直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的控制策略研究

王紅君，趙東華，趙 輝，2，岳有軍

(1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津農(nóng)學(xué)院，天津300384)

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，風(fēng)力發(fā)電在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中占有越來(lái)越重要的地位，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1-4]。在眾多發(fā)電系統(tǒng)中，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于沒有齒輪箱，具有更高的效率和可靠性，因而成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)逆變器是一個(gè)重要的核心元件，連接著發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)，因此，對(duì)于網(wǎng)側(cè)逆變器的控制能夠直接影響直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在目前的控制系統(tǒng)中，大多采用了基于PWM技術(shù)和電網(wǎng)電壓合成矢量定向的控制策略，通過(guò)對(duì)電流的直接控制實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)及有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。PI控制方法物理意義清晰，易于實(shí)現(xiàn)，又具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性，因而在逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用[5-8]。但是其控制參數(shù)難以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)并且諧波畸變率較大，因此本文在常規(guī)PI控制的基礎(chǔ)上，提出了一種模糊自適應(yīng)PI控制策略，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PI參數(shù)的最佳整定。

1 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

圖1為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓，L是濾波電感，R為網(wǎng)側(cè)線路總電阻，設(shè)三相電網(wǎng)電壓為：

式中：Em是相電壓峰值；ω為電網(wǎng)角頻率。

圖1 三相電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在三相靜止坐標(biāo)系下：

式中：ia、ib、ic和ua、ub、uc分別為并網(wǎng)逆變器輸出電流和電壓。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

由兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系：

式(3)、式(4)經(jīng)整理得：

式中：ed、eq是電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量在d、q軸的分量；ud、uq是三相逆變器交流側(cè)輸出電壓矢量在d、q軸的分量；id、iq是三相逆變器交流側(cè)輸出電流矢量在d、q軸的分量。

2 網(wǎng)側(cè)逆變器控制策略

經(jīng)坐標(biāo)變換后，三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量轉(zhuǎn)換成了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，但由式(5)可知，其依然是強(qiáng)耦合系統(tǒng)，因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，在以上動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用電網(wǎng)電壓合成矢量定向控制策略，將同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標(biāo)系下的d軸定向于電網(wǎng)電壓合成矢量E上，且q軸超前d軸90°，即ed=Es，eq=0，空間矢量圖如圖2所示，Us為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓合成矢量；Is為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電流合成矢量；UL為電感電壓合成矢量；φ為功率因數(shù)角。

將ed=Es，eq=0帶入式(5)，整理可得：

由式(6)得到并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓合成矢量下的數(shù)學(xué)模型，d、q軸電流分量仍然存在交叉耦合，為了實(shí)現(xiàn)d、q軸電流分量解耦控制，達(dá)到有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，令：

經(jīng)整理得：

至此實(shí)現(xiàn)了有功電流id和無(wú)功電流iq的解耦。本文采用模糊自適應(yīng)PI控制器，其控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 模糊自適應(yīng)PI控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊自適應(yīng)PI控制是模糊控制與常規(guī)PI控制相結(jié)合的一種控制方式，與常規(guī)PI控制相比，模糊自適應(yīng)PI控制器可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)獲取過(guò)程狀態(tài)的連續(xù)信息，通過(guò)在線辨識(shí)和修正過(guò)程的模糊模型，從中獲得所需的模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)在線模糊規(guī)則的自學(xué)習(xí)，自動(dòng)調(diào)整模糊PI控制器的參數(shù)以便適應(yīng)環(huán)境條件或過(guò)程參數(shù)的變化，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力，獲得較強(qiáng)的魯棒性，達(dá)到控制系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。

整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，然后根據(jù)一定原理對(duì)PI的兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使被控制對(duì)象有良好的性能。模糊規(guī)則表如表1。

表1 k/k模糊規(guī)則表

建立好模糊規(guī)則表后，將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。設(shè)e，ec和kp，ki均服從正態(tài)分布，可得出隸屬度，根據(jù)隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PI參數(shù)模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入式(9)：

在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PI參數(shù)的在線自校正[9]。為了使輸出電流快速跟蹤給定電流，PI調(diào)節(jié)器輸出為：

根據(jù)式(8)可得網(wǎng)側(cè)逆變器d、q軸電壓為：

Es定向的網(wǎng)側(cè)逆變器的電流控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

當(dāng)id為正，iq為零時(shí)，功率因數(shù)為1，并網(wǎng)逆變器僅向電網(wǎng)發(fā)送有功功率；當(dāng)id為正，iq為負(fù)時(shí)，同時(shí)向電網(wǎng)輸送有功功率和無(wú)功功率。因此，改變id和iq，可以控制輸出的功率和功率因數(shù)[10]。

圖4 控制框圖

kp、ki為控制環(huán)的比例參數(shù)和積分參數(shù)，為交流側(cè)逆變指令電流。以上為電流內(nèi)環(huán)控制策略，再加入電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)，則整體形成一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流內(nèi)環(huán)的主要作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，而電壓外環(huán)的作用主要是為控制直流電側(cè)電壓。

3 雙閉環(huán)控制網(wǎng)側(cè)逆變器仿真

利用RT-LAB軟件仿真工具建立基于雙閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)整體仿真模型。整個(gè)系統(tǒng)由整流橋模塊、控制模塊、濾波器模塊和電網(wǎng)電源構(gòu)成。控制部分包括鎖相環(huán)、坐標(biāo)變換、雙閉環(huán)調(diào)節(jié)、SVPWM波形生成模塊。逆變橋使用系統(tǒng)提供的通用橋，電網(wǎng)用三相對(duì)稱電壓源模擬，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套實(shí)時(shí)仿真開發(fā)與軟硬件系統(tǒng)，是一種基于模型與測(cè)試一體化的應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)此系統(tǒng)，仿真效率更高，速度更快。RT-LAB系統(tǒng)分割圖如圖5所示，RT-LAB觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 RT-LAB系統(tǒng)分割圖

圖6 RT-LAB觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

仿真得到直流側(cè)電容電壓、逆變器交流側(cè)輸出電壓、網(wǎng)側(cè)電壓電流及并網(wǎng)電流諧波分析如圖7～圖9。同樣條件下，采用模糊PI自適應(yīng)控制器輸出并網(wǎng)電流諧波分析如圖10所示。

由圖7可知，基于前饋解耦的雙閉環(huán)控制策略，在模糊PI控制器的控制下可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的順利并網(wǎng)，并使并網(wǎng)電流和電壓同相位；由圖8可知，直流側(cè)電壓Udc基本穩(wěn)定在1 100 V左右，可知電壓外環(huán)起到了良好的控制作用，滿足了穩(wěn)定直流側(cè)電壓的并網(wǎng)要求。由圖9和圖10可知采用常規(guī)PI控制器的輸出并網(wǎng)電流諧波畸變率為2.52%，采用模糊PI控制器的輸出并網(wǎng)電流諧波畸變率為1.98%，可知模糊PI控制器有效減小了輸出并網(wǎng)電流的諧波畸變率。

圖7 逆變狀態(tài)下A相電壓和電流波形

圖8 逆變狀態(tài)下的直流側(cè)電壓

圖9 采用常規(guī)PI控制器輸出并網(wǎng)電流諧波分析圖

圖10 采用模糊PI自適應(yīng)控制器輸出并網(wǎng)電流諧波分析圖

5 結(jié)論

本文在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用SVPWM控制方式和電網(wǎng)電壓合成矢量定向控制策略，設(shè)計(jì)了模糊PI控制器，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PI參數(shù)的最佳整定，仿真結(jié)果表明，通過(guò)模糊自適應(yīng)PI控制器對(duì)電流的控制，有效減小了輸出并網(wǎng)電流的諧波畸變率。

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