基于虚拟电网磁链定向的网侧逆变器

    矢量控制研究

    赵梅花，  阮毅，杨勇

(1洛阳理工学院，河南洛阳471023；2上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)

    摘要：风力发电系统中三相电压型并网逆变器的电路结构，与变频器供电的交流异步电机的定子电路有很大的相似性，采用类似于电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网电压磁链矢量，从而达到取消交流侧电压传感器的目的。根据交流电机磁链观测器的设计方法，构造了虚拟电网磁链观测器；并对该设计方案进行了试验研究，其结果验证了该控制方案的可行性和正确性。

    关键词：风力发电；并网逆变器；矢量控制；虚拟磁链；磁链观测器

0  引  言

    随着世界环境的日益恶化和日常能源的日益枯竭，风力发电在能源结构中占有越来越重要的地位。在变速恒频的风力发电系统中，并网逆变器是连接发电机和电网的核心环节，目前广泛应用的是电压型脉宽调制(PwM)逆变器，其具有输出电流正弦度好、谐波含量少、功率因数可调、能量双向流动、直流母线电压可控及对电网较低的污染等一系列优点，被称为绿色环保电力电子装置，在新能源并网发电中扮演着很重要的角色。

    电压型PwM逆变器，主要采用电压定向矢量控制方式，基于坐标变换理论的电压定向矢量控制策略具有电流无静差、能实现电流有功分量和无功分量的解耦控制而得到广泛应用，但该控制方式需要检测电网电压、输入电流及直流母线电压，较多的传感器及其信号处理电路必然会增加系统成本，同时也带来相应的附加电路和检测误差等问题。因此研究以减少传感器数为目的的控制策略具有重要的实际意义。虚拟磁链定向矢量控制通过引入虚拟磁链的概念，间接获得电网电压角度信息，省去了电网电压传感器。

本文分析了虚拟电网磁链的特点，构造出了虚拟磁链观测器，通过试验验证了该观测器的可靠性和这一方案良好的动、静态特性。

1虚拟磁链的引入

综前所述，在网侧逆变器的控制中，如果能够取消电压互感器，而利用网侧逆变器本身的一些特性来估算电网电压合成矢量角，对提高系统的可靠性和对环境的适应性具有重要的意义。这就是本文分析的出发点和重点。

 图1是风力发电系统中三相电压型并网逆变器的拓扑结构，它与变频器供电的交流异步电机的定子电路有很大的相似性，采用类似于交流异步电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网电压磁链矢量，从而达到可以取消交流侧电压互感器的目的。图1中：e_A，e_B，e_C分别为电网的三相电压，L、R分别为电感和电阻。并网逆变器的电网电压相当于电机的气隙磁场在定子绕组产生的感应电动势，而电抗器的电感和电阻相当于是电机定子绕组的漏感和电阻。因此，图1圆圈内可以看作是一台虚拟的交流异步电机。

在三相交流电机的矢量控制系统中，通常采用磁链作为矢量控制的定向矢量。而对于并网逆变器的电网电压e_A，e_B，e_C，则可以认为是由三相绕组切割某个旋转的磁场所产生的，该旋转磁场实际上是不存在的，故称为虚拟磁链。采用类似于交流电机磁链观测的方法来观测这个虚拟电网磁链，取代电网电压作为定向矢量，从而达到省去电网电压传感器的目的。

2虚拟电网磁链观测器

假设三相电网电压平衡，电流参考方向如图1所示，则α、β坐标系下的电压方程为：

式中：e_α、e_β，i_α、i_β——分别为三相电网电压和逆变侧输出电流的α、β轴分量；

    u_α、u_β——分别为逆变器输出电压的α、β轴分量。

根据直流母线电压和并网逆变器的开关状态s_a、s_b、s_c(s_i=1为相应的上桥臂导通，s_i=0为相应的下桥臂导通)，可以估算出并网逆变器输出的电压u_α、u_β(等匝数变换)：

采用正弦脉宽调制(svPwM)时，脉宽调制(PwM)周期短，开关状态s_a、s_b、s_c可以用平均占空比D_a、D_b、D_c来表示，则式(2)可以表示为：