都需要先對其進行高壓整流，再通過交流逆變器進行并網(wǎng)；而又如太陽能，發(fā)電廠等輸出的如果是直流電，則通?？芍苯油ㄟ^逆變后再并網(wǎng)。逆變器常見的限制拓撲逆變結(jié)構(gòu)包括有限制雙PWM 逆向電變型、不限制可控高壓整流SPWM 逆向電變型、不限制可控高壓整流PWM 逆變型和拓撲型等結(jié)構(gòu)。本文對于并網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)逆變器的無線拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型作出了選用并對雙PWM 型并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行理論研究與設(shè)計描述。

雙PWM 全控型全控逆變升壓器整流電路設(shè)計圖結(jié)構(gòu)如所示圖1 所示，風(fēng)電機組所輸出的三相交流電通過進行整流、升壓、逆變等四個環(huán)節(jié)后再被并入交流電網(wǎng)，其中通過整流升壓環(huán)節(jié)和通過逆變升壓環(huán)節(jié)均分別使用了PWM 型的全控型升壓三相整流電橋。此種拓撲電路具有一定性能優(yōu)點，目前該機的拓撲電路結(jié)構(gòu)并行比較成為主流。但該機的拓撲電路結(jié)構(gòu)也是具有其固有的優(yōu)缺點：PWM 兩型整流器內(nèi)部使用的是全控型三相整流電橋，增加了整流系統(tǒng)維護成本。

圖1 雙PWM 型拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 逆變器數(shù)學(xué)模型與解耦分析

2.2.1 三相電壓全控型逆變器的工作原理

三相輸出電壓源的全控型直流逆變器的基本結(jié)構(gòu)如框圖2 所示，直流側(cè)輸出電壓用一個直流輸出電壓而該源代表的是發(fā)電機直流輸出端的電能和經(jīng)整流之后的直流輸出電壓源的水平，用信號dcU表示。

圖2 三相電壓全控型逆變器示意圖

任何時刻，三相電動橋的每對單個橋臂都可能只有一個橋臂開關(guān)自動導(dǎo)通，一個橋臂開關(guān)自動關(guān)斷。現(xiàn)以它與A 相導(dǎo)通為一示例，當V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷時，U a=Udc2；V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通時，U a=Udc2。同理也盡可能地根據(jù)V3-V6的高壓導(dǎo)通關(guān)閉中斷工作情況即可得出各個工作時刻Ub、Uc的導(dǎo)通電壓額定值。易知每一相機的輸出輸入電壓都應(yīng)具有正負輸出電壓水平兩個工作狀態(tài)，且正負輸出電壓水平狀態(tài)出現(xiàn)的持續(xù)時間各大約占半個輸出電平工作周期。通過利用SPWM 對V1-V6六個節(jié)點IGBT 節(jié)點進行合理電能控制就可以能準確輸出與移動電網(wǎng)額定電壓、頻率、相位、相序相位等符合的并網(wǎng)電能，實現(xiàn)安全智能并網(wǎng)。

2.2.2 逆變器的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)電耦合并網(wǎng)風(fēng)力逆變器的主要特點之一是采用多維度，強電力耦合，為了大大降低系統(tǒng)控制上的難度，增加控制的可靠性，就需要進行解耦。因此，須進行3s/2r和2r/2s坐標變換，在dq坐標系下建立數(shù)學(xué)模型，達到P 和Q 的解耦控制。

在dq坐標系中，可按照直流高壓控制驅(qū)動系統(tǒng)的基本設(shè)計操作方法進行設(shè)計高壓逆變器直流控制驅(qū)動系統(tǒng)，變量參數(shù)要少很多，且沒有相互耦合，比在abc坐標系下直接按照設(shè)計交流控制系統(tǒng)簡單得多。設(shè)零刻度時刻dq坐標系的D 中心軸與αβ坐標系的α中心軸相重合，代表一個有功乘積分量，q軸超前d軸90°，代表一個無功分量。根據(jù)瞬時性的無線電功變換理論，d軸按時是電網(wǎng)時間電壓軸的矢量函數(shù)方向，從αβ坐標系輸出變換矩陣到dq坐標系，其中的變換矩陣一定可以是電網(wǎng)時間的矢量函數(shù)，兩坐標系的變換參數(shù)時間關(guān)系描述如下：

式中，Ud，Uq，id，iq——dq坐標系中的變量；

Uα，Uβ，iα，iβ——αβ坐標系中的變量；

ω——電網(wǎng)基波角頻率。

整理可得dq坐標系下的逆變器模型：

化簡得：

3 基于雙PWM 逆變器的搭建與仿真

3.1 逆變器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本文對我所研究設(shè)計出的風(fēng)電逆變器系統(tǒng)總體的智能動態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其框圖設(shè)計如軟件圖3 所示。圖中，Udc*是兩個給定的中間直流反饋電壓，Udc是給定作為兩個外環(huán)調(diào)節(jié)反饋的中間直流反饋電壓，二者之差就是作為兩個PI 內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的外環(huán)調(diào)節(jié)反饋信號并在進入兩個PI 外環(huán)調(diào)節(jié)器后再進行內(nèi)環(huán)調(diào)控，調(diào)控的最終結(jié)果又就是作為內(nèi)環(huán)d反饋軸的中間給定反饋電流id*。作為交流內(nèi)環(huán)電壓反饋的交流逆變器在電網(wǎng)側(cè)端和并網(wǎng)端的交流外環(huán)電流反饋信號經(jīng)過直軸坐標方向變換后可得到兩相軸在靜止直軸坐標系下的直軸方向分量id。iq*賦值因數(shù)為0 以后可獲得小于單位電機功率值的因數(shù)。d軸和q軸各自的軸對反饋在測量和給定量信號進行綜合比較后分別直接進入獨立的機和PI 并在調(diào)節(jié)器之間進行獨立控制調(diào)控，PI 通過調(diào)節(jié)器的兩個輸出控制結(jié)果直接注入到對反饋的三相電網(wǎng)中在電壓以及dq軸互相之間的電力耦合器測量之后進行解耦，經(jīng)過兩個坐標系的變換將軸對反饋進行調(diào)控的輸出結(jié)果直接變換到兩相之間旋轉(zhuǎn)時的坐標系，然后把兩個信號分別交給軸的SPWM 進行調(diào)控，對每個逆變器三相橋上控制開關(guān)上的器件信號進行獨立控制，實現(xiàn)了對逆變器的獨立控制。

圖3 逆變器的動態(tài)控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 逆變器模型搭建

根據(jù)雙閉環(huán)控制先電壓內(nèi)環(huán)后電流外環(huán)的設(shè)計原則，本文先研究設(shè)計外環(huán)電流電壓內(nèi)環(huán)，然后將外環(huán)電流電壓內(nèi)環(huán)控制視為外圍電壓電流外環(huán)的一部分，進行內(nèi)環(huán)電壓電流外環(huán)的控制設(shè)計,可以正確畫出驅(qū)動電流控制內(nèi)環(huán)的電壓動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程框圖，此處僅對q軸驅(qū)動電流的內(nèi)環(huán)控制公式進行示例分析，iq內(nèi)環(huán)驅(qū)動控制的電流動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖公式如框圖4 所示。

圖4 iq 內(nèi)環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

由于新型風(fēng)力發(fā)電電流逆變器內(nèi)環(huán)控制驅(qū)動系統(tǒng)必須需要良好的內(nèi)環(huán)跟隨驅(qū)動性能，才能很好適應(yīng)電力風(fēng)電的自動隨機性，電流電壓內(nèi)環(huán)自動控制的主要目的就是為了跟蹤發(fā)電風(fēng)能的自動變換，故本文按一種典型型號的系統(tǒng)實例設(shè)計采用電流電壓內(nèi)環(huán)控制PI 電流調(diào)節(jié)器

3.3 仿真結(jié)果分析

該控制模型中最重要的部分就是驅(qū)動電網(wǎng)側(cè)和驅(qū)動轉(zhuǎn)子側(cè)的這兩個整流變換器及其它的控制器集成模塊，這個電路稱為具有雙PWM 型的變流變換器控制電路。雙PWM 系列變流器通常會在不同運行時期分別處于通過整流或者通過逆變的電流運行停止狀態(tài)，兩個PWM 根據(jù)自身檢測到的系統(tǒng)參數(shù)和控制目標相互獨立控制運行，兩者之間也可以根據(jù)統(tǒng)一目標進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制運行。

圖5 風(fēng)機啟動后A、B、C 三相電流波形

DFIG 的風(fēng)速設(shè)置為恒定風(fēng)速，從圖3-4 中可知系統(tǒng)啟動時間大約需要0.8 秒后穩(wěn)定，根據(jù)上圖可以看出，穩(wěn)定以后輸出的電壓THD 含量從2.89%降到了0.41%，穩(wěn)定后輸出的電流THD 含量從1.97%降到了0.84%。

由圖6 可知在系統(tǒng)的啟動后，DFIG 系統(tǒng)開始向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，大約經(jīng)過1.2S，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，當風(fēng)速不變時，DFIG 系統(tǒng)向電網(wǎng)的發(fā)出的有功功率也基本趨于穩(wěn)定。

圖6 風(fēng)機有功功率波形

由于本文整流設(shè)計的技術(shù)重點主要是直流逆變器，仿真直流逆變器時需要忽略的是整流器在得到直流輸出電壓之前的幾個環(huán)節(jié)。為了準確仿真高壓逆變器的直流并網(wǎng)運行性能，逆變器的直流側(cè)可連接一個1100V 的高壓直流電源穩(wěn)壓源，設(shè)= 0可獲得一個單位值的功率諧波因數(shù)。

4 結(jié)論

本文首先詳細描述了各種風(fēng)電仿真逆變器的基本拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)計控制策略，以此基礎(chǔ)建立風(fēng)電并網(wǎng)仿真逆變器基本數(shù)學(xué)虛擬模型并然后進行并網(wǎng)仿真設(shè)計試驗，仿真研究結(jié)果充分驗證了所搭建設(shè)計的風(fēng)電并網(wǎng)仿真逆變器的基本數(shù)學(xué)虛擬模型的設(shè)計可行性，說明了所搭建的并網(wǎng)仿真試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計正確性，逆變器的基本設(shè)計控制思路、設(shè)計控制方法和仿真設(shè)計試驗效果均完全符合風(fēng)電工程設(shè)計要求。