风力发电中网侧变流器控制系统研究

王全飞 张艳艳

1.河南电力公司濮阳供电公司 河南 濮阳 457000

2.山东大学电气工程学院 山东 济南 250061

0 引言

随着近年来环境污染的加剧和石油等矿石能源的短缺，人们对新型能源的研究开发热情越来越高。风能是一种清洁的有效可再生能源，受到了世界各国的高度重视。风力发电是利用风力发电机组将风的动能转化为电能的一种可再生能源发电方式。风力发电的研究、开发利用也成为各国学者研究的热点。我国风力资源十分丰富，风力发电产业起步晚但是规模发展迅速。目前MW级主流的风力发电变速恒频机组包括双馈式和直驱式两种类型，无论是哪一种类型的风电机组都需要网侧变流器连接上电网，网侧变流器在机组运行过程中扮演着很重要的角色。

本文建立了网侧变流器仿真模型，在详细分析网侧变流器运行原理及数学模型的基础上，设计了电网电压定向矢量控制系统。分别针对稳定直流侧电压和交流侧单位功率因数这两个目标给出了双闭环控制的实现，并对该控制系统进行了仿真。

1 网侧变流器的建模

网侧变流器三相拓扑结构如图1所示。其中ea，b，c为三相电动势，udc为直流侧电压，L、R分别为网侧电感、 电阻，C为直流侧电容，ia，b，c为网侧电流，idc为直流侧电流，il为负载侧电流。

图1 网侧变流器的拓扑结构

定义单极性二值逻辑开关函数sk为：

由网侧变流器拓扑结构图可以得到

考虑三相对称系统，则当三相反电动势平衡时有三相电网电压、电流关系式：

于是，在三相静止坐标系下逆变器一般数学模型为

通过旋转坐标变换得到PWM逆变器在dq轴同步旋转坐标下的数学模型为

式中，ω为电网角频率，ed、eq为电网电压的dq轴分量，id、iq为电网电流的dq轴分量，ud、uq为变流器交流输出电压的dq轴分量，sd、sq分别为d、q轴开关函数。

2 网侧变流器的控制策略

网侧吸收的有功功率和无功功率在两相旋转坐标系下可表示为

则有功功率和无功功率表达式简化成

实现了有功功率和无功功率的解耦。

解耦后dq轴数学模型可以写成

上式可知，d、q轴之间存在耦合项（Lωiq，Lωid），在电机参数已知的情况下可通过完全去耦控制来实现线性化控制。设计出的解耦控制图如图2所示。

图2 电网解耦反馈控制

网侧整体控制策略为外环直流电压和无功电流的给定内环，内环为电流环的双闭环控制。通过坐标变换将三相静止abc坐标系中的交流电压和电流变换到同步旋转dq坐标系上，其中θ表示d轴与a轴的夹角。该种控制策略中，中间直流母线电压由电网侧来稳定，同时电网侧还承担调节电网功率因数的任务，Q*为无功功率的给定值，当无功功率的给定值Q*=0即i*q=0时，电网侧功率因数为1，实现了电网侧的单位功率因数控制。具体控制如下图3所示：直流电压udc经过外环PI调节器，得到d轴电流的给定，即通过调节d轴电流，进行直流电压控制；调节q轴电流，可以对无功功率进行控制。有功和无功电流给定和实际的有功、无功电流分别作差后经过PI调节器再加上各自的前馈补偿项得到电压参考，在经过dq-abc变换得到ua、ub、uc。最后经过一个SPWM控制的PWM发生器控制电网侧变流器工作。电网侧变流器在控制直流母线电压稳定的同时控制并网电流的质量。

图3 网侧稳压控制系统框图

3 PI调节器的设计

3.1 电流调节器设计

双闭环整流器系统中电流环作为内环，迫使输入电流跟踪输入电压，提高系统的动态响应性能。假定给定电压在PWM线性调制区内没有饱和，d、q轴电流完全被解耦。在设计时考虑整流器本身的时间常数，因此得到如图4所示的d轴简化电流环。

图4 电流调节器闭环等值电路

图中Ts是整流器的时间常数，等于开关周期的一半，Kpwm为整流器的放大倍数。

电流环系统的开环传递函数为：

为典型的I型系统，取KTs=0.5时，系统的超调量和调节时间比较合适，因此算出增益K，然后得到PI调节器的参数。相似的，q轴电流调节器参数应该跟d轴方法来求，实际设计和分析中应该使两者参数取为相同值。

3.2 电压调节器设计

电压调节器作为外环调节，有稳定直流输出电压的作用，使输出直流电压峰值比输入电压高。整流器系统输入电流和输出直流电压之间的传递函数为

由于时间常数Tz较小，相对而言系统的零点较大，距离虚轴较远，对系统的峰值响应时间和速度影响较小。因此可以忽略零点，则

在设计时，考虑系统处于稳态运行，无功电流分量iq为0，由于电流闭环作用，动态过程iq变化很小。在直流电压发生较大变化之前，iq已完成其暂态过程达到零值。因此设计时不考虑q轴影响。电流调节环节是二阶系统，可以降阶处理，用一阶惯性环节来代替。降阶后的电流调节环传递函数为

因此得到简化电压环

图5 电压调节器闭环系统等值电路

电压调节环的开环传递函数为

从公式看出，只需以PI调节器零极点抵消电流控制对象函数的极点即可。因此进一步简化为

4 仿真算例

在PSIM环境下对网侧稳压单位功率因数的控制策略进行仿真，系统仿真参数如下：电网电压参考值110 V、50 Hz，直流母线电压参考值是150 V，直流测电容1000 uF，线路电阻值0.01 Ω，电感值4 mH。分别从电流和电压调节器闭环系统分析参数设计。

0.3 s时候直流侧加一负载电阻，阻值为100 Ω。锁相后dq轴输出电压的d轴分量为usd=ua=89.8 V，q轴分量usq=0 V。图6为直流侧母线电压，设定值为150 V，由图6可以看出指令突变时，电压能够较好的稳定在150 V，波动较小动态性能较好。图7为网侧a相交流电流，在PI调节后基本上是正弦波，且动态性能良好，使得功率因数接近1。图8为三相交流电流的d轴和q轴分量，由图8可以看出，d轴和q轴完全解耦，有功分量id维持在稳定值，与d轴电压分量对应；而无功分量iq一直维持在0值附近波动，与q轴电压分量为0值相符合，使得交流侧功率因数接近1。

图6 直流侧母线电压

图7 电网a相交流电流

图8 电网电流的d轴和q轴分量波形

5 结语

在风力发电中，网侧变流器通过直流母线与发电机变流器相联，其控制性能将直接影响发电机的运行控制性能。本文围绕网侧变流器的控制展开研究，以三相电压型PWM变流器拓扑作为网侧变流器研究对象。首先在平衡电网条件下建立了三相静止和两相同步旋转坐标系下的数学模型，为控制策略分析和控制系统设计提供了理论依据。设计了变流器控制系统，实现了网侧系统有功功率、无功功率的解耦控制，经分析和仿真验证，双闭环PI控制系统能实现双稳定直流侧电压和交流侧单位功率因数的目标。

［1］王晓波，严干贵，郑太一等.双馈感应风电机组联网运行仿真及实证分析［J］.电力系统自动化，2008，13（10）：1-4.

［2］徐金榜.三相电压源PWM整流器控制技术研究 ［D］，华中科技大学学位论文集，2004.

［3］张笑微，李永东，刘军.PWM整流器电流控制策略的研究［J］.电工技术杂志，2003，（12）： 57-59.

［4］Dannehl J， Fuchs F W， Hansen S.PWM rectifier with LCL-filter using different current control structures［J］.IEEE Trans Power Electronics and Application，2-5 Sept.2007， On page（s）： 1-10.

［5］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［6］徐科，胡敏强，杜炎森等.直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪［J］.电力系统自动化，2007，31（11）：52-57.

［7］李武君，阮毅，顾海强.矢量控制系统的电流解耦及其调节器设计［J］.电机与控制应用，2008，35（12）：1-7.