基于矢量解耦逆变器控制电路的设计与研究

1、基于矢量解耦逆变器控制电路的设计与研究摘要：风力发电具有广阔的前景，逆变环节是风力发电最主要的环节之一。对 于相位幅值逆变控制电路为电压单环结构，响应速度慢；且网侧存在直流电流偏 移量，瞬态时，输入电压滤波器会出现振荡且负载电流会发生畸变的问题。在此 采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计岀矢量解耦的逆变器控制电路。仿真 结果表明：电压与电流周期、频率相同，相位差为90° ;电流瞬态响应时间为 0.005 s左右；三相并网电压的周期0.02 s ,频率50 hz ,完全满足并网要求。关键词：风力发电；pwm变换器；矢量控制；电路设计abstract : wind power gene

2、ration has a broad prospect. the inversion step is one of the most important steps of wind power generation. the inverter circuit controlling the phase and amplitude adopts the voltage single?loop structure , whose response speed is slow. since the network side exists the dc offset, the filter of in

3、put voltage may appear the oscillation and load current may occur distortion during the transient. the vector control strategy for two loops of voltage and current is adopted to design the inverter control circuit based on vector decoupling. the simulation results show that the frequency and period

4、of the voltage and curre nt are the same , and their phase d if fere nee is 90°. the current transient response time is about 0.005 s. the period of the three?phase grid?connection voltage is 0.02 s z and the frequency is50 hz. the circuit can satisfy the grid?co rm ection requireme nt.keywords

5、 : wind power generation ; pwm converter; vector control ; circuit design0引言不可再生化石能源的消耗与枯竭，寻找新型替代能源以推动经济持续发展。 风电作为一种可再生的清洁能源受到重视。国家发改委2003年明确提出风电规 划目标：到2020年全国风电装机容量要达2 000万kw z以推动风电商业化发 展；20052010年间，装机容量需达到近60万kw/年;20102015年间, 装机容量需达到近120万kw/年;20152020年间z装机容量1?2需达近 200万kw/年,其发展前景广阔。逆变环节是风力发电最主要的环节之

6、一。目前主要采用相位幅值逆变控制电 路，该电路为电压单环结构，无电流环，响应速度慢，且网侧存在直流电流偏移 量，瞬态时，输入电压滤波器会出现振荡且负载电流会发生畸变引。本文采用 电压、电流双闭环矢量控制策略，设计出矢量解耦的逆变器控制电路，在两相同 步旋转坐标系下对三相逆变器的电流实现静态解耦,改善有源逆变的动态响应及 抗干扰能力,实现稳定可靠的控制。1控制原理及数学模型1.1原理矢量控制策略：给走信号分解成两个互相垂直而且独立的直流信号im , it ,又经"2/3变然后通过直?交变换将im , it交换成两相交流信号ia , 0换，得到三相交流的控制信号ia z ib z ic去

7、控制变流电路4?6。对pwm逆变器控制也可以采用矢量控制策略，如图1所示。三相交流电流ia , ib , ic经过3/2变换、交?直变换成为互相垂直且独立的直流量id z iq z再经过直?交变换"、2/3变换，得到三相交流 的控制信号ia , ib , ic ,控制pwm逆变器7。该控制策略有动态响应快、稳态 性能好、限流保护等优点。1.2数学模型对于电压型逆变器，在三相静止坐标系abc中假设:(1)电网电动势为三相平衡的纯正弦波电动势(ea , eb , ec );(2)网侧滤波电感l ( a , b , c )是线性的;(3)主电路的开关视为理想元件，通断可以用开关函数描述。在

8、静止的三相abc参考坐标系中，三相pwm并网逆变器的数学模型为：vavbvc=l?diadtdibdtdicdt+vgavgbvgc (1)将静止的三相abc参考坐标系转换成同步旋转的dq坐标系以实现有功、无功电流的解耦。三相并网pwm逆变器中有功、无功功率为：p=32 ( vgd?id+vgq?iq ) q=32 ( vgd?id+vgq?iq ) ( 2 )理想状态下，电网电压是无彳习可谐波的纯正弦波，在同步旋转的dq坐标系 下，电网电压矢量可以表示为：vgd=ovgq=v ( 3 )式中,v是电网相电压的峰值。实际上，电网电压总是有谐波污染，不可能是纯正弦波，故电网电压vgd 和vgq总

9、有一定的脉动，其幅值和频率与电网电压的谐波量有关。但在稳态下, vgd的平均值仍为0o因此在稳态下,逆变器输出的有功、无功功率如式(4 ) 所示。p=32?vgq?iqq=32?vgd?id (4 )可见：在稳态下，逆变器的有功、无功功率分别取决于同步旋转的dq坐标 系下的电流iq和id。如能独立地控制逆变器的有功、无功电流iq , id ,则可 实现逆变器输出的有功、无功功率的独立解耦控制8。2电路设计2丄逆变主电路三相pwm逆变器的电路结构如图2所示。电路由三个半桥电路组成z开关管vt1 vt6采用全控型电力电子器件， 二极管di d6为续流二极管，两者组成igbt关断电路。在输入三相交流

10、电下, 当ig盯承受最大正向阳极电压，而控制极又获得触发脉冲时转入导通状态9。2.2检测控制电路检测控制电路如图3所示。检测三相逆变器交流逆变电压与电流,经3/2变换，交?直变换，转换 成相互独立的直流分量，与给定值比较，经pi调节，调节输岀再经过"2/3变 换成三相交流，控制pwm逆变器产生脉冲。2.3脉冲产生电路脉冲发生电路如图4所示。正弦调制波与三角载波相比较，将正弦半波电压分成n等份z每等份用等 面积的矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合。3仿真测试及分析3丄仿真电路搭建用matlab搭建的逆变器控制系统仿真图，见图5。仿真系统由设计的逆变主电路、检测控制电

11、路、脉冲产生电路等组成。3.2波形分析系统参数设置如表1所示。4结论本文采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计岀了矢量解耦的逆变器控制电路。其改善有源逆变器的动态响应及抗干扰能力，实现稳定可靠的控制。设计 电路经仿真测试，系统稳定性可靠、瞬态响应时间短、抗干扰能力强z电压、电 流波形完全满足并网要求。参考文献1郑建勇，刘孝辉 z源光伏并网逆变器无差拍解耦控制j.电网技术, 2012 , 36 ( 3 ) : 2527256.2 周雒维z罗全明基于dq变换三相三开关boost型开关整流器的dc 和ac分析j.中国电机工程学报，2002 , 22 ( 7 ) : 71775.3 陈潼，赵荣祥并网逆

12、变器间接电流解耦控制策略的研究j.电力电子技 术，2006,40 ( 3 ) : 8?10,4 song s h , kang s z hahm n k. implementation and control of grid connected ac?dc?ac power converter for variable speed windenergy conversion system c/ proceedings of 2003 18th annual ieee applied power electronics con fere nee and expositi on. miami beach : ieee , 2003 : 154715&5 许爱国谢少军.电容电流瞬时值反馈控制逆变器的数字控制技术硏究j 中国电机工程学报，2005 ,25 ( 1 ) : 49753.6 王新勇，许炜z汪显博，等光伏并网逆变器空间电压矢量双滞环电流控 制新策略几电力系统保护与控制，2011 z 39 ( 10 ) :