基于雙PWM變換器的永磁直驅風電系統協調控制

劉 波 金 昊

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

基于雙脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)變換器的永磁直驅風力發電系統，當風速變化時，永磁發電機輸出功率隨之改變，如果對雙PWM變換器中的機側和網側變換器進行分別控制，雙PWM變換器直流側電壓會隨之變化而出現大幅波動，影響系統的穩定運行。因此，在風電機組運行中減小直流側電壓波動是雙PWM變換器控制的關鍵[1,2]。文獻[3,4]在電壓、電流雙閉環控制的基礎上采用機側變換器電流前饋的控制方法，實現發電機功率變化直接改變網側變換器電流控制內環的給定值，而不影響直流側電壓，但是機側變換器電流是隨開關狀態變化的不規則脈動波，對其采樣比較困難，而且需采用低通濾波器得到其平均值，降低了系統的動態響應速度。文獻[5,6]通過將機側瞬時有功功率直接前饋到網側瞬時有功功率控制環輸入端，避開了電壓環對功率的間接、滯后調節，加快了系統的響應速度，減小了功率擾動的干擾，有效抑制了直流側電壓的波動。經深入分析，在功率前饋通道中加入補償環節可進一步減小或抵消功率擾動對直流側電壓的影響，提高前饋控制的效果。為此，筆者提出功率前饋補償的協調控制策略。

1 雙PWM變換器直流母線電壓波動機理①

基于雙PWM變換器的永磁直驅風電系統結構如圖1所示。

圖1 基于雙PWM變換器的永磁直驅

由圖1可見，永磁直驅風電系統運行中PMSG輸出的瞬時有功功率ps隨風速變化并經機側變換器饋入直流側，若忽略機側和網側變換器的功率損耗，則機側變換器輸出功率與發電機輸出功率相等，即為ps；直流側經網側變換器與電網之間的瞬時有功功率為pg；當風速變化時，ps隨之變化，若pg不能及時跟蹤其變化，多余的能量將由直流側電容器吸收或釋放，使直流電壓產生波動，這就是造成直流側電壓不穩定的主要原因。

若能實現風速變化時發電機輸出的有功功率經雙PWM變換器及時饋入電網，保持網側瞬時有功功率與電機側瞬時有功功率動態平衡，則可使機組運行中直流側電容充、放電功率變化很小，即可維持直流側電壓的穩定。因此，筆者對網側變換器采用直接功率控制，并提出將發電機側瞬時有功功率ps直接前饋于網側瞬時有功功率控制回路給定值處，避開電壓外環對pg的間接調節，使pg及時跟蹤ps的變化，抑制直流側電壓的波動，從而構成網側變換器直接功率前饋協調控制策略。

2 雙PWM變換器控制策略

2.1 直接功率解耦控制

根據雙PWM變換器的永磁直驅風電系統結構及其運行原理，對網側變換器的控制而言，可將機側變換器與PMSG視為一個整體且作為網側變換器負載，則網側變換器的整體結構如圖2所示。

圖2 網側PWM變換器的整體結構

對圖2電路進行分析，建立了網側變換器在d、q同步旋轉坐標系下的功率數學模型[7,8]：

(1)

式中egd——三相電網電壓ega、egb和egc的d軸分量；

p、q——網側變換器瞬時有功功率和無功功率；

pfz——負載瞬時功率；

urd、urq——網側變換器輸入電壓ura、urb和urc的d、q軸分量；

ωe——網側電壓、電流角頻率。

根據式(1)，采用PI控制器控制有功功率和無功功率，并考慮各自的耦合項，可得出網側變換器有功功率和無功功率解耦控制器模型：

(2)

式中Kpq、Kiq——無功功率控制環控制器的比例系數和積分系數；

Kpp、Kip——有功功率控制環控制器的比例系數和積分系數；

p*、q*——有功功率和無功功率的給定值。

綜合式(1)、(2)，便可實現網側變換器有功功率和無功功率的解耦控制[9～11]，控制回路結構如圖3所示。

圖3 網側變換器功率解耦控制回路結構

2.2 負載功率前饋控制

永磁直驅風電系統雙PWM變換器直流側電壓的穩定程度主要取決于網側變換器有功功率控制回路對負載功率擾動的控制作用。為了使網側有功功率及時跟蹤負載有功功率的變化，有效抑制直流側電壓波動，將負載功率直接前饋于有功功率控制回路輸入端，指導網側變換器有功功率的調節，協調變換器兩側瞬時功率平衡[5,12～16]。其控制系統的結構如圖4所示。

圖4 網側PWM變換器負載功率前饋控制結構

圖4中，虛線箭頭方向表示功率前饋控制前向通道，根據控制原理可得功率前饋控制前向通道傳遞函數為：

(3)

式中Kp、Ki——功率前饋控制前向通道控制器的比例系數和積分系數。

而擾動通道的傳遞函數為：

GR(s)=-1

(4)

根據擾動通道與前饋控制通道的關系，結合前饋控制作用，負載功率擾動的總傳遞函數為：

(5)

由此可見，對負載功率擾動的控制效果取決于傳遞函數G(s)，為了進一步減小擾動的影響，可以使負載功率擾動的總體作用為零。為此，在功率前饋通道中增加一個環節Gf(s)，對功率前饋控制通道進行補償，使前饋控制徹底抵消負載功率的擾動，系統結構如圖5所示。此時負載功率前饋控制通道傳遞函數為：

(6)

圖5 具有補償環節的負載功率前饋控制結構

則負載功率擾動的總傳遞函數為：

(7)

當負載功率變動時，Gf(s)環節對前饋控制通道進行補償，抵消負載功率擾動對直流側電壓的擾動。直接功率控制環取代了電流控制內環，減少了坐標變換的次數，提高了控制運算的響應速度，簡化了系統設計。對電壓控制外環也采用PI控制器，則網側變換器直接功率前饋控制結構如圖6所示。

圖6 網側變換器直接功率前饋控制系統結構

3 仿真驗證

為驗證永磁直驅風電機組雙PWM變換器負載功率前饋補償控制策略的控制效果，筆者采用MATLAB/Simulink 軟件工具分別對具有前饋補償和不具有前饋補償的兩種策略在負載功率變化時的控制特性進行對比仿真，結果如圖7、8所示。

圖7 直流側電壓仿真波形

圖8 a相電壓、電流仿真波形

在0.6s時網側變換器的負載突變增加100%，由圖7可以看出，負載功率擾動經前饋補償控制，直流側電壓突變峰值減小，不出現振蕩，逐漸調節為給定電壓。圖8中，負載突變時，網側電壓仍能保持與對應相的電流同相位，說明這種前饋補償控制策略沒有影響無功功率的調節，同時進一步改善了直流側電壓的穩定的控制效果。

4 結論

4.1為減小風電機組運行中雙PWM變換器直流側電壓波動，提出對網側變換器的有功功率采用發電機側瞬時功率(負載功率)前饋控制策略，實現了雙PWM變換器輸入輸出功率的協調控制，同時加快了系統的響應速度，有效減小了直流側電壓的波動。

4.2為加強前饋控制對負載功率的抵消作用，提出在負載功率前饋通道中加入補償環節，進一步提高了前饋控制效果。

4.3MATLAB/Simulink仿真結果證實了所提控制策略的正確性和有效性。