姚 鑫 栗文义 燕 博 贺栋栋

（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080；2.内蒙古电力勘察设计院，呼和浩特 010020）

1 引言

风能属于间歇式能源，小型孤立风力发电所产生的电能具有波动性[1]。采用小型永磁发电机的直驱风力发电系统通过变流环节向用户输出合格的电能。传统的整流与逆变往往采用基于二极管的不可控整流器或SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制的晶闸管三相桥式电路，优点是电路简单、成本低、控制方法简易；缺点是谐波含量高、功率因数低、逆变出的电压波形不平滑和稳定等[2]。为了克服传统变流方式的缺点，本文对三相电压型整流器和三电平逆变器采用SVPWM方式进行控制，实现整流输出直流电压稳定和逆变输出三相交流电压符合用户要求的目的。

2 三相VSR工作原理[3]

三相PWM电压型整流器（Voltage source rectifier，简称VSR）电路拓扑结构如图1所示。

图1 三相VSR拓扑结构

根据图1所示的拓扑结构，三相静止坐标系下的数学模型为[4]

式中，Usn（n=a，b，c）为电源电压；in（n=a，b，c）为电源侧电流；Sn为开关函数，它有两种状态1和0，1表示某一相的上桥臂导通，0表示某一相的下桥臂导通。对式（1）进行坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系下[5]

3 SVPWM原理[6]

SVPWM控制通常要经过扇区判断与选择、扇区内矢量作用时间判定和开关作用时间计算三个环节。

3.1 扇区判断

由于采用三相桥式电路，将空间分为六个扇区。将两相 d -q坐标系变换到α-β坐标系后，得到电压Uα和Uβ，二者合成得到矢量Uout，它与每一相的相电压的关系为

Ur1＞0，则 A=1；Ur2＞0，则 B=1；Ur3＞0，则C=1；不符合上述情况的，皆取零。

定义S=A+2×B+ 4×C，通过查表可得参考电压矢量Uout所在扇区。

表1 S与扇区的关系

3.2 扇区内的矢量作用时间判断

设Ts为一个触发周期，Tk、Tk+1、T0分别为电压矢量在一个周期内的作用时间。根据空间矢量等效原则，得到每个扇区两个非零矢量和零矢量作用时间分别为

通过计算得到6个扇区的作用时间如表2所示。

表2 不同扇区的作用时间

3.3 开关作用时间计算

在不同的扇区，根据T1、T2和开关切换规律，开关作用时间为

根据公式(7)，开关作用时间To1、To2、To3取值如表3所示。以三角波为载波，To1、To2、To3为调制波，可获得SVPWM的触发脉冲。

表3 开关作用时间取值

4 变流器仿真分析

小型孤立风力发电系统如图2所示。

图2 小型孤立风力发电系统图

把风力发电系统变流器分为整流器和逆变器两部分进行仿真。小型孤立风力发电系统的容量一般为几个到几十个千瓦, 电压等级为 690V，频率50Hz，交流侧电阻为0.1Ω，电感0.01H，直流侧电阻50Ω，电容0.003F。

4.1 整流器仿真

（1）整流器仿真模型的构建[7]

风力发电用整流器的控制重点是输出直流电压。本文使用Matlab2009a版本，利用powersystem库构建三相VSR整流器的仿真模型，仿真框图如图3所示。

采用三相电压源模拟风力发电的特性。控制器实现坐标变换，将三相静止坐标系下的电压和电流分量转化成 d,q旋转坐标系下的直流分量，再通过比利积分控制器对采集到的直流量进行控制。SVPWM 触发信号的生成原理如前面所述，其内部各个模块均实现了上述的分析要求。

图3 整流器系统仿真框图

（2）直流电压与电流分析

系统运行时输出的直流电压和电流的波形如图4所示。

图4 直流电压Vdc和电流Idc的波形

在系统开始运行时，电压上升，最大值为1.02 kV。直流侧电压在0.07秒后进入稳定状态，幅值为1kV，超调量消除。直流电流稳定在20 A。SVPWM控制的整流器对直流电压和电流有着良好的稳定作用，电压和电流的纹波幅度较低，整流器可以起到隔离发电机侧产生的频率波动和谐波的作用。

（3）发电机侧电压跳变对直流侧电压电流的影响

实际的小型孤立风力发电系统中，风机的输出功率容易受到风速的影响，当风速增大时，输出电压增大，反之则降低。在发电机没有采用合适控制器的情况下，这种影响明显的体现在整流器输出的直流电压上。基于SVPWM控制的三相VSR整流器相比于其他控制方式具有迅速稳定电压波动的性能。

发电机侧输出的相电压峰值在 0.2s时由 975V跳变到1170V，在0.6s时又恢复到975V。其波形如图5和图6所示。

图5 发电机侧输出电压波动情况

在发电机电压跳变后，整流器输出的直流电压和电流波形如图5所示。

图6 直流侧电压变化情况

直流侧输出电压在0.2s后开始上升，最大幅值为1200V，直流电流最大值为24A，在0.45s后电压和电流的超调量趋向于 0，电压稳定在 1100V，电流稳定在22A。在0.6s后直流电压下降，电压最小值为960V，电流最小值为19.2A，之后逐渐上升，到0.7s之后恢复到1000V。虽然直流电压可以实现快速稳定，但在实际的风电系统中，应当对发电机输出电压加以控制，防止出现电压大幅度突变。仿真结果表明，基于SVPWM控制的三相电压型整流器具有良好的直流电流的输出特性。

4.2 逆变器仿真

（1）三电平逆变器仿真模型

风力发电用逆变器的作用是将直流电变换为满足用户要求的交流电。三电平逆变器将1kV的直流电逆变成有效值为380V，频率为50Hz的交流电。逆变系统结构如图7所示。

图7 三电平SVPWM逆变器

（2）负荷侧电压仿真波形分析

仿真时长为0.06s，输出滤波电感为15mH，负载有功功率为10kW。负载上的三相电压波形的峰值为540V，符合负载需求。波形如图8所示。

图8 交流负载电压波形

逆变电压峰值为 540V，频率为 50Hz，波形符合供电要求。

5 结论

本文根据小型孤立发电系统的特点，设计了基于SVPWM控制的变流器仿真模型，分别对整流器和逆变器进行了仿真分析。仿真结果表明，整流器输出的直流电压稳定，逆变出的三相交流电压和频率符合要求。本文所设计的变流器可以应用于电压等级为 690V，频率为 50Hz，功率为几个到十几个千瓦的小型孤立风力发电系统中，该系统能向用户提供合格电能。

[1]房泽平.应用于小型风力发电系统的Buck电路[J].可再生能源,2008(2):74-78.

[2]王文博,李宏,程昊.离网小型风力发电机组整流器仿真研究[J].测控技术,2010(5):99-101.

[3]周佩娟.三相双 PWM 变频电源的研究与设计[D].长沙：湖南大学图书馆,2007.

[4]胡顺全.双PWM变换器的研究和应用开发设计[D].济南:山东大学图书馆,2005.

[5]唐跃进,石晶,任丽.超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用[M].北京：中国电力出版社,2009.

[6]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7]黄忠霖,黄京.电力电子技术的 MATLAB实践[M].北京:国防工业出版社,2009.