网侧变流器电压定向矢量控制系统优化方案

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：由式，忽略电阻时可得将式代入式得式表明，调节网侧电压矢量ugd和ugq，可以调节变流器从电网吸收的有功功率和无功功率，从而使变流器在不同的有功和无功下实现四象限运行。图8.14 基于d轴电网电压定向的网侧变流器电压、电流闭环控制系统

1.网侧变流器按电压定向控制

将同步旋转dq坐标系的d轴定向在电网电压矢量u_s的方向上时，如图8.13所示，有u_gd=u_s，u_gq=0。

在同步旋转dq坐标系上，u_gd、u_gq和i_gd、i_gq都是直流，电网电压矢量u_s的幅值，因此式（8.29）可写为

图8.13 网侧变流器稳态电压矢量

2.网侧变流器按电压定向控制的稳态特性

在变流器稳态运行时，方程式（8.31）各导数项为0，若忽略电阻R_g，可得同步旋转坐标系上网侧变流器的方程为

式中，v_d=S_dU_dc，v_q=S_qU_dc，有

即

根据电压空间矢量调制原理，如果不作过调制，在幅值守恒原则变换下有

因此

在i_gd、i_gq为0时，U_dc=3U_g，即电容电压为网侧线电压。若网侧变流器输入交流电中包含超前分量（i_gq>0），则直流母线电压U_dc较高，若网侧变流器输入交流电中包含滞后分量（i_gq<0），则直流母线电压U_dc较低。当网侧功率因数为1时（i_gq=0，θ_g=0），输出负载电流i_g越大，要求的直流母线电压越高，即使空载，直流母线电压也不会低于交流侧电网线电压幅值，因此需要由Boost电路升压。(https://www.chuimin.cn)

按发电机原则规定的电流正方向和幅值恒定的坐标变换原则，网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率分别为

在d轴定向于电网电压矢量的同步旋转坐标系上，忽略损耗，则有

式（8.36）表明，在功率以向电网输出为正方向时，P_g<0，表示网侧变流器工作于整流状态，电能从网侧流向电容C，P_g>0，表示网侧变流器工作于逆变状态，电能从电容C回馈到网侧；而Q_g>0，表示网侧变流器呈容性，从电网吸收超前的无功功率，Q_g<0，表示网侧变流器呈感性，从电网吸收滞后的无功功率。

忽略各种损耗后，网侧变流器直流侧和交流侧有功功率平衡关系为

当交流侧输入的功率P_g大于直流侧负载消耗的功率P_load时，多余的功率会使直流母线电压升高，反之则使之降低，因此只要能控制交流侧输入的有功功率就可以保持直流母线电压的稳定。由式（8.32），忽略电阻时可得

将式（8.38）代入式（8.36）得

式（8.39）表明，调节网侧电压矢量u_gd和u_gq，可以调节变流器从电网吸收的有功功率和无功功率，从而使变流器在不同的有功和无功下实现四象限运行。

3.基于d轴电网电压定向的网侧变流器控制系统

基于d轴电网电压定向的网侧变流器电压、电流闭环控制系统如图8.14所示。图中，检测网侧交流电压u_ga、u_gb、u_gc和电流i_ga、i_gb、i_gc，经坐标变换得到dq坐标系上的电压u_gd、u_gq和电流i_gd、i_gq，系统用锁相环PLL检测电网电压定向角φ，用于坐标系的旋转变换。系统的控制目标是直流侧电压U_dc和交流侧功率因数，因此以直流侧电压为给定值U^∗_d_c，U^∗_d_c与实测电容电压U_dc比较，经电压调节器（AUR）得到保持电容电压不变时的变流器交流侧电流的给定值i^∗_g_d′，由式（8.37），从功率平衡要求变流器输出侧的电流为，变流器交流侧d轴电流给定为。变流器交流侧q轴电流给定i_g^∗∗可根据对无功功率的给定要求设定[见式（8.36）]。系统的电流内环根据i_g^∗∗、i_g^∗∗调节变流器交流侧电压的dq轴分量，并对v_d^∗∗和v_q^∗∗进行了进线电感L_g的交叉电压补偿[见式（8.31）]。以v_d^∗∗v_q^∗∗经SVPWM控制网侧变流器开关，使网侧变流器交流侧三相电压和电流按转子侧变流器对电流i_load的要求和交流侧无功的要求进行调节。

图8.14 基于d轴电网电压定向的网侧变流器电压、电流闭环控制系统

网侧变流器电压定向矢量控制系统优化方案

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