直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)變流器的控制策略研究

侯圣語 張 豪

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)變流器的控制策略研究

侯圣語 張 豪

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

針對電網(wǎng)電壓定向方法易受電網(wǎng)電壓畸變的影響，采用虛擬電網(wǎng)磁鏈獲取電網(wǎng)電壓角度，省去了電網(wǎng)電壓傳感器。同時采用一種固定開關頻率的直接功率控制方法，實現(xiàn)有功功率和無功功率的單獨調(diào)節(jié)，簡單易行。最后在Matlab/Simulink平臺上搭建了網(wǎng)側(cè)仿真模型。仿真結(jié)果表明，該控制方法可實現(xiàn)有功功率、無功功率的動態(tài)解耦以及單位功率因數(shù)運行，達到了對系統(tǒng)的控制目標。

脈沖寬度調(diào)制 變流器 虛擬磁鏈 風力發(fā)電 直接功率控制 Matlab仿真

0 引言

目前風力發(fā)電領域常用的兩種系統(tǒng)是雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)。直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)因其具有直驅(qū)、可靠性和效率高等優(yōu)點而逐漸成為風力發(fā)電領域的主流［1］。由永磁發(fā)電機輸出的交流電需要經(jīng)過全功率變流器轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，因此在功率逐漸增大的趨勢下，所需的全功率變流器的容量隨之增大。為解決現(xiàn)有功率器件耐壓等級不夠的問題，本文采用了三電平中性點鉗位(neutral point clamped，NPC)變流器拓撲結(jié)構(gòu)。

1 虛擬磁鏈的原理及估算

基于電網(wǎng)電壓定向的控制方式以檢測或估計電網(wǎng)電壓為前提，計算電網(wǎng)電壓定向角。該方式容易受到電網(wǎng)電壓波動的影響，而基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的控制方式具有較強的抗干擾性。

1.1 虛擬磁鏈的原理

網(wǎng)側(cè)PWM變流器的示意圖如圖1所示［2］，其中，ea、eb、ec分別為三相電網(wǎng)相電壓;L、R分別為三相進線電抗器的電感和電阻;Udc為直流側(cè)母線電壓。

圖1 網(wǎng)側(cè)PWM變流器示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid-side PWM converter

系統(tǒng)與逆變器供電的三相交流電機定子電路具有很大的相似性。連接網(wǎng)側(cè)PWM變流器的電網(wǎng)相電壓相當于三相交流電機的氣隙磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應電動勢，而進線電抗器的電感和電阻分別相當于三相交流電機定子繞組的漏感和電阻。這樣，我們可以把網(wǎng)側(cè)PWM變流器看作一臺由逆變器供電并以同步角速度恒速運行的同步電機，其定子電阻和漏感分別為R和L。

忽略進線電感和線路的電阻R時，在α-β坐標系下的網(wǎng)側(cè)PWM變流器的電壓方程為:

對式(1)、(2)的兩邊進行積分得:

1.2 三電平變流器虛擬磁鏈的估算

根據(jù)式(7)、(8)給出的虛擬磁鏈的構(gòu)成可知，虛擬電網(wǎng)磁鏈可以看作由變流器交流側(cè)磁鏈和電感上的磁鏈構(gòu)成，而變流器交流側(cè)電壓可以用開關函數(shù)和檢測到的直流母線電壓計算得出［4-5］。從式(7)、(8)還可以看出，完成虛擬磁鏈的估算需要計算出vgα、vgβ和電流iα、iβ的值。根據(jù)三電平整流器的數(shù)學模型進行電壓的計算，交流側(cè)電壓計算公式為:

式中:Sip、Sin為第i相橋臂分別輸出高、低電平的開關函數(shù)值;i=a，b，c。

由式(14)可以看出，三電平電壓重構(gòu)需要兩個直流母線電壓Vdc1和Vdc2以及12個開關脈沖。以a相橋臂為例，需要用到Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn。采用該估算方法首先需要采集12個脈沖，然后經(jīng)過編程進行辨識，具體判斷Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn的值，例如在 1、2、3、4 脈沖中，若判斷出脈沖 1、2 為高電平，脈沖 3、4為低電平，則模型輸出Sap=1、San=0。其他相橋臂需要采集5～12脈沖進行判斷，最后計算功率。

2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的主要控制目標是保持直流母線電壓穩(wěn)定、控制交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)、抑制電網(wǎng)輸入諧波電流。因此，對網(wǎng)側(cè)變流器需要采用雙閉環(huán)控制，分別為直流電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)。直流母線電壓的穩(wěn)定取決于變流器輸入輸出有功功率之間的平衡，而直流電壓外環(huán)的控制目標是調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)有功功率指令跟蹤負載的變化，同時調(diào)節(jié)交流側(cè)無功功率實現(xiàn)交流側(cè)功率因數(shù)的控制。

2.1 虛擬磁鏈定向瞬時功率計算

忽略進線電感和線路電阻的影響，網(wǎng)側(cè)電壓方程可表示為:

瞬時有功、無功功率可分別表示為電網(wǎng)電壓空間矢量和變流器輸入電流空間矢量共軛的乘積的實部與虛部［6］，即:

為計算簡化起見，忽略電路中等效電感的影響，則電網(wǎng)電壓可表示為:

則由式(20)可得到有功功率和無功功率的表達式為:

由于三相對稱正弦電路虛擬磁鏈的微分值等于零，因此瞬時有功功率和無功功率的表達式為:

2.2 直接功率控制算法

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標是控制直流母線電壓穩(wěn)定并調(diào)節(jié)并網(wǎng)的有功功率和無功功率［6-7］。因此需要對網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制，即直流電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)。直流電壓外環(huán)控制直流母線電壓穩(wěn)定，在控制時把采樣到的直流母線電壓udc與給定值u*dc相比較，然后將比較偏差值通過PI調(diào)節(jié)器得到有功電流參考值。參考電流值與直流母線電壓相乘后得到有功功率參考值p*。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，無功功率參考值設定為零。功率內(nèi)環(huán)直接以有功功率和無功功率作為控制對象，將由虛擬磁鏈和網(wǎng)側(cè)電流計算得到的瞬時有功功率和無功功率分別與相應的給定值相比較;然后將偏差送給功率PI調(diào)節(jié)器，通過坐標變換得到交流側(cè)電壓參考信號;再將該信號送給空間矢量調(diào)制模塊得到所需的開關信號。三電平變流器基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制框圖如圖2所示。

圖2 采用虛擬磁鏈定向的三相變流器SVM-DPCFig.2 Three-phase VSR with virtual flux oriented SVM-DPC

3 并網(wǎng)變流器控制策略的仿真

圖3 并網(wǎng)變流器的仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of grid-connected converter

圖3(a)、3(b)為變流器交流側(cè)的三相相電流波形。由于采用虛擬磁鏈定向的初始角度不確定，會出現(xiàn)過大的沖擊電流，所以在變流器啟動之前，需要通過對電網(wǎng)電動勢進行積分，以便得到準確的虛擬電網(wǎng)磁鏈初始定向角。從電流的局部放大波形可以看出，文中所采用的控制算法實現(xiàn)了對變流器交流側(cè)輸入電流正弦化的控制。

圖3(c)為a相電壓波形和電流波形，從圖中可以看出電壓和電流的相位是相同的，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制。

圖3(d)為直流母線電壓的輸出波形，通過直流電壓外環(huán)的控制，保證了直流電壓的穩(wěn)定。

圖3(e)和3(f)為功率內(nèi)環(huán)有功和無功功率的給定和反饋量的輸出波形。

圖3(g)為a相電流的頻譜特性，從圖中可以看出所采用的三電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略實現(xiàn)了變流器交流側(cè)電流低諧波含量輸出。仿真結(jié)果表明，采用虛擬磁鏈定向的直接功率控制策略對三電平變流器具有良好的控制效果。

4 結(jié)束語

虛擬磁鏈定向具有抗電網(wǎng)電壓擾動以及可以省去電網(wǎng)電壓傳感器的優(yōu)點，所以并網(wǎng)變流器采用了虛擬磁鏈定向，并且將直接功率控制方法應用于并網(wǎng)變流器的控制中，通過直接控制有功功率和無功功率來得到單位功率因數(shù)的并網(wǎng)電能。并網(wǎng)變流器的控制策略為直流電壓外環(huán)和有功功率、無功功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，通過所搭建的Matlab/Simulink仿真模型驗證了所采用的控制策略是正確的。

［1］王波，宋金梅，方蒽，等.基于最佳葉尖速比的最大風能跟蹤在永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中的實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2009，46(9):82-86.

［2］宋金梅.永磁直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制策略研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2010.

［3］羅勇.風力發(fā)電并網(wǎng)變流器直接功率控制研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

［4］郭孝園.三電平直接功率控制系統(tǒng)研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2009.

［5］張穎超，趙爭鳴，張永昌，等.用于三電平脈寬調(diào)制整流器中的虛擬磁鏈［J］.清華大學學報:自然科學版，2009，49(1):21-24.

［6］王志業(yè)，張傳金.直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器研究［J］.電測與儀表，2011，48(11):45-48.

［7］ ChinchiliI A，Arnaltes S，Burgos J.Control of permanent magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid［J］.IEEE Traps on Energy Conversion，2006，21(1):130-135.

Study on Grid-connected Converter Control Strategy for Direct-driven Wind Generation System

The orientation method of the grid voltage is easily affected by distortion of the grid voltage，thus by adopting virtual grid flux the angle of grid voltage is obtained eliminating the sensor of grid voltage.In addition，the direct power control method using fixed switching frequency is used to implement active power and reactive power being adjusted individually.The grid side simulation model is established on Matlab/Simulink platform.The simulation result shows that this control method realizes dynamic decoupling for active power and reactive power，and the unity power factor operation can be achieved to meet the control target of the system.

Pulse Width Modulation(PWM)Converter Virtual flux Wind power generation Direct power controlMatlab simulation

TM614

A

修改稿收到日期:2012-06-01。

侯圣語(1987-)，男，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學電力電子與電力傳動專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事風力發(fā)電技術(shù)的研究。