LVPWM调制模式下变流器技术研究

吴建明++魏毅立++吴振奎

摘 要：风电变流器是风力发电系统的重要组成部分，它决定着风电机组输出电能质量。针对SVPWM（空间矢量脉宽调制）控制技术的不足，在此基础上提出了LVPWM（逻辑电压空间矢量脉宽调制技术）控制技术，通过搭建MATLAB/SIMULINK仿真试验平台和基于TMS320F2812DSP的94kW变流器实验平台，仿真和实验结果均证明，LVPWM调制模式下变流器门极开关损耗减少一半，延长了变流器寿命，减少了风力发电成本，提高了变流器抗直通安全性能。LVPWM调制模式下发出的电能质量跟SVPWM模式下一样，谐波质量分析表明电能质量未受到任何影响。

关键词：逻辑电压空间矢量脉宽调制技术 变流器 DSP

中图分类号：TM375 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（c）-0118-04

Abstract： Wind power converter is an important part of wind power generation system， it determines the wind turbine output power quality. Aiming at the shortcomings of SVPWM （space vector pulse width modulation） control technology， this paper puts forward the control technology of LVPWM （logic voltage space vector pulse width modulation）. By setting up the MATLAB/SIMULINK simulation test platform and the 94kW converter based on TMS320F2812DSP The simulation results and experimental results show that the power quality in the LVPWM modulation mode is the same as that in the SVPWM mode. The harmonic quality analysis shows that the power quality is not affected， the gate switching loss is reduced by half， and the converter life， Reducing the cost of wind power， improve the converter anti-pass safety performance.

Key Words： Logic voltage space vector pulse width modulation （LVPWM）； Converter； DSP

風能是一种安全、清洁、丰富的新能源，在这个新能源备受青睐的时代，风力发电作为新能源的典型代表，近年来，全球风电机组装机容量快速增长。到2020年底，全球累计风电机组装机容量将达到703.4GW，我国占全球装机容量将达到40%左右。

随着装机容量的爆发式增长，如何降低风力发电运行和维护成本是当前亟待解决的难题，以双馈型风力发电机组为例，风力发电变流器作为风电机组的核心部件直接决定着风力发电成本。因此，延长风力发电机组变流器寿命至关重要。为了提高风电机组变流器寿命降低风电机组维护运行成本，采用LVPWM（逻辑电压空间矢量脉宽调制）脉宽调制信号取代SVPWM脉宽调制技术。SVPWM调制技术是在一个周期内插入两种零矢量，一个周期内上下桥臂开关器件动作4次。如果采用高的调制比，则开关器件开关频率特别高，这样会缩短变流器寿命，增加风电机组运行维护成本。如果有一种脉宽调制技术，在输出电能质量不变坏的情况下，降低开关器件的开关频率，延长变流器使用寿命，在此提出了LVPWM（逻辑电压空间矢量脉宽调制技术）脉宽调制技术[1]。

1 LVPWM脉宽调制技术原理分析

网侧变流器的拓扑如图1所示，负载是三相有源负载即大电网[2]。网侧变流器的电流流向如图1所示，设定流进为负即A，C相为正，B相为负。此刻电路VT1关断，VT2开通，VT3开通，VT4关断，VT5关断，VT6开通，即基本电压矢量为（010）。在此通过DSP控制器发送脉冲调制信号（110）信号，给VT1发开通脉冲信号，给VT2发关断脉冲信号，由图1可以推出，VT2管能及时关断，但是由于感性负载使得电流滞后于电压一定角度，此刻上桥臂导通的是续流二极管VD1管，由于电压的反向钳位作用，作用在VT1上的开通脉冲信号不可能立刻使VT2导通。

通过上述推理分析，LVPWM的调制信号与电流方向共同来决定了网侧变流器开关器件的开通关断，我们把这种脉宽调制方法称为LVPWM（逻辑电压空间矢量调制技术）。此方法重点是理清电压与电流的相位关系。

网侧变流器带无源三相对称感性负载即大电网时，网侧变流器输出相电压为，回路电流相量为，负载为等郊电阻R和电感L，电感L和电阻R上的相电压分别为和，网侧变流器单相等效电路及向量图如图2所示[3]。

根据图2（b）可以求出阻抗角：

（1）

式中，为电流的角频率，R、L分别为负载电网的电阻与电感。

SVPWM脉宽调制信号调制输出的相电压波形为马鞍形，主要谐波为三次谐波。由于大电网属于感性负载，使得网侧变流器输出电压谐波占比较小，因而网侧变流器输出电流波形几乎接近正弦。

可设三相电流方程为：

（2）

式中，为电压初始相位角，为负载阻抗角。endprint

结合图1与式2推理分析，LVPWM脉宽调制信号的调制机理以B相桥臂来说，在iB>0的时候，一直封锁B相的下桥臂脉冲，正常对上桥臂进行脉宽调制；反之在iB<0时，封锁B相的上桥臂。同理，采用上述脉宽调制信号对于A和C相来说同样适用，采用同样的调制方法来调制A相和C相开关器件。

2 基于MATLAB/SIMULINK平台的LVPWM控制技术仿真分析

（1）SVPWM脉宽调制信号调制模式下仿真模型及UAB线电压波形图，该模型的负载为三相对称无源负载，如图3、图4所示。

（2）为了比对LVPWM脉宽调制信号调制的的可行性，以MATLAB/SIMULINK来搭建仿真模型，如图5所示。参数如下：f=15Hz；输出相电压幅值为200V；直流母线电压Udc=550V；负载为三相对称负载，阻容滤波电阻R4=R5=200Ω；阻容滤波电容C4=C5=5e-6。

负载电阻R1=R2=R3=2Ω；负载电感L1=L2=L3=1e-2H。

负载阻抗角：

（3）

图5为负载阻抗角为360时仿真波形图，由下面两个仿真图可以发现当采用LVPWM脉宽调制技术时，网侧变流器输出电压和电流波形没有受到任何影响，输出电能质量完全没有发生变化（如图6所示）[4]。

从图7（b）中可以看出A相桥臂的上下管的触发脉冲信号通过反相移位后能拼凑成一个马鞍形波，这与用SVPWM调制模式下调制时得到的波形一样。通过分析图6（a）0.25后前后两部分脉冲波形。LVPWM脉宽信号调制比SVPWM脉宽信号调制模式下，网侧变流器开关器件的开通关断次数能减少一半[5]。

3 基于TMS320F2812芯片的LVPWM验证结果

通过示波器验证LVPWM脉宽调制方法的适用性，以TMS320F2812 DSP控制芯片为核心搭建一台94kW的网侧变流器实验平台[6]，负载为大电网系统，参数如下负载：R=22，负载阻抗角，采样周期Ts=0.0005s，F=15Hz，L=0.25H，Udc=550V，Uref=25V，结果如图8所示。

图8（a）为网侧变流器A相输出电压波形，与采用SVPWM脉宽调制时一样，输出电压波形都为马鞍形波。图8（b）为网侧变流器A相输出电流波形。由图8可以看出，采用LVPWM脉宽调制信号调制时，网侧变流器输出电压电流波形与采用SVPWM脉宽调制信号输出波形一样，电能质量未受到任何影响。证明了LVPWM脉宽调制信号技术的可行性，也降低网侧变流器开关器件开关频率和延长使用寿命，在风电场实际运行维护中带来了良好的经济效益[7]。

4 结语

在风电场实际运行维护中，为了降低维护成本，基于基于网侧变流器SVPWM脉宽调制信号的不足，结合实际提出了LVPWM脉宽调制技术。仿真和实验结果均验证明这一技术的可行性，通过谐波分析比较，电能质量未受到影响。LVPWM调制信号可以在不影响输出电能质量的前提下减少变流器开关器件的开关频率一半，延长了变流器使用寿命，提高了变流器抗直通安全可靠性，同时也带来了良好的经济效应，降低了风力发电企业运行维护成本。

参考文献

[1] Raju.A.B，Chatterjee.K，Femandes.B.G.A Simple Maximum Power Point Tracker for grid connected Variable Speed Wind Energy Conversion System with Reduced Switch count power converters[A].2003 IEEE 34th Annual Power Electronics Specialists Conference[C]. Acapulco，NM，United states，2003：748-753.

[2] 包能胜，陈庆新，姜桐.百千瓦级风机建模与仿真[J].太阳能学报，1997（1）：51-57.

[3] 雄健，康勇，陈坚，等.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究[J].电力电子技术，1999（7）：25-28.

[4] 梁亮，李建林，许洪化.双馈感应风力发电系统低电压穿越研究[J].电力电子技术，2008（7）：23-28.

[5] 葉杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002：5-22.

[6] R.Pena，J.C.Clare，G.M.Asher.Doubly fed induction generator usingback-to back[M].PWM converters，2003：617-728.

[7] 林资旭.变速恒频风力发电机网侧变换器在输入电压不平衡时控制技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所，2006.endprint