雙閉環模糊PI控制的雙饋式風機并網研究

付光杰 江雨澤 劉文福 張 雷

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711；3.天津修船技術研究所，天津 300456 )

雙閉環模糊PI控制的雙饋式風機并網研究

付光杰1江雨澤1劉文福2張 雷3

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711；3.天津修船技術研究所，天津 300456 )

將模糊控制與PI控制相結合，應用于雙饋式風機網側變換器控制中。采用外環電壓模糊PI控制、內環電流控制的雙閉環控制系統來克服運行時發電機參數發生變化帶來的干擾。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型進行仿真，結果表明：該方法在運行過程中可以很好地克服風速和電機參數變化的影響，定子端電壓的波形、幅值、頻率均達到并網要求，諧波含量少。

模糊PI控制 雙饋式風機 并網 雙閉環 網側電壓控制

在當今電能緊缺的情況下，風力發電被認為是具有極大應用前景的新能源[1,2]。根據2010年GWEC和綠色和平國際組織的預測，風力發電將在未來的20年內成為全世界最主要的電力供應方式。到2030年，風力發電機組的容量將達到2 300GW。早期的風力發電系統由于無法克服風能的隨機性和間歇性，無法滿足并網時對電能質量的苛刻要求，經常發生頻繁并入并出電網的現象,因此對風力發電安全穩定運行與并網效率影響很大。傳統的控制方法過分地依賴數學模型，系統穩定性差。隨著風電技術的迅猛發展，控制方法也在不斷創新。如文獻[3]提出采用無模型控制來增強系統的抗干擾性，經檢驗，對多變量、非線性、強耦合系統具有良好的控制效果。文獻[4]提出將模糊控制與PI控制相互結合來克服系統過分依賴數學模型的缺點，利用模糊控制來增強系統的魯棒性。筆者基于模糊控制與PI控制理論，設計電壓外環模糊PI控制與電流內環PI控制的雙閉環控制系統，以提高系統的動態響應速度和魯棒性，實現柔性并網。

1 雙饋式風力發電機空載并網的數學模型①

由于雙饋式異步發電機為高階強耦合非線性時變系統，內部具有很復雜的電感矩陣，直接控制難度大，建模復雜。通過數學中的坐標變換方法使得數學模型維數降低，減少耦合因子，從而簡化模型。根據文獻[5]提出的轉子與定子三相繞組呈對稱分布的理論，則任意轉速下雙饋式感應發電機的磁鏈方程、電壓方程、電磁轉矩方程分別如下：

(1)

(2)

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

其中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別代表定子、轉子磁鏈的d、q軸分量；isd、isq、ird、irq分別代表定子、轉子電流的d、q軸分量；Rs、Rr分別代表定子、轉子繞組的等效電阻；p為微分算子；Te為電磁轉矩；np為發電機轉子極對數；定子轉子在dq坐標系中同軸等效繞組間的互感為Lm，即Lm=1.5Lsm，Lsm為定子繞組對應主磁路的主電感；Ls為dq坐標系中的定子等效自感；Lr為dq坐標系中轉子等效自感。usd、usq、urd、urq分別為定、轉子電壓的d、q軸分量。ω代表同步轉速，ωr代表轉子的機械轉速。采用矢量控制理論，將發電機定子磁鏈矢量定向在dq坐標系中的d軸上，則ψsd=ψs，ψsq=0。在工頻條件下，由于定子電阻遠小于定子的電抗，可以忽略為0。發電機在空載并網時，isd=isq=0，代入式(1)～(3)化簡得：

(4)

(5)

從式(5)可知，定子在d軸的電壓分量為0，由usq=ωLmird可知，定子在q軸的電壓分量與轉子在d軸的電流分量成正比，即控制轉子在d軸的電流分量就可以控制定子端電壓的相位、幅值、頻率，使之與電網電壓相同。

2 傳統并網控制方法

雙饋式風力發電并網技術中傳統的控制方法為PI控制，但是由于PI控制方法需要搭建模型，并且需要準確的模型參數。而風力發電機在實際運行過程中存在溫度升高、磁路飽和等現象，會引起電機參數的變化，所以控制效果不佳。文獻[6]中為了克服PI控制依賴于模型參數的缺點，引入模糊控制，根據隸屬函數和模糊控制規則表對PI控制器的參數進行修改。將模糊控制與PI控制相互結合，提高系統的抗干擾性和魯棒性。

文獻[7]提出在模糊PI控制中，通過數學模型和坐標變換對發電機進行解耦。根據以上數學模型分析，通過控制轉子側電流在d軸的分量ird(q軸的參考量為0)，構成網側變換器控制系統來控制定子端電壓。該方法的不足在于，實際風力發電機運行過程中，互感值Lm的變化也會引起ird的變化，所以控制精度不高。單純依靠電流控制系統的動態穩定性較差。

3 雙閉環模糊PI控制方法

3.1原理分析

文獻[8]指出風力發電系統中網側變換器主要有兩個作用，一是保證輸入電流的波形接近正弦波，諧波含量少，功率因數符合要求;二是保證直流母線電壓穩定，從而保證兩臺變換器的正常工作。在網側變換器控制中，由于風機在實際運行時互感Lm會發生變化，所以單純的電流控制會引起并網時電壓幅值的偏差，很難達到柔性并網的目的。為克服這種偏差，引入電壓控制器，即轉子電流q軸分量仍然為0，轉子電流d軸分量的參考值由電網側采集電壓幅值的網側控制器獲得。網側變換控制器采用模糊PI控制，通過模糊控制分析電壓誤差和誤差率，計算出對應的比例與積分修改值，作用于PI控制器形成電壓外環控制(圖1)。筆者設計的基于參數自整定的模糊PI控制的電壓控制器，可以實時對參數進行在線調整，加快控制器的響應速度，提高控制精度，增強系統的魯棒性。從而形成網側電壓外環模糊PI控制和內環電流PI控制的雙閉環解耦控制。

圖1 網側變換器雙閉環控制結構示意圖

3.2電流內環PI控制

建立同步轉速旋轉dq坐標系中網側變換器的數學模型，導出基于d軸電網電壓定向、dq分量形式的網側變換器電壓表達式：

(6)

其中，vgd、vgq分別為變換器交流側電壓的d、q軸分量，ugd為電網電壓d軸分量，igd、igq分別為輸入電流的d、q軸分量，三相進線電抗器電感均為Lg。

通過式(6)可以看出，網側變換器的電流受到電流交叉耦合項ω1Lgigq、ω1Lgigd、電壓ugd及壓降Rgigd、Rgigq等的影響。所以要實現d、q軸電流的有效控制，必須解耦并且消除電壓擾動。為了消除靜態誤差引入了積分控制環節，電流控制器的表達式為：

(7)

由式(6)、(7)可得變換器側電壓參考值為：

(8)

由式(8)可知，系統運用電流狀態反饋量ω1Lgigd、ω1Lgigq、電壓項Rgigd和壓降項Rgigq作為前饋補償，來實現電流d、q軸間的解耦和抗擾動，從而提高系統的動態控制性能。

3.3電壓外環模糊PI控制

外環采用直流電壓控制，直流電壓控制器的設計采用模糊控制與PI控制，其中PI控制部分的表達式為：

(9)

根據文獻[8]，模糊PI控制器的輸入和輸出都采用三角形隸屬函數，其中包含負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(ZS)、正中(ZM)、正大(ZB)7個模糊子集，根據模糊PI控制器參數的作用建立針對Δkvp、Δkvi的模糊控制規則表。

4 仿真

根據以上設計方案，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型進行仿真與論證。并網電壓等級為110kV，模型仿真步長20μs。主要仿真參數：初始風速11m/s，雙饋式發電機的額定功率1.5MW，定子電阻Rs為0.023(標幺值)，定子電抗Lls為0.18(標幺值)，轉子電阻Rs′為0.016(標幺值)，轉子電抗Lls′為0.16(標幺值)，勵磁電抗Lm為2.9(標幺值)，極對數為3，發電機慣性時間常數H為0.685s，發電機額定線電壓Vs_nom為575V，發電機額定頻率Vr_nom為50Hz，直流母線電壓1 150V，直流母線電容0.01F。

通過仿真平臺得到風機出口處的電壓、電流曲線(圖2)。電壓、電流經過一個短暫的波動在0.13s后穩定為正弦波，諧波含量少。電能質量比較高，這樣并網過程較為平滑，對電網沖擊小。

圖2 風機出口處的電壓、電流曲線

通過分析風機輸出端功率因數的仿真結果(圖3)可知，0.16s后功率因數穩定在1附近，而無功功率經過一個短暫的波動也迅速趨近于零。此時發電機輸出幾乎全部為有功，可見在參數變化、風速的影響下，系統反應迅速實現了高效并網。通過對變頻器的控制，實現了有功和無功的獨立控制。在給定風速下該模型可以實現給定風速下的最大功率輸出。

圖3 風機輸出端功率因數和無功功率

通過仿真平臺得到的變頻器直流電壓圖(圖4)表明，該系統在風速變化的情況下，直流母線電壓經過一個短暫的波動，在0.13s后穩定在1 150V左右。保證了網側變換器和轉子側變換器的正常工作。直流母線電壓的穩定說明該系統交流側與直流側有功功率平衡，交流側輸入的有功功率得到了很好的控制。

圖4 雙PWM變頻器直流電壓

通過以上分析，在風速變化和參數改變的影響下，風機出口處的電壓、電流經過0.13s的短暫調整后，波形穩定為正弦波，無諧波。并且功率在0.16s后穩定在額定功率，無功為零。證明該設計方案系統反應迅速靈敏。通過圖5可以看出并網時對電網沖擊極小，在0.13s后電網電壓和電流波形穩定，并且電壓幅值達到電網側的110kV，無沖擊，實現了柔性并網的目的。

圖5 電網側電壓和電流

根據文獻[9]可知風力發電機安全并網的條件為：風機輸出端三相電壓、電流的波形幅值頻率與電網相同，對電網無沖擊。通過以上分析，在風機轉速不同的情況下，觀察風力發電機的電壓、電流輸出波形與幅值可知，系統反應迅速，在0.13s后電壓、電流均為穩定正弦波，諧波含量少。并且在空載并網時，研究其有功功率和無功功率輸出，通過以上分析可知該系統0.16s后有功功率為1.5MW，而無功功率為零，滿足并網要求。本模型的特點在于在不同風速下使雙饋式風機向電網輸出電壓、電流無沖擊，諧波含量少，反應迅速，并且以風機向電網輸出的有功功率最優為參考，根據最優功率與轉速的擬合曲線，實現在不同風速下的最大風能跟蹤。

5 結束語

為了提高雙饋式風機發電并網效率，提高并網的電能質量，最終達到柔性并網的目的，提出基于雙閉環的模糊PI控制并網方法。該方法在運行過程中可以很好地克服風速和電機參數變化的影響，定子端電壓的波形、幅值、頻率均達到并網要求，諧波含量少。通過對變頻器控制，實現了有功和無功的獨立控制。在給定風速下，模型不但可以以最大功率輸出，而且使雙饋式風機運行在最大風能跟蹤模式。通過仿真驗證：該系統具有很好的抗干擾性和魯棒性，系統響應迅速。該研究為實際風力發電并網控制系統的開發奠定了一定的理論基礎。

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StudyonGridConnectionofDoubly-fedWindTurbinesBasedonDoubleClosed-loopFuzzyPIControl

FU Guang-jie1, JIANG Yu-ze1, LIU Wen-fu2, ZHANG Lei3

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.OilRefinery,CNPCDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163711,China;3.TianjinShip-repairingTechnologyResearchInstitute,Tianjin300456,China)

Having fuzzy control combined with PI control for application in the grid side converter control of the doubly-fed wind turbine was implemented. The fuzzy PI control over outer voltage and the double closed-loop control over inner current were adopted to eradicate any interference incurred by the change of wind turbine’s parameters. Simulation through Matlab/Simulink shows that this method can terminate the influence of changing wind speed and motor parameters; and the stator terminal voltage’s waveform, amplitude and frequency can satisfy the grid connection along with less harmonic wave.

fuzzy PI control, doubly-fed wind turbine, grid connection, double closed loops, grid side voltage control

2016-03-07(修改稿)

國家自然科學基金面上項目(51474069)

TH865

A

1000-3932(2016)04-0392-05