基于虚拟磁链的风力发电并网变流器直接功率控制研究

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｉｒｅｃｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｆｌｕｘ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ——ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ａｎｄ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｆｌｕｘ，ＡＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｔ ｎｅｔｓｉｄｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｍｉｔｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｌｏｓｅｄ－－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｉｎｔｅｍａｌ ｃｌｏｓｅｄ－－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｏｗｅｒ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ＤＣ ｄｒｉｆｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｖｉｒｔｕａｌ ｆｌｕｘ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｆｌｕｘ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｗｏ ｓｅｒｉａｌ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ
无功功率Ｑ，扇形划分由巾ｄ，Ｉｌ，Ｂ确定ｔｌ，的角
度，ｕ‘Ｐ ２ ａｒｃｔａｎ＃由于电网电压空间矢量Ｕ超 ＶＢ
前于虚拟电网磁链矢量咖电角度竹／２，所以
由０。＝０中－Ｉ－寻得到电压Ｕ的扇区信号０ｎ，这样
就实现了省去电网电压传感器的目的。
１．３基于虚拟磁链的瞬时功率估算 在传统有电压传感器的直接功率控制中，通过
（９）
式中：Ｇｃ为对增益进行的补偿。
Ｔ＝掣，＆＝等…， 由以上两式可得级联型惯性环节的关键参数：
∞
Ｉ觚ｒ
可见下，Ｇｃ与角频率密切相关，但因电网的
角频率基本不变，故采用这种级联型陨性环节实现 虚拟磁链观测，无需实时计算Ｔ和Ｇｃ，减少了计 算量。
３仿真结果
咖 ＼
珊
（ｂ）瞬时有功和无功功率
瑚
。
０ ０５
０１
【４】 田春雷．基于ＦＰＧＡ的机房环境参量采集系统设计 ［Ｄ】．呼和浩特：内蒙古工业大学，２００７．
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将式（２）的方程两边同时积分可得
Ｊ舻此ｄｆ＋￡ｆ０Ｌ
．
、‘ｐｐ＝如叭钸
（３）
Ｃ 图１交流电机定转子ＡＢＣ坐标系统
式中：’ｌｒ仅，’Ｉ，１３分别为虚拟电网磁链的ｄ，Ｂ 分量。令Ｕ＝ｕ Ｏｔ＋ｊｕ １３，１ｌｒ＝审０【＋ｊ中１３则电网电压空
巴
万方数据
间矢量Ｕ超前于虚拟电网磁链矢量咿电角度订／２。
如图３所示，虚拟电网磁链定向的目的。实际上就
【５】季建强．电压型ＰＷＭ整流器ＶＳＲ不平衡控制策略
研究【Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２００４． 【６１ Ｍａｌｉｎｏｗｉｓｋｉ Ｍ，Ｍａｒｉｕｓｚ ＳＣ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ
ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ＰＷＭ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ［Ｍ］．Ｗａｒｓａｗ：Ｗａｒｓａｗ
０．１５
Ｏ２
０．２５
（ｃ）直流电压 图５虚拟磁链系统仿真波形
根据以上的分析，按着图４利用ＭＡＴＬＡＢ７ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ－Ｅ具箱嘲，建立仿真模型。为了体现系统 的控制特点，对其进行了动态仿真，在ｏ．１５ｓ的时 候突增负载。仿真结果如图５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示。 由图５可知，（ａ）（ｂ）中相电压与相电流相位差很小， 基本同相位，且具有较快的的动态响应，有功和无 功功率脉动较小；在负载突增工况下，电流波形具
４结论
仿真结果表明：基于虚拟磁链的三相ＰＷＭ整 流器ＤＰＣ系统能与传统的ＤＰＣ方法得到相同的效 果，且抗干扰能力强，电网输入电流的崎变较小， 具有较好的瞬时功率动、静态控制特性。并且结构 简单，能有效减少传感器的数量。
『８８
■●一
万方数据
参考文献
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扣删硎缸）’犯万爵（７）
若采用两个陨性环节级联，且其时间常数相同，
则级联后相位滞后（ｂｎ＝２和幅值增益Ｇｎ＝２可表示
为： ，
Ｉ巾脚＝２ｄｐ＝２ａｒｃｔａｎ缸）
卜彰＝斋
∞）
有较快的动态响应。图（ｃ）母线电压稳定在给定值， 具有较强的抗负载扰动能力。
（ａ）交流侧电压电流
为了得到积分效果，需要满足：
巾脚＝９０，Ｅ：２ｑ＝二
２０１１年２丹 第２期
电子灞试
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥｓＴ
Ｆｅｂ。２０１１ Ｎｏ．２
基于虚拟磁链的风力发电并网变流器
直接功率控制研究
马晓娜。任一峰 （中北大学信息与通信工程学院，太原０３００５１）
摘要：本文提出一种基于虚拟电网磁链的三相电压型ＰＷＭ整流器直接功率控制策略，分析了其工作原理。
由于通过估计虚拟磁链来计算无功与有功功率，因此可省略三相ＰＷＭ整流器的电网侧电压传感器，该控制系 统的结构为直流输出电压外环，功率控制内环。并针对传统虚拟磁链观测方法存在初始值选取以及气流偏移
分别为Ｒ和Ｌ的同步电机。
设三相电网电压平衡，忽略进线电抗器和线路
的电阻Ｒ，则ＰＷＭ整流器在ａ—Ｂ坐标系下的电压
方程为㈣：
卜￡糕％［＆一扣＆）］
ｈ＝三争Ｇ３ ｖ…（ｓ训
（２）
１．１交流电机中磁链的概念
交流电机是一个非线性，多变量，强耦合的系 统Ｈ１。取三相定转子轴线如图１所示，并假设电压、 电流、磁链的正方向符合右手螺旋法则，可以取到 绕组磁链的表达式为：缈＝ＬＸＩ（１）
为电气传动自动化。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｅｔｉｎｇｆｅｎｙｉｎ８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
（上接８４页）
参考文献
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１基于虚拟磁链直接功率控制系统
理论分析
电三相交流电机定子电路有着很大的相似性。
， ／
ｔ 、
图２ ＰＷＭ整流器主电路
ＰＷＭ整流器中的电网电压相当于交流电机的
气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势，电抗器的
电感和电阻分别相当于电机定子绕组的漏感和电阻嘲。
因此，可以将ＰＷＭ整流器看成一台无限大由变频
器供电、以同步转速恒速运行的、定子电阻和漏感
由于正弦信号经过纯积分之后相位滞后９０。，幅 值变为原来的ｌ／∞，因此只有当两个级联惯性环节 的作用效果与之相同时，才能用来取代纯积分。设 惯性环节的传递函数为：
型
万方数据
葡ｙＧ２）一ｘｓＴ＋ｌ
式中：ｘ（ｓ）为输入信号；Ｙ（ｓ）为输出信号；下为
惯性环节的时间常数。
该惯性环节的相位滞后①和幅值增益Ｇ为：
㈦№’
２虚拟磁链直接功率控制系统的设
计和实现
２．１结构图 基于虚拟磁链的无电压传感器直接功率控制系
图４基于虚拟磁链的无电压传感器矢量控制框图
２．２积分初值问题的分析和解决 虚拟电网磁链的初始值难以用式（３）直接作积
分来估算其值，否则会在估算出的虚拟电网磁链中 引入与积分初值有关的直流偏置，导致坐标系中的 磁链轨迹将会是一个以相应的直流偏置为圆心的圆， 为了避免纯积分带来的问题，文献ｍ采用惯性环节 取代纯积分，观测所得磁链虽然在一定程度上解决 了上述问题，但观测结果只是近似值，存在幅值和 相位误差。为此，采用两个级联的惯性环节代替纯 积分环节。
等问题，提出基于级联型惯性环节的改进型虚拟磁链观测器。仿真结果表明三相电压型ＰＷＭ整流器虚拟电网
磁链控制运行具有良好的动、静态特性。
关键词：虚拟电网磁链；ＰＷＭ整流器；直接功率控制
中图分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｒｉｄ＿＿＿。ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ
电网电压和电流的计算获得系统瞬时功率。将虚拟
磁链的概念引入到直接功率控制后，瞬时功率估算
将由电流和虚拟磁链计算得出，因此可以省去交流
电压传感器。
有功功率Ｐ和无功功率ｑ的表达式为：
＝
《吨 ｜ｌ
一．ｂ一．珞
（５）
根据式（２），（３），（５）可得电网瞬时供给有
功和无功功率分别为：
譬蹬嚣； １ ｑ＝（０６。屯＋（ｐ而）
ｖｉｒｔｕａｌ ｌｉｎｅ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ ｌｉｎｅ—‘ｆｌｕｘ—’ｌｉｎｋａｇｅ；ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｄｉｒｅｃｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｏｌ
Hale Waihona Puke 型万方数据０引言