风力发电并网控制技术的仿真研究

张贺军，朴成泽

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206;2.鹤岗电业局 ，黑龙江鹤岗 154100)

风力发电并网控制技术的仿真研究

张贺军1，2，朴成泽2

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206;2.鹤岗电业局 ，黑龙江鹤岗 154100)

针对风力发电并网的严格要求，设计了一种单相并网逆变控制系统。分析和研究了该系统并网控制器的工作原理及其控制策略，利用Matlab/Simulink仿真软件对单相并网逆变控制系统进行了仿真试验，其结果验证了所设计系统的可行性。

风力发电;并网逆变器;电流跟踪控制;仿真建模

0 引言

中国多数风力发电是采用离网式，需采用蓄电池储存风能后再通过逆变器供给用户使用。由于风力发电存在着风速变化或风速较低时，风力发电机输出的电压变化较大、幅值较低且频率变化等缺点，所以不能采取直接将发电机与电网相连接并网，必须在风力发电机的输出端增加一个电力电子装置的功率接口，将电压和频率随机变化的电能变换成频率、相位符合电网要求的交流电能，再与公用电网连接实现并网。因此，本文提出了单相并网逆变控制系统。同时采用MATLAB仿真软件对系统控制方案的可行性进行了验证。

1 并网逆变器的控制方法

由于风力发电机的输出电压是三相交流电压，所以系统采用交—直—交电能变换的形式实现系统的并网功能［1］。把风力发电机发出的三相交流电经不可控整流变成直流电压。但整流后的直流电压低，而且大范围波动，为了得到满足并网逆变器要求的直流母线电压，采用并网逆变器前级加BOOST升压斩波电路的拓扑结构［2］。这样升压后直流母线电压便稳定到350 V，经H桥逆变和LCL滤波实现并网发电。

并网系统的逆变器按控制方式可分为4种，即电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于大电感往往会导致系统动态响应差，因此并网逆变器均多采用以电压源输入为主的方式［3］。

逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制，市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果并网逆变器的输出采用电压控制，电压源为并联运行方式，这种情况下要保证系统运行稳定，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步。在稳定运行的基础上，通过调整逆变器输出电压的大小及相移，控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制，可能出现环流等问题，不易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制，那么只需要控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到良好的并联运行的目的［4－5］。由于电流型并网控制方法相对简单，因此目前被广泛地采用。

图1 控制电路图

为了减小电网电压的扰动对输出电流和电压的影响，提高回馈电能质量，本设计采用电压源输入、电流型输出的控制方式。

并网逆变器的设计要同时满足以下两个要求:

1)并网电流接近正弦，电流与电网电压同相，使功率因数接近于1，以减少输送到电网的谐波含量。

2)稳定直流侧电压。在网侧采用电流闭环控制，以达到电流的快速响应，使并网电流跟踪电网电压频率和相位，且幅值保持正弦输出，直流侧采用电压、电流双闭环控制，以稳定直流母线电压。系统控制电路如图1所示。

前级BOOST升压环节采用电压、电流双闭环控制，直流输出电压经A/D采样后的值Vf与给定电压V*

DC进行比较，其差值经过PI调节后，作为电流内环的给定量i*1。电流内环采用电流滞环控制，通过滞环比较器产生控制DC－DC变换器中开关通断的PWM信号，从而保证直流侧稳定的电压输出。

后级网侧逆变环节采用电流闭环方式并加入电压前馈补偿控制。通过同步锁相技术，得到与电网电压同步的单位正弦信号。此信号与电流指令峰值i*L相乘，得到并网交流电流的指令值i*Lf，将它与实际的并网逆变器输出电流iLf相比较，差值通过PI控制器处理后与引入的电网电压前馈补偿值相加，其值作为调制波信号，然后与三角波载波信号进行比较，以产生PWM控制信号，经放大，驱动功率开关管器件的工作，使并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相。

2 并网电流控制系统的分析

并网逆变器的控制关键是要实现并网电流快速跟踪电网电压，并网电流闭环控制结构如图2所示。

图2 电流环控制结构图

由图2可以推导其闭环传递函数为

PI调节器传递函数为

式中:KP为比例系数;KI为积分系数。

忽略各功率开关器件和死区时间的非线性影响，采用PWM控制方式的桥式逆变环节可近似为一个线性比例环节，该环节的传递函数为

式中:KPWM为逆变器放大倍数。

滤波电感的等效串联电阻和滤波电容的串联电阻，其值较小，为了减化模型，可以将其忽略。滤波环节的传递函数为

式中:L=L2+L3;α =L2/L。

为了消除电网电压的干扰，可以采取电网电压前馈补偿方式，如图3所示。

图3 电压前馈控制图

带前馈控制的系统闭环传递函数为

式中KF为电网电压前馈系数。

由式(5)可知，只要KF=1/GPWM(s)，可得

所以，经过电网电压前馈补偿后，可以从理论上完全消除电网电压的扰动。

3 仿真实验

为了验证设计方案的正确性，本文利用MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真分析。对并网逆变器仿真主要分为BOOST升压稳压环节和逆变环节两个部分来建立电路和控制系统仿真模型。

BOOST升压稳压环节的系统仿真框图如图4所示。

图4 BOOST升压电路仿真模型

在图4中，采用三相电源Three－Phase Source模拟风力发电机的输出，升压电感L1取值为6 mH，稳压滤波电容C2取值为2 200 uF。功率开关管MOSFET和二极管的各项参数按实际器件的值进行设置。用Discret PI Controller模块作为电压外环调节器，用Relay滞环模块作为电流内环调节器。图5、图6是风力发电机输出电压为70 V时，整流后的电压波形和BOOST升压后的直流电压波形。

图7、图8是风力发电机输出电压为100 V时，整流后电压波形和BOOST升压后直流电压波形。

从以上仿真图形可以看出，风机侧输出电压变化时，经BOOST升压后的直流输出电压基本保持不变，稳定在350 V左右，从而为后级逆变电路提供了稳定的直流输入电压，并且保证了低风速情况下风能的最大利用。

后级并网逆变的仿真模型如图9所示。用模块Universal Bridge作为逆变桥，功率器件选为MOSFET，并设置各项参数。滤波电感L2和L3分别为10 mH、5 mH，滤波电容C3为30 uF。利用AC Voltage sourse作为电网电压，并利用Discrete 1－phase PLL模块实现电网电压的同步锁相，Zero－order Hold模块对信号进行采样保持。电流闭环控制为PI控制方式，用Discret PI Controller模块作为调节器。PWM Generator为系统的PWM波形产生模块，设置其内部三角载波频率为20 kHz。

图9 并网逆变仿真模型

直流输入电压为350 V，电网频率为50 Hz。并网参考电流为10 A、20 A时的仿真波形如图10和图11所示。

图10 电网电压与并网电流10 A的波形

4 结论

通过对并网逆变器结构的阐述及工作原理的分析，提出了单相并网逆变器的控制方案。同时利用仿真软件Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行了建模和仿真，完成了对主电路以及控制系统仿真模型的建立。仿真结果表明并网逆变器具有单位功率因数，输出电流能够很好地跟踪电网电压，实现了风力发电系统的并网运行。

图11 电网电压与并网电流20 A的波形

［1］胡顺全.直驱式风力发电并网变流器装置［C］//全国电技术节能第九届学术年会:CECE’2007，2007－11－01，2007:187－189.

［2］黄俊，王兆安.电力电子变流技术［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［3］王全胜，宋建成.直驱式风力发电系统并网控制策略研究［J］.煤矿机电，2008，2010(6):38 －41.

［4］李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［5］许颇，张兴，张崇巍，等.采用Z源变换器的小型风力并网逆变系统［J］.电工技术学报，2008，23(4):93 －97.

Simulation study of wind power grid－connection control

ZHANG Hejun1，2，PIAO Chengze2
(1.Electrical Engineering School of North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.Hegang Electric Power Bureau，Hegang 154100，China)

According to the strict demand for wind power grid－connection generation，this paper proposes the design of a single－phase grid－connection inverter control system，analyzes and studies its working principle and control strategy，and simulates it by Matlab/Simulink.Simulation result proves the feasibility of the control system.

wind power generation;grid－connection inverter;current tracking control;simulation modeling

TM614

A

1002－1663(2012)02－0096－04

2011－10－08

张贺军(1973－)，男，华北电力大学电气与电子工程学院在职研究生，主要从事输配电生产管理工作。

(责任编辑 郭金光)