基于虛擬電網磁鏈定向的網側逆變器
矢量控制研究
趙梅花， 阮毅，楊勇
(1洛陽理工學院，河南洛陽471023；2上海大學機電工程與自動化學院，上海200072)
摘要：風力發電系統中三相電壓型并網逆變器的電路結構，與變頻器供電的交流異步電機的定子電路有很大的相似性，采用類似于電機磁鏈觀測的方法構造出虛擬的電網電壓磁鏈矢量，從而達到取消交流側電壓傳感器的目的。根據交流電機磁鏈觀測器的設計方法，構造了虛擬電網磁鏈觀測器；并對該設計方案進行了試驗研究，其結果驗證了該控制方案的可行性和正確性。
關鍵詞：風力發電；并網逆變器；矢量控制；虛擬磁鏈；磁鏈觀測器
0 引 言
隨著世界環境的日益惡化和日常能源的日益枯竭，風力發電在能源結構中占有越來越重要的地位。在變速恒頻的風力發電系統中，并網逆變器是連接發電機和電網的核心環節，目前廣泛應用的是電壓型脈寬調制(PwM)逆變器，其具有輸出電流正弦度好、諧波含量少、功率因數可調、能量雙向流動、直流母線電壓可控及對電網較低的污染等一系列優點，被稱為綠色環保電力電子裝置，在新能源并網發電中扮演著很重要的角色。
電壓型PwM逆變器，主要采用電壓定向矢量控制方式，基于坐標變換理論的電壓定向矢量控制策略具有電流無靜差、能實現電流有功分量和無功分量的解耦控制而得到廣泛應用，但該控制方式需要檢測電網電壓、輸入電流及直流母線電壓，較多的傳感器及其信號處理電路必然會增加系統成本，同時也帶來相應的附加電路和檢測誤差等問題。因此研究以減少傳感器數為目的的控制策略具有重要的實際意義。虛擬磁鏈定向矢量控制通過引入虛擬磁鏈的概念，間接獲得電網電壓角度信息，省去了電網電壓傳感器。
本文分析了虛擬電網磁鏈的特點，構造出了虛擬磁鏈觀測器，通過試驗驗證了該觀測器的可靠性和這一方案良好的動、靜態特性。
1虛擬磁鏈的引入
綜前所述，在網側逆變器的控制中，如果能夠取消電壓互感器，而利用網側逆變器本身的一些特性來估算電網電壓合成矢量角，對提高系統的可靠性和對環境的適應性具有重要的意義。這就是本文分析的出發點和重點。
圖1是風力發電系統中三相電壓型并網逆變器的拓撲結構，它與變頻器供電的交流異步電機的定子電路有很大的相似性，采用類似于交流異步電機磁鏈觀測的方法構造出虛擬的電網電壓磁鏈矢量，從而達到可以取消交流側電壓互感器的目的。圖1中：eA，eB，eC分別為電網的三相電壓，L、R分別為電感和電阻。并網逆變器的電網電壓相當于電機的氣隙磁場在定子繞組產生的感應電動勢，而電抗器的電感和電阻相當于是電機定子繞組的漏感和電阻。因此，圖1圓圈內可以看作是一臺虛擬的交流異步電機。
在三相交流電機的矢量控制系統中，通常采用磁鏈作為矢量控制的定向矢量。而對于并網逆變器的電網電壓eA，eB，eC，則可以認為是由三相繞組切割某個旋轉的磁場所產生的，該旋轉磁場實際上是不存在的，故稱為虛擬磁鏈。采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法來觀測這個虛擬電網磁鏈，取代電網電壓作為定向矢量，從而達到省去電網電壓傳感器的目的。
2虛擬電網磁鏈觀測器
假設三相電網電壓平衡，電流參考方向如圖1所示，則α、β坐標系下的電壓方程為：
式中：eα、eβ，iα、iβ——分別為三相電網電壓和逆變側輸出電流的α、β軸分量；
uα、uβ——分別為逆變器輸出電壓的α、β軸分量。
根據直流母線電壓和并網逆變器的開關狀態sa、sb、sc(si=1為相應的上橋臂導通，si=0為相應的下橋臂導通)，可以估算出并網逆變器輸出的電壓uα、uβ(等匝數變換)：
采用正弦脈寬調制(svPwM)時，脈寬調制(PwM)周期短，開關狀態sa、sb、sc可以用平均占空比Da、Db、Dc來表示，則式(2)可以表示為：
| 
