雙饋風電系統網側變流器控制策略研究

文/張宇森 田濤 蒲家蓉

（華北電力大學 北京市 102206）

1 前言

近年來，在國家政策的大力扶持下，風電行業進入了黃金期，大量的應用促進了技術經驗的積累，尤其是在國內的能源供需矛盾問題越來越嚴重和電力需求上升的情況下，風電產業得到迅速發展。雙饋風力機在風電行業中應用最為廣泛，本文在電網電壓定向的雙閉環控制策略的基礎上，加入模糊控制算法對PI 參數進行一定程度的優化，實現對網側變流器控制效果的優化。

2 DFIG網側變流器的數學模型與控制策略

網側變流器的電路圖如圖1 所示，ua、ub、uc為網側三相電網電壓，ia、ib、ic為網側三相電流，R、L 為網側進線電阻和電感，C為直流母線電容，Udc、idc為直流母線電壓及電流，iload為負載電流。

網側變流器在同步旋轉坐標系的數學模型為[1]：

其中：id、iq分別為交流側電流的d、q 軸分量；ud、uq分別為電網電壓的d、q 軸分量；Sd、Sq分別為開關狀態的d、q 軸分量。

3 網側變流器控制策略

3.1 模糊控制算法

模糊控制算法的核心部分是模糊控制器，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和清晰化三部分。本文采用對誤差信號e 求導并引出ec 的方法，并以誤差e 和誤差變化率ec 作為模糊控制器的參數信號，通過對輸入量進行模糊化、構建隸屬度及模糊規則、論域整定等步驟設置合適的模糊控制器參數，并以ΔKp、ΔKi 為模糊控制量的輸出，作為整定參數傳遞給PI 控制器調節參數以進行選擇合適的Kp、Ki 參數[2]。

在輸入量的模糊化過程中，本文設定模糊規則的子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，且e、ec 和Kp、Ki 的具有相同的模糊子集，這些輸入輸出變量分別對應的模糊名稱為負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。然后LabVIEW 中調用模糊系統設計器設置輸入輸出的隸屬度函數均是高斯函數，如圖2 所示。

由于在PI 控制器中Kp、Ki 的作用是不同的：當e 較大，為加快響應速度并防止開始時偏差e 瞬間變大，取較大的Kp，同時為了防止積分飽和，避免系統響應出現較大的超調，應去掉積分作用，即Ki=0；當e 和ec 為中等大小，為使系統響應的超調減少，Kp 和Ki 都不能太大，大小要適中從而保證系統的響應速度；當e 較小，為使系統具有良好的穩態性能，應增大Kp 和Ki 的值。然后依據上述原則和仿真實驗數據經驗建立ΔKp、ΔKi 的模糊規則如表1。

圖1：網側變流器電路圖

最后依據圖2 所示的隸屬函數和表1 所示的模糊控制表，得到”IF…THEN…”規則在LabVIEW 中如圖3 所示。

3.2 網側變流器控制策略

基于網側變流器的數學模型，根據式（1）可知電流id和iq受電壓ud和uq影響，同時模型中存在交叉耦合現象，因此采用外環電壓控制-內環電流控制的雙閉環控制策略，內外環均采用模糊PI控制器，最終實現控制直流環節電壓穩定且動態響應性能良好，確保交流側電流為正弦波且功率因數為1 的目的。如圖4 所示。

4 仿真與結果分析

表1：模糊規則表

圖3：“IF…THEN…”規則

圖4：網側變流器控制策略

圖5：網側變流器控制系統

圖6：直流環節電壓控制

圖7：網側三相電流曲線

LabVIEW 擁有良好的人機交互界面，使用圖形化的編程語言和模塊化的子VI 更有利于建模分析[3]。本文利用LabVIEW 搭建了如圖5 所示的網側變流器控制系統，設置電網相電壓220V，頻率50Hz；電壓外環PI 控制器參數Kp=5，Ki=500；電流內環PI 控制器參數Kp=0.5，Ki=50。

實驗中直流環節母線電壓如圖6 所示，一直維持在1100V 左右，無大幅波動，滿足電網要求；網側三相電流如圖7 所示，呈正弦波形，符合預期。

5 總結

本文采用模糊PI 控制器實現網側變流器的雙閉環串級控制策略，經仿真實驗驗證，控制效果良好，外環電壓控制能夠有效控制直流電壓穩定以保證變頻器傳輸功率穩定；內環電流跟蹤設定值，保持功率因數穩定可控，共同實現網側變流器的功能。