风力发电并网逆变器的工作原理详解

并网逆变器的需要满足两个要求：

（1）相电流要接近正弦，相电流与相电压同相，使功率因数等于1，以减少输送到电网的谐波含量。满足有关电磁兼容的要求。

（2）稳定直流侧电压。

因此，并网逆变器采用由IGBT构成的PWM变流器。在风力发电系统中，作为并网逆变器的PWM变流器是工作在逆变运行工况，将能量从PWM变流器的直流侧传输到交流侧。

1.电压型三相PWM变流器的主电路结构及工作原理

图7-20是电压型三相桥式PWM变流电路（忽略电网电阻），这是最基本的PWM变流电路之一，其应用很广泛。对电路进行合适PWM控制，在桥的交流输入端A、B、C可得正弦PWM脉冲电压，使得电路在整流运行状态工作，从而可以使得各相电流为正弦波且与电压相位相同，实现功率因数近似为1。同样，电路也可以工作在逆变运行状态，通过正弦波PWM控制，使得三相电流为正弦波且与电压相位相反，实现功率因数近似为－1。

图7-20 电压型三相桥式PWM变流电路

三相电压型PWM变流电路的工作情况比较复杂，但是其工作原理与单相PWM变流器基本相同。因此，以单相PWM变流器为例，说明三相电压型PWM变流电路的工作原理。图7-21所示为以IGBT开关管构成的电压源电流控制型单相并网逆变器的主电路的原理图。

图7-21中u_n（t）是电网的正弦波电压，U_d是输入的恒定的直流电压，u_S（t）是逆变器的输出电压，这是PWM控制下的脉冲波，i_n（t）是从逆变器输出到电网的电流。V₁～V₄是IGBT开关管，VD₁～VD₄是整流二极管。对四个开关管进行合适的PWM控制，就可以保证电流i_n（t）与网压。u_n（t）相位反相，脉冲频率越高，电流i_n（t）波形也越接近正弦波。

图7-21 单相电压型PWM变流器

并网系统要求在逆变器的输出侧实现功率因数为－1，波形为正弦波，输出电流与网压同频反相，因此，其控制策略与一般独立的电压型逆变器的控制策略有所不同。图7-21中，每个开关管上都反并联一个二极管，起着续流的作用。交流侧的电感的作用在于：

1）有效地抑制了输出电流的过分波动。

2）起着滤波的作用，将开关动作所产生的高频电流成分滤除。

3）由于输出电感的存在，输出电流i_S的基波分量i_s1在其上产生一个电压降，这样，变流器的输出电压u_S的基波u_S1和电网电压u_n之间将产生一个位移量φ_u，通过PWM控制开关管，使变流器的输出电压u_S满足上述的矢量关系，这样，在理论上可以实现输出电流与电网电压同频反相。

采用脉宽调制（PWM）方式，通过控制开关管V₁～V₄的导通或关断的时间，可以实现能量从逆变器向电网传送，同时，实现在交流输出侧的功率因数为－1。对于直流侧恒定的直流电压U_d，采用正弦脉冲宽度调制技术，可以在交流输出端得到频率、幅值和相位都任意可控的正弦电压矢量，于是得到如图7-22所示的等效电路。

取u_S1（t）为交流侧电压u_S（t）的基波分量，i_n1（t）为电流i_n（t）的基波分量，在忽略电网电阻的条件下，则对于基波分量，有下面的相量方程成立

图7-22 单相PWM变流器等效电路

2.并网逆变器控制策略(www.xing528.com)

对于并网逆变器进行控制有两个目的：一是保持中间回路直流电压在允许的偏差范围之内；二是使供电接触网或变压器一次侧的功率因数接近于1.0或－1.0。这意味着电流基波分量的位移系数和其波形的畸变系数都必须达到尽可能最佳的数值。对于一般的控制系统，要实现PWM变流器正常工作，须同时控制直流电压和交流电流，直流电压作为外环控制量，交流电流用于内环调节。

对并网逆变器的控制主要集中在以下三个方面，即直流侧电压控制、PWM波的产生和交流侧电流控制。

（1）直流侧电压控制 将直流侧电压取样反馈，与给定参考电压比较，比较误差作为电压控制器的输入，输出作为交流侧电流幅度的给定，这是电压控制的基本结构。为了改善电压控制的响应特性，也可以加入负载电流前馈控制。电压控制器的调节算法，目前还是以传统的PI居多，也有采用数字控制器的直接方法，取得了较好的效果。

（2）PWM波的产生PWM信号的产生方法大都与交流调速系统基本相同，其主要差异是多一个电网同步与相位控制环节，少一个变频控制环节。目前，数字化PWM方法主要有规则采样法、空间电压矢量法等。此外，交流电流的控制环节经常是和PWM的产生融合在一起。目前，电流控制型PWM技术应用十分广泛，比如滞环控制、PI电流控制等。这种PWM技术兼有电流控制器的作用，具有控制简单、动态响应快和电压利用率高等优点。

（3）交流侧电流的控制 要使PWM变流器工作时功率因数近似为1.0或－1.0，即要求输入电流为正弦波，且和电压同相位或反相，可以通过很多控制方法实现。根据是否引入电流反馈，控制可以分为两种：引入交流电流反馈的称为直接电流控制；没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制。

间接电流控制也称为相位和幅值控制。这种间接电流控制无须设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种简单控制方案。

在直接电流控制系统中，交流电流给定值通过计算求出，同时检测交流电流反馈值，电流给定值与反馈值比较的结果决定开关元件开关状态，从而达到对交流电流的直接控制，且使其跟踪电流给定值。直接电流控制中有不同的电流跟踪方法，例如滞环电流控制、小惯性电流跟踪控制和空间电压矢量控制等。

3.SVPWM控制方法

空间矢量PWM控制（SVPWM）控制策略是依据PWM变流器空间电压（电流）矢量切换来控制PWM变流器的一种新颖思路的控制策略。

空间矢量PWM控制策略是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率（1～3kHz）条件下，使交流电机获得了较SPWM控制更好的性能，SVPWM提高了电压型逆变器的电压利用率和电机的动态响应性能，同时还减小了电机的转矩脉动等。另外，简单的矢量模式切换更易于微处理机的实现。

将SVPWM应用于PWM变流器控制之中，主要继承了SVPWM电压利用率高、动态响应快等优点，目前，应用于PWM变流器直流电流控制中的SVPWM技术主要分成两类：其一是基于固定开关频率的SVPWM电流控制，即利用同步旋转坐标系（d，q）中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM，使PWM变流器的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的；其二是利用基于滞环电流控制的SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布，给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以内，这实际上是一种变开关频率的SVPWM。

三相PWM变流器空间电压矢量共有8条，除2条零矢量外，其余6条非零矢量对称均匀分布在复平面上。8条空间电压矢量对应的开关组合及电压值见表7-1。

对于任意给定的空间电压矢量U_ref，均可由8条三相PWM变流器空间电压矢量合成，如图7-23所示。图7-23中，6条模为2U_dc／3的空间电压矢量将复平面平均分成六个扇形区域，对于任一扇形区域中的电压矢量U_ref，均可由该扇形区域两边的PWM变流器空间电压矢量来合成。如果U_ref在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦量。

图7-23 基本空间矢量及矢量合成

表7-1 不同开关组合时的电压值

（续）

实际上，由于开关频率和矢量组合的限制，U_ref的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹。显然，PWM开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近圆。

永磁同步发电机发电系统变速恒频控制的方法很多，以上仅介绍一种形式。