《风力发电系统逆变器的仿真研究》9000字（论文）

中文摘要英文摘要，SVPWM）原理。第三章对本研究中所用到的变换以及控制策略进行解释分析。第四章搭建仿真模型，对SVPWM调制、控制器及其并网系统进行仿真分析。2风力发电并网逆变器的研究本章主要对风力发电系统中所用到的三相并网逆变器的定义、组成以及工作原理进行解释,还有对SVPWM技术的推导，奠定了理论基础。2.1逆变器的结构逆变器,顾名思义，是一种转换器。具体表现在直流电被转化，转换出来的交流通常情况下是220伏,50赫兹的正弦波，并且具有定频定压或调频调压的特点。简单点说,就是一种直流到交流电的装置。转换速度优越、能够节省启动时间、带负载适应性与稳定性强。本次风力发电系统研究中系统结构主要由用来整流的三相不控整流器、用来升压的Boost升压变换器、三相桥式全控逆变器、有滤波作用的LCL滤波器和电网组成。接下来将对三相并网逆变器作进一步分析。2.2三相并网逆变器2.2.1三相逆变器主电路三相并网逆变器主电路拓扑结构如图1所示。图1主电路拓扑结构图整流升压后的直流电压经此逆变、滤波最后并入电网。由图1可知,在逆变部分，采用三相桥式全控桥式逆变器，上下为一组，共有三组桥臂，有6个用来控制电路的IGBT功率器件,ua,ub,uc分别是它们的中点电压；在滤波部分，采用LCL滤波形式，左侧与逆变器相连，Lf是相关的电感，右侧与电网相连侧，Lt是相关的电感，中间部分包含了滤波电容Cf；在电网部分，三相电网电压记作uga,ugb,ug；此外，要设置一个电压参考点，用三相中性点O是一个不错的选择,被用来作为参考点,直流侧起滤波作用的是电容为C。风力发电发出来的是低压交流电,并网逆变器要求直流电压是稳定的760V,所以风力发电发出来后不管风力怎么变化,都要求把波动的交流电先整流成波动的直流电,再升压到稳定的760V/380V,因此，因为发电机产生的是交流电，而要达到将其校正为直流电的效果的话，第一步我们就需要用到整流器；然后通过升压增压电路将其提升到所需的直流高压，接着将整流升压后的稳定的直流母线电压通过三相逆变，使其变为交流电，然后再通过电感进行滤波，最后顺利进入三相交流电网。2.2.2输出滤波电路在常见的类型中，单L滤波器为一阶滤波器，它拥有比较简单的结构，且应用普遍。但在并网时会增大电感值，系统性能会受到一定的影响，从而增加预算。LC滤波器为二阶滤波器，与上述比较起来，得到的滤波结果更加优秀，多用于部分独立交流供电。在并网的情况下，需要多加考虑电容电流的补偿问题。LCL滤波器为三阶滤波器，它由三部分组成。在最左侧，有几个电感串接在一起，同样的构造用于最右侧，而在中间则不一样部分，电感变为了安规电容，串接也变成了并接。能达到的效果最使人满意，在抑制进网电流高次谐波和抑制冲击电流上也有比较显著的效果，通常用于中大功率并网逆变。综上所述：本文研究的逆变器在最后会送入电网，为了滤波效果更加理想，有效的抑制谐波，同时降低压降，此次输出滤波电路采用LCL滤波器。2.3SVPWM的调制原理SVPWM技术，有另一种叫法，即空间矢量脉宽调制技术。与SPWM不同的是，SVPWM增加了三次谐波，在电压利用率上也更胜一筹。除此之外，它还很多明显的优势，例如在应用逆变器时，难免会在电流输出时不纯粹，有些会含有谐波，便可以用此来进行减小，效果显著，在电机的次谐波损耗方面亦是如此。还有一个主要的优点在于它的控制较为简单，特别是在如今这个大数据化时代，实现更为便捷。三相全桥其实相当于升级版的三个半桥，一共有三个桥臂，每一个上两个IGBT，所以总共有6个开关器件。在同一个桥臂中，当上桥臂导通的时候，由于上下桥臂信号相反，此时下桥臂则处于关闭状态。因为总共有六个开关器件，所以根据排列组合，能得到8种状态。我们一般称开关状态在1的时候，上桥臂处于导通状态,为0的时候相反。000、111(即U0和U7)这两种开关状态是比较不一样的，因为000说明此时只有下桥臂是通的，它无法使电机在驱动时，还能够有有效的电流脉冲产生，所把这种情况下的称为零矢量，111时同理。除去这两种外，还剩下6种开关状态，它们中至少都会有两个桥臂是不同时关断的，能产生有效电流脉冲，均是有效的矢量。把电压空间看成一个空间平面，若均分，则在这六个量的作用下被分成6份，即6个扇区，每一个60度。不仅可以均分，这8个矢量还可以任意进行合成。在复平面上电压空间矢量关系如图2A所示。把复平面分成六个扇形区域，用三相交流电压来表达空间矢量U*。以U*落在第二扇区为例，第二扇区中相邻的两个空间电压矢量是U6与U4，所以合成关系如图2B所示。落在其他扇区的情况也可以由此类推。在电压源换流器的过程中，存在着不同的相位，任何相位的变化都会影响空间电压矢量的方向，U*表达式如式（1）所示：（1）图2电压空间矢量分布图因为电压矢量旋转合成后会有一个幅值，要想使计算方便，我们想要其与相电压的在同一个值下，即要使3/2Um=Um，就可以在坐标变化的时候做一些变动，可以考虑乘以2/3，如式（2）所示：（2）具体的控制算法接下来将分别阐述。2.3.1确定目标矢量扇区定义U*为目标矢量以及三个变量Ua、Ub、Uc,将A、B、C进行赋值，方法如下：若Ua=Uα>0，则A=1，否则A=0；若Ub=-Uα+√3Uβ>0，则B=1，否则B=0；若Uc=-Uα-√3Uβ>0，则C=1，否则C=0。赋值完成后，通过8421BCD码对应来定义N=A+2B+4CN，从上述赋值中可推出N可以为1、2、3、4、5、6，N值与扇区关系如表1所示。表1N值和扇区对应关系2.3.2确定矢量作用时间定义Tx、Ty为矢量作用时间，通过分析空间旋转矢量的工作区域，令X,Y,Z为：（3）分析在第I扇区的情况，根据平行四边形法则分析可知：（4）联立可得：除零矢量外，相邻的两个矢量中，前一矢量作用Tx与后一矢量作用Ty为：（5）在其它扇区也这样来考虑，最终可得到如表2所示的关系，表2Tx,Ty和X,Y,Z对应关系扇区123456T1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X2.3.3确定扇区矢量切换点上述分析之后，还需要考虑不同桥臂的工作时间。以五段式工作方式为例来加以探究。我们选择第一扇区来分析，从图3B的波形中看到，第一个波形发生了一次突变，说明其变换了一次开关状态，第二个桥臂也是这样，但是第三个桥臂波形没有发生任何变化，说明它一直保持着开或是关的状态，上述均是在一个周期内进行分析的。从而电压合成方式可以得出，如图3A所示。图3五段式空间矢量图考虑若为零矢量，则会有如式（6）所示的时间：（6）结合矢量合成图，记T1,T2,T3为电压空间矢量切换点，可推出在五段式工作方式下的表达式，如式（7）所示：（7）在其它不同的扇区内以此类推，得到相应关系如表3所示：表3T1,T2,T3与扇区关系扇区123456T1TaTbTcTcTbTaT2TbTaTaTbTcTcT3TcTcTbTaTaTb3控制策略3.1Park变换派克变换，又称Park变换，是现目前流行的一种变换形式，我们经常能在交流电机中见到它的身影。交流信号仍然是Clark变换之后的一种形式，为了将其变为直流信号，此变换便发挥了用处。通俗来说，我们如果想要改变在静止坐标系下的向量，就可以用此变换，确定好一定的角度，再适当的进行旋转变形，这样便能将其变进旋转坐标系去，也就达到了我们所想要实现的，如图4所示：图4Park变换示意图假设角速度为ω，由图4可以得到两变换坐标系下输出电压之间的关系，如式（8）所示(8)将上式变形，记逆变器的输出电压为Ud，Uq，所得结果如式（9）所示（9）由此可得，从静止到旋转的变换如式（10）所示（10）反变换矩阵如式（11）所示（11）由于进网电流之间关系如式（12）所示：（12）则可以推出并网逆变器在dq轴中状态方程如式（13）所示（13）总而言之，ia,ib,ic在α、β轴上会出现投影，我们需要将其等效到d,q轴上去。坐标轴和空间矢量一起旋转，角频率又相同，所以说它们两者是相对静止的，此时的交流变量都转变为了相对应的一个静止的直流变量，如此一来，旋转坐标系下的电流正好就是常数。3.2解耦控制在被控过程中，有些控制变量会存在耦合，我们希望在发生变化时其只对相关的被控参数产生影响，就可以通过解耦环节来实现，这就叫解耦控制。控制系统若为多变量，恰好可以用它来一分为二，甚至一分为多个，并且每一个单变量互不影响。在dq轴中，有功和无功功率分别为（14）假若电网电压不存在谐波，则可以得到：（15）由此可见：两个式子中只有dq轴电流是不同的，说明若想要改变进网的P和Q，只需要改变这一不同的成分即可，这样便于控制。接下来就需要通过解耦控制来解除dq轴的耦合。由式（13）可知，并网逆变器在dq下可以改写成：（16）接下来我们令：（17）将上式代入式（16）可化简得：（18）若Ud′和Uq′被看作等效，从式中可以看出，此时d轴电流只与Ud′有关，q轴电流只与Uq′有关，两者是互不影响的，所以引入电流环PI调节器，并且把其输出值记为∆ud，∆uq，便可以得到：（19）联立式（17）可得到变量控制方程为：（20）在上式中dq轴电流是互不影响的，很好的实现了解耦。同时式中还包含有可以较好地改善系统动态性能的量，也就是Ugd、Udq，可。总而言之，解耦实质上就是一个合理注入的过程。整个系统控制框图如图5所示。首先从电网侧Uga，Ugb，Ugc来看，操作得到相位、频率信号，同一时刻，采样三相进网电流，用刚刚所得的结果作为参考。因为此时的电流还不是dq轴上的，所以此时就用到Park变换来进行转化得到id，iq；因为此时两者是耦合的，所以需要对比实时调节的参考电流id*，iq*，经PI输出进行解耦；然后进行坐标转变与SVPWM运算，整个过程中有功无功互不影响，都是单独进行控制的，最后通过驱动信号来控制。图5三相并网逆变器系统控制框图3.3PQ控制PQ控制，是一种恒功率控制，可以达到使有功和无功功率的控制互相不受影响的效果，此处并网我们采用PQ控制。电源输出有功和无功，设定一个参考值，要使功率在这个参考值左右，采用PQ控制。先经由外环控制器，将电网电压和电网电流送入dq变换，使交流量转换成直流量，最后送到内环进行控制，这就是外环功率内环电流。内外环共同作用，环环合作，控制输出有功和无功。有功功率与电压相角差之间紧密联系，若逆变器输出角的频率想要得到改变，可以通过改变有功功率的方式；同理，无功功率与幅值有关，在 PQ控制无功后，可以调节控制电压幅值。3.4本章小结在此章节中，主要提到了在三相并网逆变器中所需用到的坐标变换以及控制策略。首先详细介绍了坐标变换中的Park变换。然后针对于系统控制参数和回路的设计问题引出了本系统的控制策略，主要运用到了解耦控制以及PQ控制。4仿真分析要对风力发电系统并网逆变器进行分析，则在Matlab/Simulink中根据上述理论基础搭建模型，分别对SVPWM调制，风力发电机不控整流器，Boost直直变换器，三相并网逆变器仿真分析，进行验证。4.1SVPWM的仿真模型4.1.1扇区号判断模块由第二章分析可知，要想分析扇区选择情况，可以搭建模型如图6所示来判断，利用的是Uα和Uβ决定扇区的原理，结果如图7所示。图6扇区选择模块仿真模型图7扇区号仿真波形由所得结果可知，第一扇区时N值为3，第二扇区时N值为1，第三扇区时N值5，第四、五、六扇区时N值分别4、6、2，验证成功。4.1.2作用时间模块由第二章分析可知，TX和TY取决于X、Y、Z，所以首先搭建X、Y、Z的仿真模型，然后由它们的结果来选取适当的值，最后再搭建产生Tx，Ty的模型，如图8所示：图8Tx、Ty仿真模块所得结果如图9所示：图9Tx、Ty的波形4.1.3T1、T2、T3生成模块分析第二章可得，三个上桥臂开通时间T1、T2、T3可在T1、T2和扇区所处位置的基础上得到，搭建仿真模型如图10所示：开通时间的波形图如图11所示：图11T1、T2、T3的波形4.1.4SVPWM控制波的生成环节将上述所得与作为采样周期的三角波调制信号进行比较，可以看到三个上桥臂的控制信号，从而调制出svpwm调制波，其中，下桥臂将其取反可以得出相应的控制信号。调制模块如图12所示，结果如图13所示：图12SVPWM调制波模块图13SVPWM的波形最后，6路SVPWM输出信号驱动IGBT，并在合理运用控制策略的条件下，实现所想控制。4.2风力发电系统逆变器的仿真模型本节在Simulink中搭建了逆变器的各部分电路模型，此逆变器适用于风力发电系统。4.2.1主电路模型风力发电系统并网逆变器的主电路模型如图14所示：图14风力发电系统逆变器主电路模型主电路模型由风力发电机，三相桥式不控整流器，Boost升压直流变换器，并网逆变器，LCL滤波器以及拟合电网电压的三相理想电压源组成。主电路参数如表4所示。表4仿真模型主电路参数参数数值电网相电压Ug220V/50Hz升压侧L10.5mH逆变侧Lf1.6mH网侧Lt1mH变换器电容C11mF滤波电容Cf20μF额定功率Sn50KVA阻尼Rd2Ω4.2.2控制策略的仿真模型此系统中，直流侧Boost变换器采用单电压环闭环控制，使不控整流输出的波动的直流电压变为稳定的并网逆变器直流电压，并且可使风力发电机在风速变化输出的幅值波动的电压稳定的升压。Boost变换器单电压环闭环控制模型如图15所示：图15Boost变换器控制模型为了得到boost开关控制信号，设定其输出电压760V，将其与实际输出电压Vo相减，此时会有一个误差值，最后与三角载波比较，从而控制输出电压稳定在760V。功率外环经过PI调节后作为内环的参考电流，并网逆变侧外环采用PQ独立控制，整体控制模型如图16所示：图16逆变侧控制模型经由Park变换将电网电压和电网电流由交流量变换为直流量，再通过电网的dq分量计算出有功无功功，搭建PQ模块如图17所示：图17PQ计算模型并网逆变器内部模型如图18所示：图18并网逆变器内部模型其中参考有功功率为50KW，参考无功功率为0Var。4.3风力发电系统逆变器的仿真结果分析风力电机电压如图19所示：图19风力发电机输出电压通过电压的变化来模拟风力变化的方式，具体表现为：将最初设定风力发电机输出电压幅值为311V，在0.6秒的时候降为220V，借用电压幅值的变化来模拟实际风机运行中风速的变换。不控整流侧直流电压Udc波形如图20所示：图20整流侧直流电压由波形图可以看出，在0.6秒直流电压平均值开始下降，由500V附近下降到了350V附近，但此时波动仍然较大，无法应用到并网逆变器中。Boost变换器输出电压Vo如图21所示：图21Boost变换器输出电波形由波形图可知，当风力发电机风力变化时，Boost变换器输出的电压可以稳定的保持在760V，满足并网逆变器对直流电压的需求，同时验证了Boost变换器控制策略的正确性。电网侧有功功率P，无功功率Q如图22所示：图22有功和无功功率波形从结果可看出，有功功率大致保持在50KW，无功功率几乎一直为0。即使风力发电机发出电压出现波动，两者的波动也不大，一直在给定值附近，稳定性较好。在电网侧，以A相结果为展示，如图23所示：图23电网侧A相电压电流波形电网电压电流保持同相，符合无功功率近似为0的工况，证实了理论分析。然后分别对电网电流在0.5s和1s时进行FFT分析，范围在五个周期，结果如图24所示：图24电网侧A相电流FFT分析结果由FFT分析结果可知：在低频区域出现谐波分量较为集中，主要由直流侧电压存在波动导致。总体上看总谐波含量较低，均低于3%，电流正弦性能比较好，几乎没有产生谐波畸变。由波形图可以看出系统达到了一开始设计的性能指标，验证风力发电系统逆变器的原理分析及其控制策略的准确性，实现了控制目的。4.4本章小结本章在第一章和第二章理论的指导下，对于风电系统并网逆变器，通过Matlab/Simulink平台搭建仿真模型，经由分析输出波形的，发现有功无功波动不大，并网逆变器较稳定的实现了控制，证明了控制策略以及SVPWM模型构建的正确性，达到了控制目的。参考文献[1]曹娜,朱春华,于群,董骊.风力发电中LCL型单相并网逆变器的稳定性分析[J].山东科技大学学报(自然科学版),2017,36(03):75-82+90.[2]马振宇.小型垂直轴风力发电并网逆变器的研究[D].华北理工大学,2018.[3]程志江,谢永流,李永东,张永,赖仕达,樊小朝.风力发电系统网侧逆变器双闭环控制策略研究[J].电测与仪表,2016,53(09):40-46.[4]田君龙,陈荣.直驱风力发电三相并网逆变电源研究[J].科学技术与工程,2013,13(02):315-318+365.[5]王晓刚.小型并网风力发电系统的建模与仿真研究[D].合肥工业大学,2009.[6]GuL,JinK.AThree-PhaseIsolatedBidirectionalAC/DCConverteranditsModifiedSVPWMAlgorithm[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,201,30(10):5458~5468[7]彭威亚.基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究[J].电子测试,2021(16):43-45.[8]张文芳,谢雪丹,郑锁珍.基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究[J].电子技术,2021,50(07):50-51.[9]XuWang,YanXing,DanYang.SimulationofThre