雙PWM全功率變流器機(jī)側(cè)控制策略研究

1、    雙pwm全功率變流器機(jī)側(cè)控制策略研究    王林+夏婷+趙青+王銀杰摘 要： 雙脈寬調(diào)制（pwm）全功率變流器機(jī)側(cè)的開關(guān)頻率低，其電流諧波含量高，且同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中產(chǎn)生了大量諧波.為了降低發(fā)電機(jī)的銅鐵損耗，降低系統(tǒng)成本，弱化網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)的難度，抑制機(jī)側(cè)諧波具有重要意義.傳統(tǒng)比例積分（pi）調(diào)節(jié)器難以抑制直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)諧波，針對(duì)這一現(xiàn)象，提出將pi與準(zhǔn)比例諧振（pr）調(diào)節(jié)器聯(lián)合，形成新型的調(diào)節(jié)器，并在轉(zhuǎn)子定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)定子電流特定次諧波進(jìn)行了抑制.運(yùn)用pscad/emtdc軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用經(jīng)典pi控制時(shí)，機(jī)側(cè)電

2、流諧波含量為17.28%；采用新型調(diào)節(jié)器時(shí)，機(jī)側(cè)電流諧波含量為5.86%.同時(shí)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該機(jī)側(cè)控制策略的可行性，可有效地抑制機(jī)側(cè)諧波.關(guān)鍵詞： pi調(diào)節(jié)器； 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)； 機(jī)側(cè)諧波； 準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器； pscad/emtdc軟件： tm 393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： astudy on the motorside control strategy ofdual pwm full power converterabstract： the switching frequency of dual pulse width modulation （pwm） converter with fu

3、ll power in motorside was low.its current harmonic content was high.furthermore， a large number of harmonics were generated in the back emf of synchronous motor.it was very important to restrain the harmonics of the motor side to reduce the copper loss， the iron loss， the system cost and the difficu

4、lty of the filter design of the network side.it was difficult for the traditional pi controller to restrain the harmonics of directdriven wind turbine with permanent magnet synchronous generator （dpmsg）.therefore， a new control strategy of the motorside converter was proposed based on the combinatio

5、n of proportional integral（pi） regulator and quasi proportional resonant（pr） regulator to suppress the specific harmonic of stator current in the rotor oriented rotating coordinate.the simulation was conducted with the software pscad/emtdc.the current harmonic content of the motorside was 17.28% wit

6、h traditional pi controller， while it was 5.86% with the proposed controller.the feasibility of the motorside control strategy was validated by the experimental results.keywords： pi controller； dpmsg； harmonic current of motorside； pr controller； the software pscad/emtdc在雙脈寬調(diào)制（pwm）全功率變流的直驅(qū)風(fēng)永磁發(fā)電系統(tǒng)中，機(jī)

7、側(cè)整流裝置是最大諧波的產(chǎn)生源，形成諧波污染.機(jī)側(cè)pwm變流器開關(guān)頻率低，其電流諧波含量高，且同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中產(chǎn)生了大量諧波.發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，將對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染.大量諧波也會(huì)增加發(fā)電機(jī)組銅耗和鐵耗，造成發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效率降低，對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重的后果.因此，需要對(duì)雙pwm全功率變流器的機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行諧波抑制，以提高直驅(qū)風(fēng)永磁發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量1-3.永磁同步發(fā)電機(jī)（pmsg）的輸出諧波與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，空載時(shí)電壓諧波含量較高，額定負(fù)載諧波含量較低，與電機(jī)本體設(shè)計(jì)的每極每相槽數(shù)也密切相關(guān)1，同時(shí)機(jī)側(cè)變流開關(guān)頻率也是導(dǎo)致機(jī)側(cè)諧波產(chǎn)生的原因.大量機(jī)側(cè)諧波會(huì)增加電機(jī)的銅耗和鐵耗，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

8、較大，降低機(jī)組轉(zhuǎn)換效率.通過優(yōu)化每極每相槽數(shù)減少機(jī)側(cè)諧波產(chǎn)生，可取得一定效果，但不具有諧波抑制功能1，4-5.通過添加機(jī)側(cè)并聯(lián)電力濾波器消除機(jī)側(cè)諧波的效果明顯，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本6-7；消除特定次諧波效果較佳，但消除諧波單一，頻率自適應(yīng)性差7.本文中直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用背靠背型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，采用準(zhǔn)比例諧振（pr）調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)比例積分（pi）控制相結(jié)合形成具有定子電流諧波抑制作用的新型控制結(jié)構(gòu)，從而有效消除機(jī)側(cè)諧波，降低發(fā)電機(jī)的銅耗和鐵耗，降低系統(tǒng)成本，弱化網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)的難度.1 雙pwm型風(fēng)電系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)與機(jī)側(cè)變流器控制原理雙pwm型風(fēng)電系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示，pmsg輸出功率經(jīng)機(jī)側(cè)變流

9、器整流濾波和穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，通過網(wǎng)側(cè)逆變器和隔離變壓器并入電網(wǎng).機(jī)側(cè)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和無功控制；網(wǎng)側(cè)采用voc（電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略），實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)控制.endprint以機(jī)側(cè)諧波抑制為主要研究對(duì)象，研究機(jī)側(cè)的控制結(jié)構(gòu)對(duì)諧波的抑制.機(jī)側(cè)變流器傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：ia、ib、ic分別為機(jī)側(cè)三相電流；id、iq分別為定子電流d、q軸分量，iq、id均為無功電流的設(shè)定值；vd、vq分別為定子電壓d、q軸分量；為永磁體磁鏈；為角速度；l為電感.2 機(jī)側(cè)諧波分析實(shí)驗(yàn)采用2.2 kw永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定電壓為110 v，額定電流為18.5 a，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 200 r·m

10、in-1，機(jī)側(cè)電流波形及諧波分布如圖3所示.諧波主要成分為3、5、7次諧波.大量的諧波使發(fā)電機(jī)的銅耗和鐵耗增加，縮短了發(fā)電機(jī)的使用壽命，同時(shí)也增加了網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)難度.在經(jīng)典的雙閉環(huán)pi調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于pi調(diào)節(jié)器僅對(duì)直流信號(hào)實(shí)現(xiàn)無靜差控制，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的穩(wěn)態(tài)無靜差控制.在進(jìn)行永磁發(fā)電機(jī)側(cè)諧波抑制時(shí)，若采用經(jīng)典的pi調(diào)節(jié)，必須首先獲得諧波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換至角速度為n0（0為帶寬調(diào)節(jié)系數(shù)）的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分別對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行多次派克變換、pi調(diào)節(jié)以及反派克變換，這增加了機(jī)側(cè)濾波的復(fù)雜性.當(dāng)機(jī)側(cè)電流中含有的k次諧波，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下是分別以k-1次正序諧波和k+1次負(fù)序諧波形式存在，因此

11、，針對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)諧波問題，提出了將傳統(tǒng)pi控制與有源濾波器中準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器相結(jié)合的抑制方案.3 機(jī)側(cè)諧波電流控制策略pi調(diào)節(jié)器在控制直流量時(shí)，直流頻率為0，pi調(diào)節(jié)器在頻率為0處獲得的增益為無窮大，但對(duì)于交流信號(hào)，其頻率不為0，pi控制無法獲得無窮增益，因而無法實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的無靜差控制.采用準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)相結(jié)合可形成新的調(diào)節(jié)器，有式中：k為諧波增益；為基波角頻；根據(jù)系統(tǒng)濾波要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；ki為比例系數(shù)；kp為積分系數(shù).由圖3可知，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流輸出中奇次諧波含量較高.如果發(fā)電機(jī)定子電流反饋控制信號(hào)中含有諧波，將會(huì)使永磁發(fā)電的銅耗和鐵耗增加，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，進(jìn)而

12、系統(tǒng)諧波含量更高.因此，本文在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下引入式（2），將其與傳統(tǒng)pi控制相結(jié)合，形成具有諧波抑制作用的機(jī)側(cè)控制策略.調(diào)節(jié)器控制圖如圖4所示，調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如式（3）所示.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基頻隨風(fēng)速變化而變化，新的機(jī)側(cè)控制策略對(duì)交流信號(hào)的無靜差控制取決于基波角頻率的獲取.準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器的伯德圖如圖5所示，其參數(shù)為0 =10，k分別取10 000、15 000、20 000.設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)，應(yīng)先設(shè)計(jì)pi參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，根據(jù)實(shí)際諧波分析和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)選取k和0.4 機(jī)側(cè)諧波電流控制策略運(yùn)用pscad/emtdc電力系統(tǒng)及其控制仿真軟件，驗(yàn)證本文所提出的控制方法的有效性.具體仿真參數(shù)為：發(fā)電

13、機(jī)額定功率為0.01 mw，額定電壓為1 000 v；實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為11 m·s-1；噪聲風(fēng)速5 m·s-1；斜坡風(fēng)速2 m·s-1.由于系統(tǒng)中永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為理想條件下的數(shù)學(xué)模型，在仿真時(shí)需自行添加諧波電流，pscad/emtdc軟件的元件庫中包含諧波模塊，但是其頻率呈階梯變化，且添加的為特定次諧波，因此需自行建立模型.仿真時(shí)主要添加了2、3、5、11、13次諧波.傳統(tǒng)pi控制及新的控制策略下的仿真結(jié)果分別如圖6、7所示.從仿真結(jié)果可以看出：傳統(tǒng)pi控制下電流諧波含量較高，為17.28%；采用pi和準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，較好地抑制了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)

14、電機(jī)定子諧波電流，諧波含量為5.86%.5 實(shí)驗(yàn)分析為了驗(yàn)證控制效果，采用額定功率為2.2 kw，額定電壓為110 v的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，示波器型號(hào)為tek1012b，高壓差分探頭為tek公司的p5200，電流鉗為tek公司的a622.對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)pi控制及pi和準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制方式進(jìn)行對(duì)比分析.圖8（a）為傳統(tǒng)pi控制下機(jī)側(cè)電流波形及相應(yīng)頻率分析波形.由實(shí)驗(yàn)波形可知，機(jī)側(cè)電流波形中3、5、11、13次諧波含量較高.傳統(tǒng)pi控制無法消除上述奇次諧波，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無靜差控制.圖8（b）為pi與

15、準(zhǔn)pr調(diào)節(jié)器結(jié)合形成的新的控制策略下的實(shí)驗(yàn)波形.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子輸出電流波形中諧波含量與圖8（a）相比明顯得到抑制.通過以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，說明pi與帶通濾波函數(shù)結(jié)合形成的新的控制策略能夠較好地抑制直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流諧波.6 結(jié) 論本文以2 kw永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究載體，通過對(duì)機(jī)側(cè)輸出諧波進(jìn)行分析，提出了在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流諧波抑制控制策略，分析了濾波原理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)pi控制時(shí)，機(jī)側(cè)電流諧波含量為17.28%；采用新型調(diào)節(jié)器時(shí)，機(jī)側(cè)電流諧波含量為5.86%，驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性.參考文獻(xiàn)：1 張?jiān)溃貘P翔.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能研究j

16、.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（1）：78-82.2 王銀杰，胡國文，王林.風(fēng)光互補(bǔ)智能充電控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)j.能源研究與信息，2012，28（4）：196-201.3 王銀杰，胡國文，王林.風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)多階段充電控制策略研究j.能源研究與信息，2014，30（3）：178-181.4 謝若初.直接驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究d.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.5 王承煦，張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電m.北京：中國電力出版社，2003.6 粟梅，孫堯，覃恒思，等.矩陣變換器輸入濾波器的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)j.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（1）：70-75.7 zmood d n，holmes d g，bode g.frequency domain analysis of three phase lin