并网逆变器控制优化策略

大多数商用的风力发电机通过功率变流器给电网传输电能。图9-26为一种典型的用于风力发电的并网逆变器，它采用两电平电压源逆变器方案。逆变器通过网侧电感Lg连接到电网，Lg包括变压器的漏感和网侧电感，网侧电感通常是为了降低系统的网侧电流畸变而增加的，其取值范围一般为0.05～0.1p.u.。网侧电阻非常小，而且对系统性能的影响也很小，因此在分析中可忽略不计。

图9-26　一种典型的用于风力发电的并网逆变器

并网逆变器可采用脉冲宽度调制策略，如空间矢量调制策略。逆变器实质上是一种升压变流器，其vdc为平均直流电压。

图9-27(a)为风力发电系统的简单框图，这里将发电机和整流器等效为一个电池与小电阻串联，小电阻代表系统的功率损耗。逆变器与电网之间的电能传输是双向的。电能可以从电网注入逆变器的直流侧，反之亦可。对于风力发电的应用，电能通常从逆变器注入电网。系统注入电网的有功功率可由下式计算得到

式中，φg——电网的功率因数角。

φg定义为

电网功率因数可以为1、超前或者滞后，如图9-27(b)所示。除了有功功率以外，电网调度通常还要求风力发电系统向电网输送可控的无功功率，以支撑电网电压。因此，风力发电系统功率因数角的工作范围是90°≤φg＜270°。

图9-27　风力发电系统简化框图及功率因数的定义

(a)简化框图；(b)相量图与功率因数(www.xing528.com)

并网逆变器有多种控制策略，电压定向控制(Voltage Oriented Control，VOC)是其中的一种，如图9-28所示。电压定向控制策略基于abc静止坐标系和dq同步坐标系之间的变换。在电网电压的同步参考坐标系下实现控制算法，此时所有变量在稳态时都是直流量，有利于逆变器的设计和控制。

图9-28　电压定向控制简化框图

为实现电压定向控制，需要测量电网电压及其相位角θg。这个角度用来实现变量从abc静止坐标系到dq同步坐标系之间的abc/dq变换，或者从同步坐标系到静止坐标系的dq/abc反变换，如图9-28所示。检测电网电压角度θg有很多种方法。假设电网电压vag、vbg与vcg是三相平衡的正弦波形，则θg可由下式得到

式中，vα和vβ可由abc/αβ坐标变换得到，为

上式表明，没有必要测量c相的电网电压vcg，如图9-28所示。实际上，电网电压可能含有谐波而使波形畸变，这样在检测电网电压角度θg时，就需要用到数字滤波器或者锁相环技术。

系统共有3个反馈控制环：两个电流内环(实现dq轴电流idg和iqg的准确控制)与一个直流电压外环(用以控制直流电压vdc)。在电压定向控制下，abc静止坐标系下的三相线电流iag、ibg和icg被变换为dq同步坐标系下的两相电流idg和iqg。idg和iqg分别为三相线电流中的有功和无功分量。对这两个分量分别进行控制，是系统实现有功功率和无功功率独立控制的一种有效方法。

如前所述，逆变器系统的电能传输是双向的。当电能从电网注入逆变器直流侧(Pg＞0)时，逆变器工作于整流模式；而当电能从直流侧注入电网(Pg＜0)时，逆变器工作于逆变模式。控制系统可以在这两种工作模式下自动切换，而无须任何额外的测量。