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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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
(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
是虚拟电网磁链矢量的空间位置角0的观测。
J sinO=叩p/√(P:却;
I cosO=qoa/√‘P:+(p;
(4)
于是0角的观测可以转化为虚拟磁链的仅,B
~ 刁 分量的观测问题。 ’、q 加一!
虬
帆
图3三相电压型PWM整流器主电路
统结构如图4所示。用三相桥臂的开关函数Sa,Sb。
Sc及直流侧电压Vdc,再估算出瞬时有功功率P和
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
【71张明.基于PIC单片机和DSl8820的温度测量系统 设计【J】,电子测试,2010(4).
【8】8 孙波.基于MSP430的串口扩展设计【J】.电子测 试,2010(4).
作者简介: 王涛,兰州交通大学电子与信息工程学院 在读硕士研究生,主要研究方向为电子 设计自动化o E-mail:wangtaoxs@1 63.
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。
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)
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
【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
【2】刘其辉,贺益康.变速恒频风力发电机空载并网控制 [JJ.中国电机工程学报,2004,24(3):6-11.
【3】3张崇巍,张兴.PWlVl整流器及其控制(M】.北京:机械 工业出版社,2003.
[4】HADIAN A S R,徐殿国,郎永强.一种PWM整 流器直接功率控制方法【J】.中国电机工程学报, 2007,27(25):78-84.
式中:Sa,Sb,Sc是三相桥臂开关函:Sk=O表示 相应桥臂下管导通,上管关断,Sk=l为相应桥臂上
管导通,下管关断;(k=a,b,c);“q,甜p,t,嵋分别为
三相电网电压和电流的仅,B分量。 用式(2)直接进行电网电压估计可得到无电压
传感器控制方法,但由于用到了电流的微分量,在 实际控制中易放大噪声引入干扰,难以实现。
为电气传动自动化。 E-mail:qietingfenyin8@sina.com
(上接84页)
参考文献
【l】董亚超.基于ZigBee技术的无线环境监测网络的开 发[D】.大连:大连理工大学,2008.
【2】文壁,张洁,徐谦.基于无线射频与FPGA技术的数 据采集系统【J】.中国测试,2009.
【3】王彦.基于FPGA的工程设计与应用【M】.西安:西 安电子科技大学出版社,2007.
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
【l】黄科元,贺益康.矩阵式变换器交流励磁的变速恒频 风力发电系统研究[J】.中国电机工程学报,2002, 22(1 1):100-105.
system converters
一
tor
■
●
wlnd—Power
●
generation
●
●
based
on virtual flux
Ma Xiaona, Ren Yifeng (School ofInformation&Communication Engineering,North University ofChina,Taiyuan 030051)
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:
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
virtual line flux linkage vector
Keywords:Virtual line—‘flux—’linkage;PWM rectifier;direct power contol
型
万方数据
0引言
1.2虚拟电网磁链估算
图2是PWM整流器的主电路,它与变频器供
在可再生能源开发利用的风力发电技术中,一 种交流励磁变速恒频双馈发电系统正在得到广泛 应用11-2]其发电机的励磁变频器应具有良好的输 入、输出特性,同时还必须有功率双向流动的能力, 因而常采用PWM整流。经过多年发展,三相电压 型PWM整流器的控制方法已经从最初的直接电流 控制发展到基于旋转坐标变换理论的定向控制方法, 近些年又研究出了基于虚拟磁链的控制方法131。引 入的虚拟磁链无需检测电网电压,省去了交流电压 传感器,同时提高了可靠性。本文对基于虚拟电网 磁链直接功率控制系统进行了理论分析,并建设基 于MATLAT,simulink环境下的仿真模型,对系统 进行仿真。
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:
Βιβλιοθήκη Baidu
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)
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
【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.
【5】王志华.基于FPGA的四路同步数据采集和处理系 统的设计【D】.南京:南京理工大学,2007.
f6】李文仲.ZIGBEE无线网络技术入门与实战【M】。北京: 北京航空航天大学出版社。2007:184-200.
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
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
University ofTechnology。2001.
【7】赵仁德,贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向 矢量控制仿真研究【J】.电力系统及其自动化学报, 2005,17(5):94_98.
【8】洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真[M].北京:机械工业出版社,2006. 作者简介: 马晓娜,中北大学在读硕士研究生。主要研究方向
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
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
(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
是虚拟电网磁链矢量的空间位置角0的观测。
J sinO=叩p/√(P:却;
I cosO=qoa/√‘P:+(p;
(4)
于是0角的观测可以转化为虚拟磁链的仅,B
~ 刁 分量的观测问题。 ’、q 加一!
虬
帆
图3三相电压型PWM整流器主电路
统结构如图4所示。用三相桥臂的开关函数Sa,Sb。
Sc及直流侧电压Vdc,再估算出瞬时有功功率P和
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
【71张明.基于PIC单片机和DSl8820的温度测量系统 设计【J】,电子测试,2010(4).
【8】8 孙波.基于MSP430的串口扩展设计【J】.电子测 试,2010(4).
作者简介: 王涛,兰州交通大学电子与信息工程学院 在读硕士研究生,主要研究方向为电子 设计自动化o E-mail:wangtaoxs@1 63.
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。
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)
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
【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
【2】刘其辉,贺益康.变速恒频风力发电机空载并网控制 [JJ.中国电机工程学报,2004,24(3):6-11.
【3】3张崇巍,张兴.PWlVl整流器及其控制(M】.北京:机械 工业出版社,2003.
[4】HADIAN A S R,徐殿国,郎永强.一种PWM整 流器直接功率控制方法【J】.中国电机工程学报, 2007,27(25):78-84.
式中:Sa,Sb,Sc是三相桥臂开关函:Sk=O表示 相应桥臂下管导通,上管关断,Sk=l为相应桥臂上
管导通,下管关断;(k=a,b,c);“q,甜p,t,嵋分别为
三相电网电压和电流的仅,B分量。 用式(2)直接进行电网电压估计可得到无电压
传感器控制方法,但由于用到了电流的微分量,在 实际控制中易放大噪声引入干扰,难以实现。
为电气传动自动化。 E-mail:qietingfenyin8@sina.com
(上接84页)
参考文献
【l】董亚超.基于ZigBee技术的无线环境监测网络的开 发[D】.大连:大连理工大学,2008.
【2】文壁,张洁,徐谦.基于无线射频与FPGA技术的数 据采集系统【J】.中国测试,2009.
【3】王彦.基于FPGA的工程设计与应用【M】.西安:西 安电子科技大学出版社,2007.
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
【l】黄科元,贺益康.矩阵式变换器交流励磁的变速恒频 风力发电系统研究[J】.中国电机工程学报,2002, 22(1 1):100-105.
system converters
一
tor
■
●
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●
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●
●
based
on virtual flux
Ma Xiaona, Ren Yifeng (School ofInformation&Communication Engineering,North University ofChina,Taiyuan 030051)
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:
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
virtual line flux linkage vector
Keywords:Virtual line—‘flux—’linkage;PWM rectifier;direct power contol
型
万方数据
0引言
1.2虚拟电网磁链估算
图2是PWM整流器的主电路,它与变频器供
在可再生能源开发利用的风力发电技术中,一 种交流励磁变速恒频双馈发电系统正在得到广泛 应用11-2]其发电机的励磁变频器应具有良好的输 入、输出特性,同时还必须有功率双向流动的能力, 因而常采用PWM整流。经过多年发展,三相电压 型PWM整流器的控制方法已经从最初的直接电流 控制发展到基于旋转坐标变换理论的定向控制方法, 近些年又研究出了基于虚拟磁链的控制方法131。引 入的虚拟磁链无需检测电网电压,省去了交流电压 传感器,同时提高了可靠性。本文对基于虚拟电网 磁链直接功率控制系统进行了理论分析,并建设基 于MATLAT,simulink环境下的仿真模型,对系统 进行仿真。
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:
Βιβλιοθήκη Baidu
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)
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
【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.
【5】王志华.基于FPGA的四路同步数据采集和处理系 统的设计【D】.南京:南京理工大学,2007.
f6】李文仲.ZIGBEE无线网络技术入门与实战【M】。北京: 北京航空航天大学出版社。2007:184-200.
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
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
University ofTechnology。2001.
【7】赵仁德,贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向 矢量控制仿真研究【J】.电力系统及其自动化学报, 2005,17(5):94_98.
【8】洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真[M].北京:机械工业出版社,2006. 作者简介: 马晓娜,中北大学在读硕士研究生。主要研究方向
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