小型永磁直驅風力發電并網變流器的控制方法

蔡逢煌 ，蘇寧煥 ，陳道模

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州350108;2.漳州科華技術有限公司 博士后工作站，福建漳州363000）

引言

風能是不可控的隨機能源，風力發電并入電網前必須采用變流裝置進行控制。隨著風力發電技術的不斷發展，永磁直驅式風力發電系統因其維護成本低、噪聲小表現出其獨特的優勢，近年來得到迅猛發展。典型的直驅型風力發電系統的主電路拓撲一般為：風力機與永磁同步發電機直接相連，通過三相不控整流器整流成直流，該直流進行Boost升壓后進行逆變并網。針對這種變速恒頻的直驅式風力發電系統，網側變流器是連接發電機和電網的核心元件，對其控制策略的研究尤其重要[1]。文獻[2]采用單周期控制實現Boost電路的控制，但是其控制目標是Boost電路的輸出電壓，這樣使得后級的逆變器的電流控制比較困難，并網電流大小不好確定，而且前后控制容易產生“共振”，導致系統失控。

本文主要分析了Boost變換器和并網逆變器前后兩級控制之間的耦合關系，采用雙環控制方法避免了前后算法的耦合影響。Boost變換器采用PI算法實現均流控制，并網逆變器采用無差拍控制實現電流的并網。利用PSIM軟件對算法進行仿真，并試制了3.5 kW的樣機進行測試，給出了實際樣機控制的波形。

1 單相風力發電并網變流器的控制拓撲

如圖1所示，系統為三級式主電路拓撲，風力發電機輸出三相交流電經過三相二極管整流后，送到交錯Boost升壓單元，經過Boost控制后，再通過單相并網逆變器和LC濾波后并入電網。采用這樣的主電路結構能很好地解決低風速時的風力發電機的并網問題。當風速較低的時候，風機轉動較慢，由于風機與發電機是直接耦合的，中間沒有采用增速齒輪箱，因此發電機輸出的電壓比較低，在中間加入直流升壓環節后，整流后得到低的直流電壓通過直流升壓就可以在系統的直流側獲得較高的直流電壓，滿足逆變電路的正常工作，使得系統可以在風速較低時也能將電能送入電網。

風電并網逆變器采用基于DSP的全數字控制。由于母線電壓Udc即受到Boost電路的控制，也受到后端逆變電路的影響，前后控制量之間存在耦合影響。本文采用的控制方法為：前端Boost電路以電流為控制目標，后端逆變器以母線電壓為控制目標。這樣把前后耦合的控制量解耦，簡化了控制器結構分析和控制算法的實現。

2 Boost升壓電路控制分析

考慮到并網型風電機組中Udc由網側逆變器控制，因此Boost升壓電路通過調節輸入電流Idc，即可調節發電機負載轉矩，從而控制并網功率的大小，實現最大功率跟蹤。不難發現，被動整流拓撲性能的好壞、機組的穩態和動態性能都與Boost升壓電路的電流控制密切相關。

為增加輸出功率，減小總電流紋波，升壓斬波器采用兩重交錯并聯結構[3]。兩重交錯并聯后，總電流紋波的脈動頻率變為單重電流的2倍，也就是輸出為兩倍于不移相時的開關頻率。總電流紋波恒小于單重電流紋波。

理想情況下，雙Boost電路電流相等，均等于輸入總電流的一半，但受器件參數及控制的差異的影響，雙路電流不可能完全一致，而不一致的電流有可能導致其中一路因負荷過大損壞，從而將全部負荷加到另外一路上，導致兩路Boost電路全部損壞。因此對雙Boost電路的控制，必須加入電流環的控制，達到均流控制。

考慮控制目標和均流的要求，對Boost電路采用雙環的控制策略，外環為最大功率跟蹤控制環，該環輸出為Boost環的給定輸出電流。內環為電流環，實現均流控制，控制框圖如圖2所示。從控制環看，雙路的控制算法一致，只是調制載波交錯，為簡化起見，只對一路Boost電路進行分析，另外一路類似。

圖2 兩重Boost控制示意圖

圖3 Boost等效電路圖

對圖2單路Boost電路進行分析，圖3為等效電路圖。其中L1為理想電感，R為線路電阻及L1寄生電阻的總和。 對于由 L1，V5，VD1，C2組成的 Boost電路滿足理想Boost電路的工作條件，有

而對于輸入電流的平均值有

將式(2)代入式(1)可以得到

從式(3)可以看出，在 Uin，UO一定的情況下，占空比D和輸入電流的平均值iˉL成線性關系，因此，通過控制占空比，可以控制輸入電流的平均值，從而控制Boost電路的輸入功率，進而控制發電機的輸出功率。由于R值較小，且不可測量，因此，通過閉環的控制方式，可以實現電流指令的跟蹤，從而避免使用到這些參數。

升壓斬波器采用PI閉環實現對電流的跟蹤控制。反饋控制量的表達式如下：

兩路BOOST并聯運行，單重電流指令為總電流的一半，各單元輸出脈沖相位上應互錯π，對應時間,TS為開關周期。通過調節PI系數，系統性能指標可以滿足均流控制的要求。Boost電路控制的穩定性與控制參數kp，ki、時間常數以及系統穩態運行點有關，通過設定時間常數為0.2 s，考察kp，ki對Boost環節穩定性的影響，可以最終選定控制參數，具體方法參照文獻[4]。

3 逆變電路控制分析

逆變部分為雙環控制，外環為直流電壓環，用以穩定母線電壓，采用PI控制；內環為功率環，采用無差拍控制，有功功率給定值Iref*由直流電壓閉環給出。在目前已有的電流控制方法中，無差拍控制方法具有對外部干擾響應速度快，控制過程無過沖的特點。因此，將其應用到兩級式單相風力并網發電系統逆變器的控制中，以提高逆變器抗干擾能力[5-7]。無差拍控制根據給定電流和檢測的實時電流、電網電壓計算出PWM占空比，PWM經過隔離放大后直接驅動逆變器，實現并網電流跟蹤電流給定。

圖4 逆變電路控制框圖

圖5 逆變部分等效電路圖

3.1 無差拍控制算法分析

L3，L4可以等效成L線上的電感，電感值為（L3+L4），分析端口電壓和電感電流的關系，從圖4可以得到：

對式(5)在開關周期Ts內進行離散化，可以得到在第k點的表達式：

圖1 所示的主電路，在交流輸出的正半個周期，1,4導通，從直流母線側看，為一個Buck電路，逆變輸出的端口電壓滿足如下關系：

此時，采用單極性調制方式，4管常開，通過控制1管占空比D，可以得到逆變器的端口電壓Uinv；負半波原理類似。將式(7)代入式(6)可以得到：

用k+1時刻給定的電流指令值i*L（k+1）代替k+1時刻的電流值，可以求出第k時刻的占空比D（k），從而去控制逆變器，就可在第k+1時刻跟蹤上電流指令值[8,9]。

3.2 無差拍控制算法仿真

根據圖(4)的控制框圖，建立PSIM仿真平臺下的單相單級式風力發電并網系統仿真電路圖[10]。無差拍控制算法由動態鏈接庫DLL模塊實現。仿真參數為：電網電壓有效值220 V，電網頻率50 Hz，輸出濾波電感L=2.3 mH，電容C=66 μF，功率管開關頻率fs=16 kHz，給定電流15 A。圖7為并網輸出電流仿真結果，可以看出，算法滿足系統的性能指標要求。

圖6 無差拍算法仿真圖

4 樣機實驗

實驗采用TI公司的TMS320F2812 DSP為控制芯片，試制了3.5 kW的單相單級式并網型風力發電系統，樣機的主要參數如下：濾波電感：2.3 mH，濾波電容：66 μF，功率管開關頻率及DSP采樣頻率均為16 kHz。設定輸出功率2 kW。Boost電路的電流波形如圖8所示，曲線3為Boost總電流，曲線1,4為Boost兩個支路電流。并網電流靜態波形如圖9所示，曲線3為Boost總電流，曲線2為市電電壓，曲線4為并網電流，此時并網電流總諧波失真度(THDi)為3.3%，功率因數為0.996，滿足并網發電要求。并網電流動態波形如圖10所示，通過調節直流穩壓器改變BOOST輸入電壓，并網電流經過400 mS后穩定在一個新值，表明控制器能夠在輸入擾動情況下，按照最大功率跟蹤的給定電流穩定地把電能回饋到電網。

圖7 并網電壓和電流仿真波形

圖8 Boost電流波形

圖9 并網電流穩態波形

圖10 并網電流動態波形

5 結語

變流器的控制是風力并網發電的核心部分之一。本文對Boost級和逆變級分別采用雙環控制。Boost級的內環為電流控制環，外環為電流給定環(由MPPT算法給定)。逆變級的內環為電流控制環，外環為母線電壓穩壓環。通過這種結構實現前后兩級控制的簡化。3.5 kW樣機實驗表明了該方法的可行性。

[1]何勝，孫旭東，柴建云，等.戶用小型風力發電系統的并網運行控制[J].清華大學學報(自然科學版)，2009,49(4):477-480.

[2]楊存祥，解豪杰，朱琛，等.直驅型風電系統單周期控制的并聯Boost PFC變換器分析與設計 [J].低壓電器，2010,(17):32-35.

[3]Yang CW,Liang H,Jiang J C.Modeling and simulation of AC-DC-AC converter system for MW-level direct-drive wind turbine grid interface [C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2006:1-4.

[4]耿華，許德偉，吳斌，等.永磁直驅變速風電系統的控制及穩定性分析[J].中國電機工程學報，2009,29(33):68-75.

[5]張超，王章權，蔣燕君，等.無差拍控制在光伏并網發電系統中的應用[J].電力電子技術，2007,41(7):3-5.

[6]Mengchao Ma,Peng Li.Study on Deadbeat Control Strategy for Grid-connected Distributed Generation System[A].Deregulation and Reconstruction and Power Technologies 2008[C].Nanjing,2008:2553-2557.

[7]Qi Chunqing,Yang Yong.Deadbeat Decoupling Control of Three-phase Photovoltaic Grid-connected Inverters[A].Internation Conf.on Mechatronics and Automation 2009[C].Changchun,2009:3843-3848.

[8]張超，王章權，蔣燕君，等.無差拍控制在光伏發電系統中的應用[J].電力電子技術，2007，41(7):3-5.

[9]A Papathanassiou,S A Papathanassiou,S N Manias,et al.Current Control of a Voltage Source Inverter Connected to the Grid VIA LCL Filter[A].PESC’07[C].Orlando,FL,United States,2007:2379-2384.

[10]鄭必偉，蔡逢煌，王武，等.單級光伏并網系統電流控制的仿真與實驗研究[J].電力電子技術,2010,44(11):1-3.