基于LVPWM的风电变流器控制技术研究
1 引言
风能是一种安全、清洁、丰富的新能源，在这个能源紧缺的时代，备受世界各国的重视。近年来，世界风电装机呈快速增长趋势。到2010年底，我国风电累计装机容量有望超到3000万千瓦。
现在，变速恒频双馈风电机组已经变成市场的主流，而变流器正是实现双馈发电机控制的关键部分。以前的变流器广泛采用SVPWM（空间矢量脉宽调制）控制技术，由于SVPWM开关调制模式是一般的连续开关调制模式。连续开关模式是在一个采样周期内插入两种零矢量，每一个开关在一个采样周期内动作两次，在一个周期内三相桥臂共动作了12次。它与一般的在同频率采样模式下的SPWM的器件开关频率相同。因此如果要采用高的调制比，则意味着器件的开关频率非常高，那么此时变流器的开关损耗也是很关键的[1,]。
基于此，设想如果能找到一种方法，在保证输出波形不变坏的情况下，能尽可能的降低器件的开关次数，减少损耗，这对高频率的开关变流器是非常有意义的，所以提出了LVPWM（逻辑电压空间矢量脉宽调制技术）控制技术。
2 LVPWM控制技术原理分析
变流器的结构拓扑图如图1所示。图中负载可以代表一般的无源感性负载也可是三相有源负载即电网[2]。如果某一时刻变流器的电流流向如图中箭头方向所示，这里规定以流进A，B，C三点为负，流出A，B，C三点为正，即A，C相为正，B相为负。假设此时电路的VT1导通，VT2截止，VT3截止，VT4导通，VT5导通，VT6截止，即基本电压矢量为(101)。如果此时想要发基本电压矢量(001)信号，即给VT1发关断脉冲信号，而给VT2发开通脉冲信号时。由结构拓扑图可以知道，这时的VT1管能及时关断，而由于这时电流方向的缘故，此时下桥臂导通的应该是续流二极管VD2管，正是由于VD2的反向钳位作用，作用在VT2上的开通信号不能使VT2导通。虽然这时导通的不是VT2，而是VD2，但是可以知道这时的电压空间矢量已经变为了(001)。
图1 变流器结构拓扑图
上述是以三相桥臂中的A相为例来分析的，其实这些规律对于B，C相也都是适用的。从前面的分析可以得出，当变流器正在工作时，变流器中的有些管子即使在有开通触发脉冲的条件下也是不能立即开通的，它的开通条件还得必需由电流流动方向来决定。
基于上述的分析，可以得到变流器中某个器件是否导通应由SVPWM的调制信号与电流的流动方向共同来决定。我们把电流的逻辑控制技术与电压空间矢量调制技术结合起来的方法命名为LVPWM(逻辑电压空间矢量调制技术)。LVPWM调制技术中一条很重要的条件是要清楚电压与电流的相位关系。
下面先来分析一下变流器带无源三相对称感性负载时的情况。 三相变流器输出相电压为
，回路电流相量为
，假设外接的负载为等郊电阻R，电感L，电感L的电阻R上的相电压分别为
和
，三相变流器系统的单相等效电路及相量图如图2所示[3,4]。
（a）单相等效电路 （b）向量图
图2 单相等效电路及向量图
根据图2（b）可以求出阻抗角
(1)
式中
为电流的角频率，R，L分别是负载的电阻与电感。
SVPWM调制输出的相电压为鞍形波，它主要的谐波为三次谐波。当变流器带上一个感性负载时，由于谐波本身占的比例较小，加上三次谐波的阻抗较大，所以最后所产生的电流应该是比较接近于纯正弦的。
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。
结合图1与式2，设计LVPWM控制器的原则是——对于A相桥臂来说，只要在
>0的时候，始终封锁A相的下桥臂脉冲，而对于上桥臂脉冲进行正常的调制；反之在<0时，封锁A相的上桥臂。对于B相来说，只要在
>0的时候，始终封锁B相的下桥臂脉冲；反之当
<0时，封锁B相的上桥臂。对于C相来说，只要在
>0的时候，始终封锁C相的下桥臂脉冲，反之当
<0时，封锁C相的上桥臂[5]；
3 基于MATLAB/SIMULINK平台的LVPWM控制技术仿真分析
为了验证文中LVPWM原理分析的正确性与实用性，以MATLAB/SIMULINK为平台来搭建仿真模型，如图3所示。仿真参数设置如下：f=10HZ;中间直流母线电压Udc=540V;输出相电压幅值设为200V；负载为三相对称负载且为星形连接，负载电阻R1=R2=R3=1
，负载电感L1=L2=L3=1e-2H;阻容滤波电阻R4=R5=100；阻容滤波电容C4=C5=5e-6;
负载阻抗角：
； (3)
图3 LVPWM控制技术仿真图
图4为当
根据实际负载设为320的仿真波形。图5为当设定的角度为500大于实际的负载角的仿真形波，由下面两个仿真图可以发现当采用本文提出的LVPWM脉宽调制技术时，如果设定的负载角与实际的负载阻抗角一致时，这时系统所输出的电压，电流波形与采用SVPWM脉宽调制时是一样的，没有丝毫的变坏。而如果当设定的负载阻抗角与实际的不符合时，最后输出的波形就要发生了畸变了，波形的畸变程度与所设角与实际阻抗角的误差大小有关，具体如下所示：
(a)UAB线电压滤波后的波形 (b)A,B,C三相电流
图4设
时UAB线电压与A，B，C三相电流的波形图
(a)线电压滤形 (b)三相电流波形
图5 设
时UAB线电压与A，B，C三相电流的波形图
对于上述由于负载角度设置不对所引起的问题，这里可以采用测量负载功率的方法来推导出负载角的大小。在三相三线制电路中，不论对称与否，可以使用两个功率表的方法测量三相功率。这种方法习惯上称为二瓦计法。
由二瓦计法推导出图3的负载角，再重新对它进行建模仿真。仿真的结果如下所示，其中：图6为用二瓦计法推导出的负载角度与采用LVPWM调制法输出的三相负载电流波形图；图7为A相桥臂的触发脉冲信号（a为滤波前，b为 滤波后）。
(a)负载角度 (b)负载的三相电流波形
图6二瓦计法推出的负载角度与LVPWM调制输出的负载电流波形
(a)A相桥臂的触发脉冲 (b) A相桥臂滤波移相后的上下桥臂脉冲信号
图7 A相桥臂的脉冲信号与滤波后的触发脉冲信号
由图6(a)可以看出由二瓦计法算出的负载角度与实际的负载角度是相符的。当负载角度推导正确后，使用LVPWM脉宽调制的方法所得到波形与使用SVPWM脉宽调制得到的波形是一样的，如图6(b)所示。当负载发生变动时，由二瓦计法能快速准确的计算出实际的负载角来，反映在图7(b)中的上下桥臂的脉冲信号两段波形发生位移。从图7(b)中还可以看出A相桥臂的上下管的触发脉冲信号经过反相移位后刚好能够拼凑成一个完整的马鞍形波，这也与用SVPWM调制时所得到的马鞍形调制波一样。
分析比较图7(a)0.25s前后的两部分脉冲波形,可以得到LVPWM开关调制比SVPWM开关调制器件的开关次数能少一半。在采用LVPWM开关调制时IGBT管在一个周期内，只有半个周期是按正常的脉宽调制的，另外半个周期内的脉冲是被封锁的。
4 基于TMS320F2812芯片的LVPWM实验验证
为了验证本文提出的LVPWM调制方法的实用性，下面以TMS320F2812 DSP为控制芯片搭建一台47kW的变流器为实验平台[6]，带一个三相无源感性对称负载来进行实验验证，实验参数设置如下，负载：R=16
，L=0.1H，负载阻抗角
，采样周期Ts=0.0005s，F=10Hz，Udc=540V,Uref=30V。实验结果如图8所示。
（a）A相相电压波形图 (b) A相电流波形图
(注：图中CH1上的500mv对应20A电流)
图8 采用LVPWM调制方法时输出的A相电压与电流波形
图8(a)为三相变流器输出的其中一相A相电压波形，它与采用SVPWM调制时一样最后输出的电压波形都为马鞍形波。图8(b)为三相变流器输出的A相电流波形。由图8可以看出，当采用本文提出的LVPWM脉宽调制技术时，只要所设的负载阻抗角与实际的负载阻抗角一致时，电路最后输出的波形与采用SVPWM脉宽调制时输出的波形一样，没有受到丝毫的变化。由此，证明了LVPWM脉宽调制技术的正确性与实用性，由以上的分析还可以知道由于LVPWM调制技术可以减少器件的开关次数，减少损耗，这充分体现了此技术的优越性。
5 结束语
在变流器控制技术中，本文基于SVPWM控制技术的一些不足，提出了LVPWM控制技术并介绍了其原理。为了验证这种技术的正确性与有效性，建立了MATLAB/SIMULINK仿真试验平台，进行仿真试验。仿真结果表明，LVPWM控制技术是正确的和实用的。然后用型号为TMS320F2812的DSP芯片搭建一台47kW的变流器实验平台，再次证明LVPWM控制技术的正确性和有效性，为今后LVPWM控制技术在风电变流器中的大规模应用打下良好的基础。
参考文献:
[1] 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
[2] 罗勇,金新民,童亦斌.风力发电并网变流器直接功率控制研究[J].电气传动,2008,38(11):46-48.
[3] 郑颖楠,傅诚.电压型可逆变流器的控制策略现状与发展[J].电气传动,2001,06:3-6.
[4] 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 (C). 2003 IEEE 34th Annual Power Electronics Specialists Conference. Acapulco, NM, United states,2003:748~753.
[5] 魏士焕.双馈风电机组控制系统及变流器的研究[D].包头:内蒙古科技大学,2010,58-60.
[6] 苏奎峰.TMS320X281xDSP原理及C程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.