三電平中點鉗位式變流器的矢量控制

三電平中點鉗位式變流器的矢量控制

0多電平變流器拓撲能源問題是人類社會面臨的重要問題之一。它對可支配能源的開發(fā)利用，尤其是對風能的開發(fā)利用，受到了世界各國的高度重視。從今后的發(fā)展趨勢來看,風電場建設重點將從內(nèi)陸移向海上,以求得更廣闊的發(fā)展空間。海上機組的容量比陸地機組更大,可達3MW以上。在這樣的功率等級下,若采用傳統(tǒng)低壓電機加低壓變流器方案,則電流過大引起的損耗將會成為限制風機容量增加的瓶頸。若要減小損耗,就必須加粗銅線,而這又會大大增加系統(tǒng)成本和施工難度,可見傳統(tǒng)方案陷入了兩難境地。為突破這一瓶頸,唯一的出路就是提高系統(tǒng)的電壓等級。因此,將中高壓變頻技術應用到風電變流器中,在理論與實踐上都非常有意義,開發(fā)具有中壓變頻器拓撲的多電平風電變流器是提高系統(tǒng)效率的有效途徑。常見的多電平變流器拓撲大致可分為:二極管鉗位型(NPC)、H橋級聯(lián)型、飛跨電容型、混合鉗位型等。其中二極管中點鉗位型多電平變流器近年來在高壓電機驅(qū)動、無功功率補償?shù)阮I域得到了廣泛應用。因此,本文針對該拓撲進行了研究,全功率風電變流器的主要結構如圖1所示。1風勢裝置的控制策略1.1旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq解耦控制若將網(wǎng)側變換器的后側電路等效為一個負載電阻RL,則網(wǎng)側變換器可表示為圖2。取圖中的O點即電容中性點為參考點,記變換器的輸出電壓為Ua,Ub,Uc,電網(wǎng)頻率為ω,忽略器件導通電阻,可以得到網(wǎng)側變換器的數(shù)學模型如下:將式(1)變換到dqo旋轉(zhuǎn)坐標系下,可化為根據(jù)式(2),通過對Ud、Uq的控制可以分別控制變換器的igd和igq,而零軸電流則可略去。為使電流快速跟蹤給定電流,電流內(nèi)環(huán)采用PI控制,可令:輸出至調(diào)制部分的電壓給定為即可通過電壓電流反饋解耦實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的igd,igq的解耦控制。若將dq旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸定位于兩相靜止坐標系中電網(wǎng)電壓矢量方向,則可得eq=0。為使d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向,在實際控制中通常采用鎖相環(huán)技術(PLL)得到對應的變換角θ。網(wǎng)側變流器的最終控制目的是使直流母線電壓穩(wěn)定以實現(xiàn)功率的動態(tài)平衡。為達到這一目的,可采用電壓外環(huán)PI控制。將兩個電容電壓作為一個整體進行控制,給定電壓Udcref與實際電壓Udc相減,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到d軸電流的給定值idref。綜上可得網(wǎng)側變換器的整體控制框圖如圖3所示。1.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計在理想條件下,基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)mt坐標系中的異步電機模型可表達如下:式中:np———電機極對數(shù);Lm———定轉(zhuǎn)子互感;ω1,ω———同步速及電機轉(zhuǎn)速;ψr,Lr———轉(zhuǎn)子磁鏈及電感;Tr———轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù);ism,ist———m軸和t軸電流。根據(jù)上述數(shù)學模型,可以認為轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量ism產(chǎn)生,由式(6),ψr與ism之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié),其時間常數(shù)即為Tr。因此,定子電流勵磁分量的突變并不會引起轉(zhuǎn)子磁鏈的突變,轉(zhuǎn)子磁鏈ψr易于控制。根據(jù)式(6),在穩(wěn)態(tài)下dψr/dt=0,可得ψr=Lmism,即在控制系統(tǒng)中可令ismref=ψr/Lm,以實現(xiàn)磁鏈的開環(huán)控制。由于磁鏈是難以精確觀測的,因此采用磁鏈開環(huán)控制簡化系統(tǒng),在精度上不會太差。盡管數(shù)學模型已被大大簡化,但轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩個子系統(tǒng)還是耦合在一起的,比較簡單的解耦方法是將轉(zhuǎn)矩給定除以磁鏈,即令istref=TerefLr/(npLmψr),以實現(xiàn)兩個子系統(tǒng)的解耦。另外,根據(jù)機械運動方程,當電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時,電機轉(zhuǎn)速上升,反之則下降。因此,可以將轉(zhuǎn)速給定減去當前轉(zhuǎn)速,通過一個PI調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定(稱為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)。由于一般情況下電機均工作在發(fā)電狀態(tài),因此轉(zhuǎn)矩給定恒為負值,阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。為防止電機工作在電動狀態(tài),可對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出上限進行設置。綜上可得異步電機磁鏈開環(huán)的矢量控制框圖如圖4所示。23平均機算的空間向量調(diào)理2.1合成矢量的獲取關于兩電平變換器空間矢量調(diào)制的研究已經(jīng)很成熟,在其基礎上進行推廣即可得到三電平NPC的空間矢量調(diào)制算法。三電平NPC共有27個矢量,在αβ平面上的分布如圖5所示。為簡化計算,可在αβ平面中引入長度的概念。以PNN矢量為例:取電容中性點為參考點,假設上、下電容的電壓均為Udc。當NPC輸出矢量PNN時,三相輸出分別為+Udc,-Udc,-Udc。則此時輸出電壓矢量為[+Udc,-Udc,-Udc],取變換矩陣為得到PNN矢量在αβ坐標系上的坐標為(2Udc,0),可取Udc為單位長度,將三相電壓參考信號除以Udc進行歸一化以簡化計算。進行上述處理后的PNN矢量坐標可簡記為(2,0)。αβ平面上的任意一點均可用坐標表示,記為(Uα,Uβ),定義矢量長度在穩(wěn)態(tài)情況下,三相電壓參考信號的合成矢量在αβ平面上是一個圓,在不產(chǎn)生過調(diào)制的情況下其最大半徑為由式(10)可得,只有當三相參考電壓信號小于時才能被正確調(diào)制,即其直流電壓利用率槡3為1.15。在有了長度的概念之后,可以對矢量進行歸類,如表1所示。根據(jù)圖5,整個αβ平面可以被分為六個大扇區(qū),為方便敘述,從α軸開始,按逆時針順序?qū)⑵浞謩e命名為扇區(qū)Ⅰ～Ⅵ。每個大扇區(qū)中的空間結構具有高度的相似性,因此為簡化計算,可以通過線性變換將所有扇區(qū)映射至第一扇區(qū)進行求解。即可以只考慮第一扇區(qū)中矢量分配時間的計算,而別的五個扇區(qū)只需在矢量發(fā)送順序上作相應調(diào)整,下面敘述第一扇區(qū)中矢量分配時間的計算。如圖6所示,第一扇區(qū)可以被分為4個區(qū)域,其中的A區(qū)、B區(qū)又被PON矢量分割為兩個小區(qū)域,矢量所在區(qū)域可根據(jù)表2判定。判定了矢量所處區(qū)域之后,即可計算矢量的分配時間,以區(qū)域D為例,根據(jù)伏秒平衡原理,設開關周期為Ts,可得:解得:同理可得第一扇區(qū)中各小區(qū)域中矢量的時間分配(見表3)。在得到了ta,tb,tc之后,還需要確定矢量的發(fā)送順序。本文采用的是首發(fā)小矢量全部為正小矢量,與之等效的負小矢量居中的發(fā)送順序。2.2u3000中點電位模糊控制由于三電平NPC拓撲的特殊性,中線上會有電流流過,其上下電容會產(chǎn)生分壓不均的情況,造成中性點電壓的偏移,需要盡量避免。從空間矢量的角度看,上下電容電壓波動的原因如下:當變換器輸出諸如PNN這類長矢量時,上下電容通過各自正負端與電網(wǎng)側構成回路,不存在問題。當變換器輸出中矢量時,如圖7(a)所示,此時中線電流io=ib,若ib大于零,則Udc1下降,Udc2上升。由于中矢量的非冗余特性,因此由中矢量引起的電容電壓波動是無法避免的,但可以通過對正負小矢量時間分配的調(diào)整盡量抑制中點電位的波動。與中矢量的分析方法類似,在變換器輸出小矢量時,以POO、ONN為例,如圖7(b)、(c)所示。當變換器輸出正小矢量時,上電容的充放電電流為ia;當變換器輸出負小矢量時,下電容的充放電電流為-ia。當ia為正且Udc1>Udc2時,適當延長正小矢量的作用時間便可使Udc1和Udc2趨于平衡,反之亦然。據(jù)此,可以得到一種基于小矢量作用時間重配置的中點電位模糊控制方式,具體方法如下。根據(jù)前文所述得到矢量分配時間ta,tb,tc之后,將正小矢量的作用時間調(diào)整為ta/2+KΔt,負小矢量的作用時間調(diào)整為ta/2-KΔt(K為調(diào)整因子)。其中Δt的取值如表4所示,即可對中點電位進行控制。表中:ΔUdc=Udc1-Udc2;θ為合成矢量與α軸的夾角;sgn代表取符號函數(shù)。3不同轉(zhuǎn)速下的仿真根據(jù)前文的理論分析,在MATLAB/Simulink中建立了完整的基于三電平NPC的風電變流器模型。具體仿真參數(shù)如表5所示。風機模型使用MATLAB/Simulink中的已有模塊,設定風機機械功率基值為400kW,為發(fā)電機功率的80%,風速達到13m/s時,風機機械功率達到滿功率值,風速約為14m/s時,發(fā)電機達到額定功率值。風機的機械特性如圖8所示,額定風速為10m/s,額定轉(zhuǎn)速157rad/s(1500r/min)。仿真波形羅列于圖9中。風速為10m/s時的仿真波形見圖9(a)～(j),從圖9(a)、(b)可以看出,發(fā)電機的控制良好,成功實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,使發(fā)電機工作在給定轉(zhuǎn)速157rad/s(1500r/min)附近。圖9(c)、(d)給出了網(wǎng)側變流器獨立控制中點電位時的直流側電壓波形,從中可以看出上下電容電壓基本相等,基于小矢量作用時間重配置的中點電位模糊控制方式簡單有效,三電平NPC的中點電位得到了很好的控制。圖9(g)～(j)表示網(wǎng)側變換器向電網(wǎng)輸出功率穩(wěn)定,dq軸電流能夠精確跟蹤給定,電流波形接近于正弦,諧波含量小(THD=1.99%),相電流與相電壓反相,功率因數(shù)接近于-1。由圖8可見,風機在每個風速下都有其功率最大點,機側變換器的控制目標就是要將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制在功率最大點對應的轉(zhuǎn)速下以達到最大風能捕獲的目的。圖9(j)為在不同風速下系統(tǒng)輸出功率的仿真結果,基本與圖8一致,證明了穩(wěn)態(tài)情況下下機側變換器可以完成不同風速下的最大功率跟蹤。由于風能是一種不穩(wěn)定的能源,風速隨時間有較大波動,為簡化分析,假設風速近似按式(13)波動,以驗證在風速動態(tài)變化時能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能跟蹤。仿真結果見圖9(k),從中可看出風速在一定范圍內(nèi)波動時,電機轉(zhuǎn)速也能很好地跟隨其變化以實現(xiàn)最大風能跟蹤。與穩(wěn)定風速下的情況相比較,直流側電壓(圖9(l))的波動變得更大,但尚在可以接受的范圍內(nèi)。4控制算法仿真本文對中高壓變頻技術在風電變流器