网侧变流器的双闭环控制与SVPWM调制实现

网侧变流器的控制目的是通过电网电压定向矢量控制实现交流侧单位功率因数控制和直流环节电压稳定控制。

1.网侧PWM变流器的数学模型

设三相电网电压平衡，主电路开关器件为理想开关，通断可以用开关函数表示。根据图8-9所示的背靠背恒压源PWM调制电路，可以得到三相静止坐标下的方程组：

式（8-57）中，u_a、u_b、u_c为等效三相电网电压；i_a、i_b、i_c为网侧变流器交流三相流入电流；i_dc为变流器直流侧输出电流；i_load为变流器直流侧负载电流；u_dc为变流器输出直流电压；L、R分别为交流进线电抗器的电感和等效电阻；C为直流环节的储能电容；S_a、S_b、S_b分别为三相桥臂的开关函数，当S_i＝1时，表示第i相上管导通，当S_i＝0时，表示第i相下管导通。

将式（8-57）所示的三相静止坐标系的数学模型转换为两相同步旋转d-q坐标系的数学模型为

式中 u_dn、u_qn——分别为电网电压d、q轴分量。

2.电网电压定向矢量控制

针对双馈发电机网侧变换器的控制策略主要有两种类型：电网电压定向控制（Voltage Oriented Control，VOC）和虚拟电网磁链定向控制（Virtual Flux Oriented Control，VFOC）。

电网电压定向控制策略就是依据网侧变换器的数学模型，将两相同步坐标系d轴定向于电网电压矢量方向上的一种控制策略。电网电压定向控制策略相对简单，开关频率固定，可以采用先进的SVPWM调制技术。

为了简化控制算法，应用空间坐标变换，将同步旋转d-q坐标系d轴定向于电网电压矢量u_n的方向上，得电网电压的d、q分量为

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利用网侧变换器在两相同步旋转d-q坐标系下的数学模型，可得输入电流满足

式中，u_d1、u_q1为变流器交流侧电压的d、q轴分量，u_d1＝S_du_dc，u_q1＝S_qu_dc。

上式表明，d、q轴电流除受控制量u_d1、u_q1的制约外，还受交叉耦合项ω₁Li_d1、ω₁Li_q1和电网电压的影响。仿照转子侧变流器的控制，可以改写式（8-59）为

其中：

上式中u′_d1、u′_q1与各自的电流分量具有一阶微分关系，可作为解耦项，Δu_d1、Δu_q1为消除定子电压、电流交叉耦合的补偿项。同时引入了电网电压前馈补偿量，与反馈控制相得益彰，实现了d、q轴电流的独立控制，还可提高系统的动态性能。具体的控制原理如图8-38所示。网侧变流器采用双闭环控制，电压外环主要控制三相PWM变流器的直流侧电压，直流电压给定与反馈的误差，经电压调节器计算有功电流给定i_d∗₁，其值决定有功功率的大小，符号决定有功功率的流向。电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，为实现功率因数为1的整流或逆变，应使无功电流分量i_q∗₁＝0。变流器交流侧参考电压u_d∗₁、u_q∗₁经坐标变换后进行SVPWM调制，产生的驱动信号实现网侧变流器的控制。

图8-38 基于电网电压定向的网侧变流器控制原理图

根据瞬时有功、无功功率的定义，电网电压定向d-q坐标系下网侧变流器输入的有功功率和无功功率分别为

可见当电网电压恒定时，调节d轴电流i_dn即可控制变流器输入的有功功率，调节q轴电流i_qn即可控制变流器输入的无功功率，这样就可以实现变流器有功和无功分量的解耦控制。P₁＞0时，变流器工作在整流状态，从电网吸收能量；P₁＜0时，变流器工作在逆变状态，能量从直流侧回馈电网。Q₁＞0时，表示变流器相对电网呈感性，吸收感性无功功率；Q₁＜0时，表示变流器相对电网呈容性，吸收容性无功功率。