并網直驅風電系統控制的研究

摘 要：本文對基于永磁同步電機的并網直驅風電系統（DDWECS）的控制現狀進行了研究，研究對象采用的是背靠背雙PWM變流器，控制器采用基于旋轉參考坐標系（RRF）的電流矢量控制法，最大風能捕獲（MPE）則通過葉尖速比法實現。網側的控制器方案得以提出并應用于直驅風電系統，該方法設計了基于靜止參考坐標系（SRF）的比例復數積分控制器，電流內環調節網側電流，直流電壓外環調節直流母線電壓。使用Matlab/Simulink對直驅風電系統和原型系統進行仿真后證明直驅風電系統對機側和網側良好的控制性能和效果。

關鍵詞：電流矢量控制；并網直驅風電系統；比例復數積分控制

隨著以風能為代表的可再生能源的快速發展，各種調速系統也廣泛地應用于風電系統（WECS）。無齒輪直驅永磁同步電機由于其高可靠性和高效率的特點被視為一種理想的電機。直驅風電系統（DDWECS）通常采用拓撲結構為背靠背的全控電壓源變換器（VSC）來實現風力機的最大風能捕獲（MPE）并使電網側的參數滿足電網要求。

本文旨在研究磁場定向電流矢量控制技術，基于旋轉坐標系的PCI控制直驅風電系統的網側并對兩側控制器進行設計和分析。我們在Matlab/Simulink中進行系統仿真來測試效果，實驗結果表明其對于改進型的DDWECS控制的可靠性和性能的優越性。

一、直驅風電系統的構成

直驅風電系統主要由風力機、永磁同步電機、背靠背變流器、濾波電感和一個絕緣變壓器構成。直驅風電系統的控制系統細分為機側控制子系統和網側控制子系統。前者利用磁鏈定向的dq軸電流矢量控制目標實現風機的最大風能捕獲，后者用基于旋轉坐標系的PCI控制來維持直流母線電壓穩定并調節功率因數。

二、機側變換器的控制

（一）永磁同步電機的數學模型

該電機在dq旋轉坐標系下的數學模型可以通過計算得到。

（二）電流矢量控制

機側變換器的電流矢量控制包括快速電流內環和慢速外環。d軸電流只受Vsq的影響，同時q軸電流受Vsd的影響。因此電流內環得以解耦。內環的d軸和q軸電流都會調整風機的轉速并調節d軸電流，使之為零來提高電機的效率。

d軸和q軸電流回路的解耦控制策略可通過改寫Eq的公式得到。

（三）葉尖速比法實現最大風能捕獲

風力機的輸出功率可通過數學公式計算出。

（四）機側控制器的設計

用方塊圖可以表示出機側控制器d軸和q軸的電流回路，它們有相似的特性，也有相應的補償系數。

根據已經過研究的直驅風電系統的參數，KP和Ki分別是4和978。從開環和閉環系統的方塊圖中可得出相位裕度大概是70°，帶寬頻率約為560Hz。機側的內環穩定性很好，帶寬充足所以可提高跟蹤能力。

Kwp和Kwi分別等于0.36和3.57。從開環和閉環系統的伯德圖中可得出相位裕度約為45°，閉環的帶寬頻率為8Hz。機側的外環有很好的穩定性和比較窄的帶寬可以消除擾動。

三、網側變換器的控制

（一）基于旋轉坐標系的網側變換器的數學模型

對于網側變換器，我們把三相電壓源視為電壓的公共連接點。在旋轉坐標系下，電壓方程可以通過計算得到。

（二）PCI內環控制器的設計

網側電流內環參數中，K1為補償系數，K為PWM增益，Rg和Lg分別為網側電阻和電感。

閉環變壓器在無干擾下模型可通過計算得到。

因此，當相角頻率是Wg時補償系數的穩態誤差接近零。為獲得更快的響應，帶寬頻率選為700Hz。從開閉環系統的伯德圖可看出相位裕度接近90度，帶寬頻率大約為724Hz。顯然，網側電流內環穩定性好，但比較大的帶寬增加了響應時間。

（三）直流電壓外環控制器的設計

直流電壓外環的參數已給出。包括直流電壓補償系數Hv，功率控制器和控制設備系數Kv（s）。從開環控制系統的伯德圖可得出網測電壓外環穩定性好，其相位裕度接近62度，開環剪切頻率約為9.2Hz，小于功率控制回路的帶寬。

四、仿真模型

為證明這種控制方法和策略的優越性，在Matlab/Simulink中搭建了直驅風電系統的模型，得到了風機功率系數的穩態和動態曲線。

在t=2.5之前，風速為6.2m/s，同步電機通過控制q軸電流實現最大風能捕獲，輸出功率為82W。在t=2.5s時，風速增加到9.5m/s，同步電機的參考速度由葉尖速比法進行修正，可以看出，電機的響應非常迅速，并在1s內到達目標值，同時通過控制機側q軸電流實現了最大風能捕獲。q軸電流迅速而平滑地跟蹤參考值，在風速增加時展示出了很好的性能。PCI控制的網側電流變換器能在一個周期內達到穩態，說明該方法動態性能優于PR法。在4s時，風速從9.5m/s降到7.8m/s，電機的轉速，q軸電流，直流電壓和網側電流也得到成功地控制以實現最大風能捕獲。仿真結果體現出控制方法的正確性和有效性。

五、試驗

為證明提出的控制方法和并網直驅風電系統的表現，構建模型系統并進行試驗。直徑為1.5m的風機采用水平軸的結構，控制系統用的是TMS320F2812DSP，開關頻率是5KHz。

相比于仿真模型，自然界的風速更變幻莫測。控制速度和跟蹤能力相對來說要求更高。但結果表明直流電壓波動在給定的范圍內，網側電流和電壓也比較穩定，功率因數大概是0.976，總諧波失真為2.32%。結果表明PCI控制網側的方法可以實現機組的單位功率因數運行并有效地抑制諧波。

六、結論

本文研究了直驅風電系統機側和網側變換器的控制策略，控制器的參數和表現均進行了詳細的計算分析。在網側，對比了PCI控制法和PR控制法并進行了仿真分析。結果表明PCI控制法響應更快。仿真模型和試驗系統觀察了控制器的運行表現，表明機側的電流矢量控制可有效調整定子電流，繼而改變永磁同步電機的轉速來實現最大風能捕獲，該方法動態和穩態特性均良好。網側的電流內環直流電壓外環的PCI控制有更好的動態響應，這種控制器能可靠應用于直驅風電系統。

參考文獻：

[1]姚駿，廖勇.直驅永磁同步風力發電機的最佳風能跟蹤控制[J].電網技術，2008，32（10）：11-15.

作者簡介：王濱臣，東北電力大學電氣工程學院。