直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)三電平變流器控制策略研究

李 鋼，許湘蓮，苗 亞，王 舒，唐 侃

（1．武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢430070；2．國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106）

0 引 言

隨著石化能源等不可再生能源儲量的不斷減少，世界各國都加大了新能源發(fā)電的研究力度。風(fēng)能作為一種新型能源受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變速恒頻發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到成熟應(yīng)用。

相對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)省去了齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，其可靠性和效率都大為提高。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要全功率變流器，網(wǎng)側(cè)變流器為其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要作用是保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，穩(wěn)定直流電壓，實現(xiàn)無功功率獨立控制。

本文在MATLAB／Simulink軟件平臺上建立了三相三電平SVPWM網(wǎng)側(cè)變流器的仿真模型對數(shù)學(xué)模型和控制策略加以仿真驗證［1－3］，在仿真驗證后研制了實驗裝置，并在實驗裝置上進(jìn)行了實驗驗證。

1 電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

網(wǎng)側(cè)變流器采用二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渥兞髌饕呀?jīng)有成熟應(yīng)用。建立三電平SVPWM變流器數(shù)學(xué)模型是研究三電平變流器特性的基礎(chǔ)。為便于分析，利用狀態(tài)空間平均法消除開關(guān)函數(shù)不連續(xù)性的影響。經(jīng)過坐標(biāo)變換將交流分量等效成兩個直流部分，進(jìn)一步簡化計算。數(shù)學(xué)建模是控制器設(shè)計的基礎(chǔ)，并可以進(jìn)一步分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1所示為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的主電路［4］。

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器主電路

二極管箝位式三電平變流電路主電路如圖1所示，每一相橋臂有4個開關(guān)管和2個箝位二極管。Usa、Usb、Usc為電網(wǎng)三相輸入電壓，isa、isb、isc為電網(wǎng)三相輸入電流，Ls、Rs分別為輸入電感和線路交流等效電抗，C1、C2為直流側(cè)電容，udc1、udc2為電容電壓，iL為負(fù)載電流，電容中點與電網(wǎng)中點間電壓為uNO［4］。

根據(jù)基爾霍夫定律及狀態(tài)空間分解可得

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

建立網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型便可以設(shè)計變流器控制算法。在網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)作用是：維持直流母線電壓恒定，根據(jù)直流側(cè)電壓的大小決定變換器輸出功率的大小和方向。電壓外環(huán)輸出為電流內(nèi)環(huán)的給定信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使變流器的輸入電流能夠跟蹤電壓外環(huán)的輸出電流給定，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)的控制。

實現(xiàn)雙閉環(huán)控制方法主要有：三相靜止坐標(biāo)系的雙閉環(huán)控制方法、基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋解耦控制方法。

由于三相靜止坐標(biāo)系下電壓和電流存在耦合，不便于控制，通過Park變換可以得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。d軸上分量為系統(tǒng)輸入的有功電流，q軸上分量為系統(tǒng)輸入的無功電流。通過引入id、iq的前饋補償解耦控制實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器有功和無功分量的獨立控制。基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下前饋解耦控制方法的調(diào)節(jié)器設(shè)計簡便并且容易實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制［5］。

根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq系統(tǒng)模型，可以設(shè)計dq坐標(biāo)系下三相電壓型SVPWM整流器控制的電壓指令

式中，Kpi、Kii分別為電流環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖2所示為基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋解耦控制框圖。

圖2 基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋解耦控制方法

由圖2可知，基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋解耦控制思想為：電壓控制器和電壓反饋構(gòu)成電壓外環(huán)，電流控制器和電流反饋構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)。給定的直流側(cè)參考電壓和實際輸出電壓比較之后，經(jīng)電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到有功電流給定，其值決定有功功率大小，符號決定功率的流向。為實現(xiàn)單位功率因數(shù)，無功電流給定值設(shè)為0。將與主電路中測得的電流比較，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器后得到指令電壓。再由電網(wǎng)電壓和電感電壓的交叉分量前饋補償，得到電壓給定最后經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行SVPWM調(diào)制，得到控制三相三電平整流橋的控制脈沖，從而達(dá)到控制電流為正弦波且與電壓同相位的目的［6］。

3 中點電位平衡控制策略

在二極管箝位式三電平變流器中，直流側(cè)電容中點電位不平衡是其存在的固有問題。中點電位不平衡主要表現(xiàn)為中點電位的偏移和中點電位波動。

為了控制中點電位平衡，需要使一個開關(guān)周期內(nèi)中點電流為0，可引入中點平衡因子f。引入中點平衡因子后需重新分配7段式矢量作用時間，（1＋f）t0／4，t1／2，t2／2，（1－f）／2，t2／2，t1／2，（1＋f）t0／4。現(xiàn)引入一種基于PI調(diào)節(jié)的方法來產(chǎn)生中點平衡因子，能夠避開電壓、電容等參數(shù)的計算，中點平衡因子的計算如式（6）所示：

式中，Udc1和Udc2分別為上、下橋臂電壓；Ti為可變積分時間常數(shù)。

實際的調(diào)節(jié)因子受幅值限制，其絕對值必須小于1，在調(diào)節(jié)PI參數(shù)時需要將f的取值范圍限制在（－1，1）之間［7］。

4 仿真與實驗驗證

為驗證數(shù)學(xué)模型和控制策略，論文搭建了基于MATLAB／simulink軟件平臺的仿真模型。

參數(shù)設(shè)置如下，交流線電壓有效值：690 V；直流電壓：1 100 V；交流電壓頻率：50 Hz；開關(guān)頻率：1 050 Hz；濾波電感L＝0．8 mH。

為了模擬實際中電容不平衡情況，將直流側(cè)穩(wěn)壓電容設(shè)為C1＝8 000μF，C2＝7 960μF；負(fù)載R＝2．5Ω。

圖3為變流器直流輸出電壓。可以看出在3個工頻周期后直流電壓達(dá)到穩(wěn)定值1 100 V。

圖3 變流器輸出直流電壓

圖4為添加中點平衡控制算法后中點電位波形，從圖中可以看出該平衡控制算法能有效地消除中點電位偏移，并減小了中點電位波動。

圖4 添加中點平衡控制前后中點電位波形

圖5所示為實驗驗證波形。圖中從上到下依次為AB線電壓，上、下橋臂電壓，A相電流。實驗波形AB線電壓波形為5電平波形，上、下橋臂電壓沒有偏移只有小幅波動。

圖5 實驗驗證波形

由實驗可知，基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋解耦控制方法在三相SVPWM整流系統(tǒng)中有良好的控制性能。使用該方法可獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。同時，在電容不平衡的情況下，文中中點平衡算法可有效消除中點電位偏移，并在一定程度上抑制中點電位波動。

5 總 結(jié)

實際應(yīng)用中，直流側(cè)電容會存在一定誤差，電容值的偏差會導(dǎo)致中點電位的不平衡，從而影響變流器的電能質(zhì)量。在仿真中，變流器工作狀態(tài)能夠在3個工頻周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。變流器穩(wěn)定運行時，直流電壓可以保持在1 100 V；變流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓和電流同相位，實現(xiàn)了單位功率因素控制；中點平衡控制算法可以有效消除中點電位偏移，并把中點電位波動限制在正負(fù)20 V以內(nèi)。

［1］ 張 興，張崇巍．PWM整流器及其控制［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［2］ 張新燕，王維慶．大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機及其并網(wǎng)運行研究［J］．太陽能學(xué)報，2008，29（4）：412－416．

［3］ 李建林，朱 穎，胡書舉，許洪華．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大功率變流器的應(yīng)用［J］．高電壓技術(shù)，2009，35（1）：169－174．

［4］ 李 翀，王明渝．直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)箝位式三電平變流器的控制和仿真［J］．華北電力，2010，38（9）：1399－1404．

［5］ 許湘蓮．基于級聯(lián)多電平逆變器的STATCOM及其控制策略研究［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2006．

［6］ 周京華，賈 斌，章小衛(wèi)，等．混合式三電平中點電位平衡控制策略［J］．中國電機工程學(xué)報，2013，33（024）：82－89．

［7］ 張 曄，湯鈺鵬，王文軍．三電平逆變器空間矢量調(diào)制及中點電位平衡研究［J］．電氣傳動，2010，40（2）：33－36．