直驱型风力发电新型并网变换器控制策略研究

张小平，李 庆，刘德顺

(1.湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

直驱型风力发电新型并网变换器控制策略研究

张小平1，李 庆1，刘德顺2

(1.湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

Buck-B oo st矩阵变换器（BBMC）因具有优良的电气特性而适于作为直驱型风力发电系统的并网变换器，并就相应的并网控制策略进行研究。阐述了该变换器的基本工作原理，建立了其网侧变换器基于局部平均值的数学模型，在此基础上提出了以电网电压为参考的双闭环并网控制策略，并利用MA T LAB对其控制效果进行了仿真验证。结果表明：无论BBMC输入侧电压与频率如何变化，其输出电压都能准确地跟踪电网电压的变化，且直接输出高品质的正弦波而无需滤波环节，谐波含量小，从而达到了并网控制的基本要求，具有一定的应用价值。

Buck-B oo st矩阵变换器；直驱型风力发电；并网控制；仿真

直驱型风力发电系统因具有机组寿命长、维护方便、运行效率高等系列优点而成为风力发电系统发展的主流[1-3]，而作为其中连接风力发电机与电网的并网变换器更是成为研究的重点[4]。目前在直驱型风力发电系统中应用较多的并网变换器有“背靠背双PWM变流器”及“不可控整流+Boost升压+PWM逆变”等方案[5]，它们虽各具有不同的特点，但同时也都存在体积大、成本高等不足。文献 [6]提出的一种新型Buck-Boost矩阵变换器(BBMC)除具有上述并网变换器的一般电气特性外，还具有电压传输比任意可调、控制简单、体积小及质量轻等特点，因而适于作为直驱型风力发电系统的并网变换器。文中阐述了该变换器的基本构成与工作原理，研究了将其作为直驱型风力发电并网变换器的并网控制策略，并利用MATLAB对其控制效果进行了仿真验证，结果证明了该控制策略的有效性和可行性。

1 BBMC基本原理简介

三相-三相BBMC的拓扑结构如图1所示[6]。

该拓扑结构在结构上分为整流级和逆变级两部分，其中整流级为一个3/2相矩阵变换器，它将三相输入交流整流成PWM调制的直流电压；逆变级则为一个三相Buck-Boost逆变器，它由三个电流可双向流动的Buck-BoostDC-DC变换器组成，其特点是通过调节占空比，可实现其交流输出电压的任意调节，且直接输出高品质的正弦波而无需滤波环节。

图1 三相-三相BBMC拓扑结构

2 BBMC并网控制策略

以BBMC为并网变换器的直驱型风力发电系统原理框图如图2所示。图中BBMC作为全功率并网变换器将永磁同步发电机输出的幅值和频率随风速变化的交流电变换为三相恒幅恒频交流电连接到电网。考虑到并网变换器输出电压须与电网电压保持一致时才能实现并网[7]，因此该控制系统拟直接采用电网电压信号作为其参考输入，通过构建以并网变换器中电容电压与电感电流为控制变量的双闭环控制模型，使这两个控制变量均按确定的参考值变化，由此可在并网变换器输出端获得与电网电压基本一致的输出电压，从而达到并网控制的基本要求。

图2 以BBMC为并网变换器的直驱型风力发电系统原理框图

根据BBMC网侧变换器的拓扑结构并基于局部平均值的概念，建立其数学模型(以第一相为例，其它两相相同)[8]：

式中：uC1和iC1分别为电容C1的电压和电流；uL1和iL1分别为电感L1的电压和电流为直流侧电压；i1为输出电流；d1为占空比。

基于上述数学模型构建以电感电流和电容电压为控制变量的双闭环控制模型，其中以电感电流为控制内环，电容电压为控制外环。

电感电流控制内环如图3所示，它以式(1)为其数学模型，该控制环因实现了对电感电流的直接控制而达到了提高系统可靠性的目的。其基本工作原理是：将电感电流参考值iL1ref与其实际值iL1进行比较，其偏差经PID控制后得电感电压参考值uL1ref，由式(1)得：

通过式（3）即可求得占空比d1，将d1经限幅后作用于Buck-Boost变换器，控制其功率开关T1和T2的导通时间，从

图3 电感电流控制内环原理框图

而调节电感电流使其按参考值变化。其中电感电流参考值iL1ref由电容电压控制外环确定。

电容电压控制外环如图4所示，它以式(2)为数学模型，由式（2）得：

图4 电容电压控制外环原理框图

其中d1可由下式近似表示：

则由式（4）和（5）可得：

该控制环的基本工作原理是：将电容电压参考值uC1ref与其实际值uC1的偏差经PID控制的电容电流的参考值iC1ref，由式（6）即可求得电感电流参考值iL1ref，将该参考值经限幅后作用于控制内环，再通过内环调节占空比d1，使电感电流和电容电压按确定的参考值变化，由此可在并网变换器输出端获得所需的输出电压。其中电容电压的参考值由电网电压信号经变换后得到，研究发现，以电网电压信号幅值的1.5倍作为直流偏置，再与该信号叠加所得到的信号作为电容电压的参考值，效果较好。电网电压的幅值由下列公式求得：

式中：ua、ub及uc分别为电网三相电压；uα和uβ分别为电网静止坐标系下的α和β轴电压；um为电网电压幅值。

3 仿真分析

针对以BBMC为并网变换器的直驱型风力发电系统并网控制方法采用MATLAB进行仿真分析[9-10]。假设三相输入电源、电网、功率开关、电感及电容等均为理想元件。仿真参数设置如下：输入电源与电网采用三相对称电压源代替；BBMC逆变级电感与电容分别取：Li=450μH、Ci=100μF，其中i=1～3；电压控制环PID控制器参数取：kP=5.5、kI=8×10－4、kD=1× 10－5；电流控制环PID控制器参数取：kp=50、kI=1.24×10－4、kD=9×10－6；PWM开关频率取20 kHz；仿真分稳态分析和动态分析两种情况进行。

3.1 稳态分析

稳态分析在于验证系统对电网电压的跟踪情况。任取电网电压分别为690 V/50Hz和600 V/50Hz(对应于电网电压的幅值/频率)，仿真波形如图5～8所示（只列出电网电压为690 V/50Hz对应的波形）。其中图5为三相输入电压波形，为模拟风力发电机输出电压随风速变化的情况，输入电压采用3个不同的电压源代替（由开关切换），分别取311 V/35 Hz、380 V/50 Hz及220 V/25 Hz（切换时间为t=0.02 s和0.04 s）；图6为BBMC直流侧电压波形；图7和图8分别为电网电压和BBMC输出电压的波形。仿真结果见表1，其中ηTHD表示总谐波失真度。

图5 三相输入电压波形

图6 BBMC直流侧电压波形

图7 电网三相电压波形

图8 BBMC三相输出电压波形

表1 调节输出电压的仿真结果

3.2 动态分析

动态分析在于验证当电网电压发生突变时，BBMC输出电压对电网电压的跟踪情况。设电网电压频率为50 Hz，电压幅值在t=0.02 s时由690 V突变至500 V，然后在t=0.04 s时又突变至590 V。仿真波形分别如图9和图10所示。

图9 电网三相电压波形

图10 BBMC三相输出电压波形

3.3 仿真结果分析

从仿真波形及表1可见：（1）针对以BBMC为并网变换器的直驱型风力发电系统采用双闭环控制策略，在稳态时能实现并网变换器输出电压对电网电压的准确跟踪，其输出电压的幅值与电网电压的偏差保持在0.5%以内，频率和相位与电网电压基本保持一致，符合并网控制的基本要求；（2）当电网电压发生突变时，并网变换器输出电压与电网电压基本保持一致；（3）BBMC直接输出高品质的三相对称正弦波而无需滤波环节，波形失真度小，由仿真结果可见，其总谐波失真度ηTHD均在0.5%以下。

4 结论

针对以BBMC为并网变换器的直驱型风力发电系统，研究采用双闭环控制策略。介绍了该控制策略的基本原理，根据该并网变换器的拓扑结构建立了相应的数学模型，在此基础上研究了双闭环控制策略的具体设计方法，并利用MATLAB对该控制策略的效果进行了仿真验证。结果表明：无论BBMC输入侧或网侧电压如何变化，BBMC输出电压都能实现对电网电压的准确跟踪，且直接输出高品质的正弦波而无需滤波环节，谐波含量小，从而达到了并网控制的基本要求，具有一定的应用价值。

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Study of controlstrategy for direct-drivew ind power system based on anovelgrid-connected converter

ZHANG Xiao-ping1,LIQing1,LIU De-shun2
(1.Engineering Research Center of Advanced M ining Equipment,M inistry of Education,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance forMechanical Equipment,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China)

The Buck-Boost matrix converter(BBMC)with a series of excellent electrical characteristics is suitable to be taken as a grid-connected converter for direct-drive wind power system.The grid-connected control strategy was put forward in this paper.The basic principle of this converter was elaborated and the mathematical model of its grid side converter was established based on the local mean value concept.On the basis of which,the double-loop grid-connected control strategy was proposed with the grid voltage as the reference,and the validity of this control strategy was tested by means of MATLAB.The results show that the output voltage of BBMC can accurately track the variation of the grid voltage despite of the changeable input voltage and frequency.Moreover,a normal sine wave with less harmonic distortion can be directly gotten without filtering.So the basic requirements of grid-connected control were achieved,which is of certain practical importance.

Buck-Boost matrix converter;direct-drive wind power system;grid-connected control;simulation

T M 46

A

1002-087 X(2013)11-2012-04

2013-04-30

湖南省自然科学湘潭联合基金（10JJ9007）；湖南省科技计划项目（2012GK3099）；湖南省产学研结合创新平台项目（2010XK6066）；湖南省重点实验室建设专项项目（2011-TP4005-4）

张小平（1966—），男，湖南省人，博士，教授，主要研究方向为电力电子与电力传动。