1引言
近些年，我國越來越重視對可再生能源的開發(fā)和利用，特別是對交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電技術的重視。而變流技術又是其中的關鍵技術。但是目前變流裝置大部分需要整流環(huán)節(jié)獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流電路或者晶閘管相控整流電路，容易產(chǎn)生大量諧波，可對電網(wǎng)造成非常嚴重的“污染”。所以，為了抑制“污染”，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和低諧波含量的pwm整流技術就越來越受到廣大的關注。
在交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，三相pwm整流是關鍵的技術，而網(wǎng)側(cè)整流器性能的好壞更是影響整個系統(tǒng)的好壞。本文將建立三相電壓源型pwm整流器的d-q數(shù)學模型，采用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略，并對整個系統(tǒng)進行深入的理論分析和實驗研究。
2 三相pwm整流器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理
三相電壓型pwm整流器（vsr）實際上是一個交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流裝置。為便于理解，結(jié)合下面圖1電壓型pwm整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，來闡述三相pwm整流器的基本工作原理。
圖1中l(wèi)為交流側(cè)濾波電感，電阻r為濾波電感l(wèi)的等效電阻和功率開關管損耗等效電阻的合并，sa、sb、sc均為功率開關管，c為直流側(cè)電容，rl為直流側(cè)負載。
圖1中上下兩個功率開關管的導通是交替的，即上橋臂開關管導通時，其相對應的下橋臂開關管是關斷的。pwm整流的基本工作原理就是把正弦信號波和三角波相進行比較，把比較的結(jié)果送到6個晶體管中進行pwm控制，這樣就可以在橋的交流輸入端ab產(chǎn)生一個正弦調(diào)制波uab，uab中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，而不含有低次諧波。由于電感的濾波作用，高次諧波電壓只會使交流電流產(chǎn)生很小的脈動，所以可以忽略。對相電壓按相量圖進行控制，就可以使相電流為正弦波且和電壓相位相同，從而達到功率因數(shù)近似為1。同理，可以控制uac，ubc從而使各相電壓和各相電流同相位。
3 網(wǎng)側(cè)變換器的d-q軸數(shù)學模型
網(wǎng)側(cè)三相電壓型pwm整流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2中ua、ub，uc分別為三相電網(wǎng)相電壓；ia、ib、ic分別為網(wǎng)側(cè)pwm整流器的三相輸入電流；vdc為直流母線電壓；iload為負載電流；l為每相進線電抗器等效電感；r為包括電抗器等效電阻在內(nèi)的每相線路的電阻；c為直流母線電容。
設三相電網(wǎng)電壓平衡，在三相靜止坐標系（a，b，c）中，網(wǎng)側(cè)pwm整流器開關函數(shù)模型為：
所以應用三相靜止坐標變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標的變換陣式（5），經(jīng)過運算后，可得：
此式即為兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學模型。
4 網(wǎng)側(cè)pwm整流器控制策略
首先網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標是：輸出直流電壓恒定且具有良好的動態(tài)響應能力；確保網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦，功率因數(shù)接近1。其中輸入電流的控制是整個系統(tǒng)控制的關鍵所在，因為采用pwm整流器的目的是為了使輸入電流波形正弦化;其次，對輸入電流的有效控制的實質(zhì)是對變換器能量流動的有效控制，也就控制了輸出電壓。
前面討論了三相vsrdq模型的建立，對于三相交流對稱系統(tǒng)，若只考慮交流基波分量，則穩(wěn)態(tài)時dq模型的d、q分量均為直流變量；另一方面，適當選取同步坐標系（d，q）的初始參考軸方向，如q軸與電網(wǎng)電動勢矢量edq重合，則q軸表示無功分量參考軸，而d軸表示有功分量參考軸，從而有利于三相vsr網(wǎng)側(cè)有功、無功分量的獨立控制。
直接電流控制是一種通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤給定電流信號的控制方法且具有非常優(yōu)良的動態(tài)性能。而其中的電壓電流雙閉環(huán)控制，目前應用最廣泛。特點是：輸入電流和輸出電壓分開控制。電壓外環(huán)的輸出作為電流指令信號，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流，而且也起到了改善控制對象的作用，由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要將電流指令限幅就自然達到過流保護的目的，這就是雙閉環(huán)控制的優(yōu)點。
根據(jù)pwm整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的數(shù)學模型，其輸入電流滿足下式：
此式表明，引入電流狀態(tài)反饋ωliq、-ωlid實現(xiàn)解耦，同時又引入電網(wǎng)擾動電壓ud、uq進行前饋補償，從而實現(xiàn)了d、q軸電流的獨立控制，系統(tǒng)的動態(tài)性能可獲得很大的提高。圖3為解耦的三相svpwm網(wǎng)側(cè)變換器電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。
5 仿真研究和結(jié)果
本文使用matlab7.2/simulink中的psb模塊，搭建仿真模型。其仿真參數(shù)如下：三相電壓源電壓為110v，50hz。交流側(cè)電感l(wèi)=0.028h，交流側(cè)電阻r=0.01ω，濾波電容c=0.001f，負載電阻rl=40ω，直流母線電壓udc=300v，pwm調(diào)制頻率為5khz。仿真時間為0.5s。
在直流側(cè)0.2s時突加負載，使得直流側(cè)負載為20ω，以此來模擬風速的變化。由圖6看出直流母線電壓產(chǎn)生瞬時的降落但又很快穩(wěn)定在300v。又由圖7看出，無功功率始終在0附近，即電壓，電流始終保持同相位。說明系統(tǒng)具有很好的抗擾性能。
?。?）網(wǎng)側(cè)變換器工作在逆變狀態(tài)
6 結(jié)束語
本文闡述了pwm整流器的工作原理，建立了其在d-q軸的數(shù)學模型，并分析了電壓電流雙閉環(huán)的控制策略。最后搭建了基于svpwm的控制模型。由仿真結(jié)果可以看出，該整流器能獲得單位功率因數(shù)的正弦輸入電流以及平穩(wěn)的直流母線電壓，實現(xiàn)了對網(wǎng)側(cè)變換器低諧波、高功率因數(shù)、以及能量雙向流動的要求。并且整個系統(tǒng)具有良好的動，靜態(tài)特性。
（轉(zhuǎn)載）
