网侧变流器电压定向矢量控制分析与实验

摘要：建立了并网发电系统网侧变流器数学模型，分析了电网电压定向矢量控制策略的原理与实现。通过Matlab搭建了网侧变流器闭环控制模型，采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行仿真分析，并进行了实验验证，结果证明了电网电压定向矢量控制策略在并网发电系统应用的正确性和有效性。
关键词：变流器；并网系统；电压定向

1 引言
随着风能、太阳能等新能源的不断开发和利用，发电系统形式日趋多元化。为使并网系统达到稳定、效率高、动态响应能力快的目标，并网发电系统网侧变流器结构及其控制技术已成为并网发电系统的关键技术。由于电网电压不可改变，采用电网电压定向矢量控制，通过控制变流器交流侧电压来分别控制网侧输入电流有功分量和无功分量，以实现直流环节电压控制和交流侧单位功率因数控制，是一种间接的电流控制方法。

2 网侧变流器数学模型
并网发电系统网侧变流器交流侧电压来自电网，通过SVPWM技术调制三相桥臂开关，实现变流器输出稳定的直流电压。在电感的滤波作用下可忽略电压和电流的高次谐波，仅考虑基波部分，等效电路及向量图如图1所示。

假定电网电压平衡，由此可得数学模型为：

经坐标变换可得两相同步旋转d，q坐标系下输入电流满足关系：

采用电网电压定向如图2所示，将d轴定向于电网电压矢量us方向上，则电压q轴分量为零。

定向后再由式(2)，(3)，(4)得：

其中当P>0，变流器工作于整流状态，从电网吸收能量；反之，工作于逆变状态，能量返回电网。当Q>0，变流器吸取感性无功电流，相对于电网呈感性；反之，吸收容性无功电流，相对电网呈容性。有功和无功功率的控制可转换为对d，q轴电流分量的分别控制。
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3 控制原理
根据式(3)，(4)，(5)构建电压、电流双闭环控制原理图如图3，4所示。d轴电流分量参考值表征直流环节电压Udc，当负载增大时，会随之增大。通过电流和电压闭环调节，改变开关导通角，使变流器工作于整流状态，从电网吸收更多的能量，使输出电压升高；反之，减小，变流器工作于逆变状态，多余能量反馈回电网，输出电压下降。同时，根据所需的功率因数，控制q轴电流的大小，达到控制无功功率的目的。

采用SVPWM技术的调制波如图5所示。

4 仿真分析
根据以上理论分析，利用Matlab仿真平台建立仿真模型结构如图6所示。设置参数如下：电网线电压为交流20 V；负载阻抗1 kΩ；滤波电感6 mH；直流侧电容1．5 mF；网侧电阻62．9 mΩ；目标电压为直流50 V；回馈电压12 V；回馈电流3 A。

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整流状态，设，a相电压电流波形如图7a所示。逆变状态，分别设为0和3 A，所得a相电压电流波形如图7b，c所示。时，电流反向滞后电压。

5 实验验证
储能电池采用一节12 V，65 Ah的铅酸蓄电池，控制蓄电池输出电流为3 A。设置实验参数同仿真参数，q轴电流为零，测得直流侧电压及回馈到电网电压电流波形如图8所示。

由实验参数可求得回馈有功功率为36 W，无功为零，处于单位功率因数逆变状态。相电流与电压反向，根据相线电压关系，电流滞后线电压150°。

6 结论
通过仿真与实验结果分析可见，采用电网电压定向矢量控制策略进行网侧变流器闭环控制可较好地保证直流侧输出电压的稳定性，可以根据负载和需求有效地控制有功和无功功率流动情况。实验所得结论与理论分析一致，从而验证了基于电网电压定向的矢量控制策略应用在并网发电系统网侧变流器控制中的正确性和有效性。