风电并网逆变器应用有无功功率解耦控制的矢量控制策略
日期：2010-10-9 14:07:53 点击：
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作者： 未知
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1引言
为了满足日益增长的电力需求，作为一种新的发电方式，风力发电赢得了非常重要的发展机遇[1]。三相电压源逆变器(VoltageSourceInverter，VSI)通常被用来风力发电系统并网。根据IEEE相关标准的规定[2]，风力发电系统不能调节耦合点(PointofCommonCoupling，PCC)的电压，因此并网系统的电能质量主要取决于输出电流的质量。为了能够给电网提供高质量的电能，并网逆变器的电流控制发挥了重要的作用[3][4]。
用于三相PWM逆变器的电流控制策略已很多报道[5-9]。电流控制策略都有着相同的结构，包括一个电流反馈的内环。其主要实现两个基本的目的:电流误差补偿和脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)。在以前的电流控制策略中，基于电压空间矢量调制(SpacevoltageModulation，SVM)的电流控制器被广泛应用于三相逆变器中。本质上，基于SVM的电流控制器是一种线性的控制策略，并且能够有效的分离电流误差补偿和PWM部分。而且SVM还有很多的优点，如确定的开关频率、优秀的电压电流谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion，THD)、优良的直流电压利用率等[10]。但是，基于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，因此对于电网电压的波动以及为了满足变速恒频风电系统最大功率点跟踪[11](MaximumPowerPointTracking，MPPT)的要求而设定并网电流参考，基于SVM的控制器无法满足这些风力发电并网的要求。此外，为了对电力系统无功功率进行补偿，大功率的风力发电系统必须能够满足对系统有功功率和无功功率的独立解耦控制，文献[12]提出了一种基于SVPWM的控制策略并且能够对电网的谐波进行补偿控制，文献[13]在文献[12]的基础上提出了预测型的算法。运用离散化、数字化的方法对电压和电流实行预测型控制。但是这两种方法本质都是一致的，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效的补偿，因此该控制器在系统参数变化时的鲁棒性很差。文献[14]提出的矢量控制方案虽然将直流侧母线电压的波动进行了考虑，使其不会对并网电能质量产生很大的影响，但是由于直流电压的加入，使控制无功电流的自由度消失，因此也就无法对系统的有无功电流分别控制。
本文在分析风力发电并网逆变器系统数学模型的基础上，提出了一种改进的矢量控制策略。它主要由两个双环控制模型构成，分别都是电流外环电压内环的结构，然后在电压内环的基础上加入对并网电感电压信号的补偿环节。这种结构不仅可以改善并网电流的波形质量，而且在系统给定参数发生改变的情况下，仍然可以使系统具有很强的鲁棒性，此外，该结构还能有效补偿直流侧母线电压的脉动对并网电流质量的影响。
2 系统的数学模型
图1 三相并网逆变器的主电路
用于风力发电系统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。
在静止的三相A-B-C参考坐标系中，三相PWM并网逆变器的数学模型描述如下[12][13]:
(1)
整理后得:
(2)
其中[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。
为了实现有功无功电流的有效解耦，将静止三相A-B-C参考坐标系转换成旋转的d-q同步坐标系中。这样状态空间内的状态方程可表示为:
(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可以表示为:
(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可以表示为:
(5)
在理想的状态下，电网电压是严格的正弦波即没有任何谐波，因此在旋转的d-q同步坐标系下，电网电压矢量变为:
(6)
其中V是电网相电压的峰值。
但是在实际的过程中，电网电压总是有谐波污染的，因此不可能是严格的正弦波，故电网电压νgd和νgq总是有一定的脉动的，其幅值和频率与电网电压的谐波含量有关。但是在稳定的状态下，νgd的平均值仍然等于0。因此在稳态下，逆变器输出的有功功率和无功功率，可以表示为:
(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分别取决于旋转d-q同步坐标系下的电流iq和 id，因此电流iq和id可分别称之为有功电流和无功电流。这样旋转d-q同步坐标系下，只要能够有效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可以完全实现独立的解耦控制。
3 矢量控制系统模型
将式(3)风力发电系统状态方程整理可得:
(8)
式(8)就是矢量控制系统的数学模型。从式中可以看出:只要能够有效的、实时的检测电网电压的波动，有效的设定有功电流iq和无功电流id的参考值，并且能够很好的补偿并网电感电压信号，那么就可以通过将检测电网电压作为反馈信号补偿PWM的调制波信号，将检测并网电流信号作为反馈信号来补偿并网电感电压信号，本文的改进之处就在于此。然后将电流反馈与给定电流的误差通过前馈的PI环节来补偿并网电感电压信号的微小波动。
本文提出的矢量控制系统方案如图2所示。该控制系统主要通过有功电流iq和无功电流id的解耦来实现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直流分量构成两个双环控制模型，分别都是电流外环电压内环的结构。电流信号id、iq与给定参考电流信号i*d、i*q的误差信号通过两个PI调节器形成并网电感电压微小波动的补偿信号。而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微小波动的补偿信号和并网电感电压信号一起经过比例环节后生成逆变器的输出电压的参考信号i*d、i*q。经过旋转d-q坐标系到静止三相A-B-C坐标系的变换后，参考信号νd、νq形成逆变器的调制信号ν*a、ν*b、ν*c。PWM信号的生成环节可以采用基于电压空间矢量(SVM)的调制策略，也可以采用基于三次谐波注入法的正弦波脉宽调制(SPWM)，因为这两种调制方式的优点都是[15]:①有着确定的开光频率;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。本文采用的是基于三次谐波注入法的正弦波脉宽调制方案。
必须指出的是PWM生成环节通过检测直流侧母线电压Vdc，然后对调制波信号进行实时调节来补偿母线电压Vdc的波动对逆变器输出电压的影响。给定的电流参考信号i*d、i*q由上位机来提供，主要用来实现有无功功率的独立控制，或者为了满足变速恒频风电系统最大功率点跟踪MPPT的要求。
4 风力发电系统的仿真研究
为了验证本文所提出的矢量控制系统的性能，采用电力电子专用仿真软件包PSIM6.0对风力发电并网系统进行了计算机仿真。以图2的模型为基础搭建对应仿真电路。
根据本课题组所研究的国家“十一五”科技支撑计划“大功率风电机组研制与示范”项目的要求，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，通过这种阶跃响应来验证系统的动态性能。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系统的功率因数波形;图6是并网系统的电流阶跃响应;图7是给定电流从590A阶跃到1180A时并网电流的动态响应，而图8是给定电流从1180A阶跃到590A时的并网电流动态响应。图9是在阶跃的过程中逆变器输出功率的变化。
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并网系统的功率因数
图6并网系统的电流阶跃响应
图7并网电流的动态响应波形
(给定电流从590A阶跃到1180A)
图8并网电流的动态响应波形
(给定电流从1180A阶跃到590A)
图9并网电流动态响应的功率变化
从上面的仿真结果可看出，并网电流和电网电压基本上是同相位的，这从图5中功率因数近似等于1的结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％，完全满足风力发电系统的并网要求。从并网电流的阶跃响应中，可看出逆变器输出的电流完全能够跟随给定电流的阶跃，并且响应的时间也非常短，从图7、图8中可知阶跃的响应时间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随着变化从0.5MW阶跃到1MW，然后再到0.5MW。
因此仿真的结果证明:本文提出的矢量控制策略具有很高的系统性能，完全能够满足风力发电系统各种技术性能指标的要求。进一步的实验样机验证和考核将在随后的研究中进行。
5 结束语
本文在对风力发电并网逆变器系统数学模型分析的基础上，提出了一种改进的矢量控制策略。它主要由两个双环控制模型构成，分别都是电流外环电压内环的结构。通过实时检测并网电流和电网电压的波动，有效的设定有功电流和无功电流的参考值，并且能够很好的补偿并网电感电压信号，那么就可以有效的补偿PWM的调制波信号。本文提出的这种结构不仅可以改善并网电流的波形质量，而且在系统给定参数发生变化的情况下，仍然可使系统具有很强的鲁棒性，此外，该结构还能有效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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1引言
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为了满足日益增长的电力需求，作为一种新的发电方式，风力发电赢得了非常重要的发展机遇[1]。三相电压源逆变器(VoltageSourceInverter，VSI)通常被用来风力发电系统并网。根据IEEE相关标准的规定[2]，风力发电系统不能调节耦合点(PointofCommonCoupling，PCC)的电压，因此并网系统的电能质量主要取决于输出电流的质量。为了能够给电网提供高质量的电能，并网逆变器的电流控制发挥了重要的作用[3][4]。
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用于三相PWM逆变器的电流控制策略已很多报道[5-9]。电流控制策略都有着相同的结构，包括一个电流反馈的内环。其主要实现两个基本的目的:电流误差补偿和脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)。在以前的电流控制策略中，基于电压空间矢量调制(SpacevoltageModulation，SVM)的电流控制器被广泛应用于三相逆变器中。本质上，基于SVM的电流控制器是一种线性的控制策略，并且能够有效的分离电流误差补偿和PWM部分。而且SVM还有很多的优点，如确定的开关频率、优秀的电压电流谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion，THD)、优良的直流电压利用率等[10]。但是，基于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，因此对于电网电压的波动以及为了满足变速恒频风电系统最大功率点跟踪[11](MaximumPowerPointTracking，MPPT)的要求而设定并网电流参考，基于SVM的控制器无法满足这些风力发电并网的要求。此外，为了对电力系统无功功率进行补偿，大功率的风力发电系统必须能够满足对系统有功功率和无功功率的独立解耦控制，文献[12]提出了一种基于SVPWM的控制策略并且能够对电网的谐波进行补偿控制，文献[13]在文献[12]的基础上提出了预测型的算法。运用离散化、数字化的方法对电压和电流实行预测型控制。但是这两种方法本质都是一致的，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效的补偿，因此该控制器在系统参数变化时的鲁棒性很差。文献[14]提出的矢量控制方案虽然将直流侧母线电压的波动进行了考虑，使其不会对并网电能质量产生很大的影响，但是由于直流电压的加入，使控制无功电流的自由度消失，因此也就无法对系统的有无功电流分别控制。
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本文在分析风力发电并网逆变器系统数学模型的基础上，提出了一种改进的矢量控制策略。它主要由两个双环控制模型构成，分别都是电流外环电压内环的结构，然后在电压内环的基础上加入对并网电感电压信号的补偿环节。这种结构不仅可以改善并网电流的波形质量，而且在系统给定参数发生改变的情况下，仍然可以使系统具有很强的鲁棒性，此外，该结构还能有效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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2 系统的数学模型
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图1 三相并网逆变器的主电路
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用于风力发电系统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。
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在静止的三相A-B-C参考坐标系中，三相PWM并网逆变器的数学模型描述如下[12][13]:
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其中[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。
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为了实现有功无功电流的有效解耦，将静止三相A-B-C参考坐标系转换成旋转的d-q同步坐标系中。这样状态空间内的状态方程可表示为:
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在理想的状态下，电网电压是严格的正弦波即没有任何谐波，因此在旋转的d-q同步坐标系下，电网电压矢量变为:
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其中V是电网相电压的峰值。
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但是在实际的过程中，电网电压总是有谐波污染的，因此不可能是严格的正弦波，故电网电压νgd和νgq总是有一定的脉动的，其幅值和频率与电网电压的谐波含量有关。但是在稳定的状态下，νgd的平均值仍然等于0。因此在稳态下，逆变器输出的有功功率和无功功率，可以表示为:
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从式(7)中可得出:在稳态下，逆变器的有功功率和无功功率分别取决于旋转d-q同步坐标系下的电流iq和 id，因此电流iq和id可分别称之为有功电流和无功电流。这样旋转d-q同步坐标系下，只要能够有效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可以完全实现独立的解耦控制。
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3 矢量控制系统模型
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将式(3)风力发电系统状态方程整理可得:
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式(8)就是矢量控制系统的数学模型。从式中可以看出:只要能够有效的、实时的检测电网电压的波动，有效的设定有功电流iq和无功电流id的参考值，并且能够很好的补偿并网电感电压信号，那么就可以通过将检测电网电压作为反馈信号补偿PWM的调制波信号，将检测并网电流信号作为反馈信号来补偿并网电感电压信号，本文的改进之处就在于此。然后将电流反馈与给定电流的误差通过前馈的PI环节来补偿并网电感电压信号的微小波动。
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本文提出的矢量控制系统方案如图2所示。该控制系统主要通过有功电流iq和无功电流id的解耦来实现有功功率和无功功率的解耦的。
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图2矢量控制框图
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如图2所示，两个解耦的id、iq直流分量构成两个双环控制模型，分别都是电流外环电压内环的结构。电流信号id、iq与给定参考电流信号i*d、i*q的误差信号通过两个PI调节器形成并网电感电压微小波动的补偿信号。而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微小波动的补偿信号和并网电感电压信号一起经过比例环节后生成逆变器的输出电压的参考信号i*d、i*q。经过旋转d-q坐标系到静止三相A-B-C坐标系的变换后，参考信号νd、νq形成逆变器的调制信号ν*a、ν*b、ν*c。PWM信号的生成环节可以采用基于电压空间矢量(SVM)的调制策略，也可以采用基于三次谐波注入法的正弦波脉宽调制(SPWM)，因为这两种调制方式的优点都是[15]:①有着确定的开光频率;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。本文采用的是基于三次谐波注入法的正弦波脉宽调制方案。
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必须指出的是PWM生成环节通过检测直流侧母线电压Vdc，然后对调制波信号进行实时调节来补偿母线电压Vdc的波动对逆变器输出电压的影响。给定的电流参考信号i*d、i*q由上位机来提供，主要用来实现有无功功率的独立控制，或者为了满足变速恒频风电系统最大功率点跟踪MPPT的要求。
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4 风力发电系统的仿真研究
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为了验证本文所提出的矢量控制系统的性能，采用电力电子专用仿真软件包PSIM6.0对风力发电并网系统进行了计算机仿真。以图2的模型为基础搭建对应仿真电路。
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根据本课题组所研究的国家“十一五”科技支撑计划“大功率风电机组研制与示范”项目的要求，设定如下的仿真参数:
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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，通过这种阶跃响应来验证系统的动态性能。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系统的功率因数波形;图6是并网系统的电流阶跃响应;图7是给定电流从590A阶跃到1180A时并网电流的动态响应，而图8是给定电流从1180A阶跃到590A时的并网电流动态响应。图9是在阶跃的过程中逆变器输出功率的变化。
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图3电网电压和三相并网电流波形
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图4并网电流的谐波畸变率THD
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图5并网系统的功率因数
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图6并网系统的电流阶跃响应
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图7并网电流的动态响应波形
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(给定电流从590A阶跃到1180A)
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图8并网电流的动态响应波形
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图9并网电流动态响应的功率变化
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从上面的仿真结果可看出，并网电流和电网电压基本上是同相位的，这从图5中功率因数近似等于1的结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％，完全满足风力发电系统的并网要求。从并网电流的阶跃响应中，可看出逆变器输出的电流完全能够跟随给定电流的阶跃，并且响应的时间也非常短，从图7、图8中可知阶跃的响应时间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随着变化从0.5MW阶跃到1MW，然后再到0.5MW。
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因此仿真的结果证明:本文提出的矢量控制策略具有很高的系统性能，完全能够满足风力发电系统各种技术性能指标的要求。进一步的实验样机验证和考核将在随后的研究中进行。
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5 结束语
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本文在对风力发电并网逆变器系统数学模型分析的基础上，提出了一种改进的矢量控制策略。它主要由两个双环控制模型构成，分别都是电流外环电压内环的结构。通过实时检测并网电流和电网电压的波动，有效的设定有功电流和无功电流的参考值，并且能够很好的补偿并网电感电压信号，那么就可以有效的补偿PWM的调制波信号。本文提出的这种结构不仅可以改善并网电流的波形质量，而且在系统给定参数发生变化的情况下，仍然可使系统具有很强的鲁棒性，此外，该结构还能有效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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编
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