直驱式风力发电系统电网侧三电平变流器控制策略研究

李 钢，许湘莲，苗 亚，王 舒，唐 侃

（1．武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉430070；2．国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211106）

0 引 言

随着石化能源等不可再生能源储量的不断减少，世界各国都加大了新能源发电的研究力度。风能作为一种新型能源受到国内外研究人员的广泛关注。在风力发电系统中，变速恒频发电技术已经得到成熟应用。

相对于双馈式风力发电机系统，直驱式风力发电系统省去了齿轮箱等中间环节，其可靠性和效率都大为提高。直驱式风力发电系统需要全功率变流器，网侧变流器为其关键环节，其主要作用是保证网侧功率因数为1，稳定直流电压，实现无功功率独立控制。

本文在MATLAB／Simulink软件平台上建立了三相三电平SVPWM网侧变流器的仿真模型对数学模型和控制策略加以仿真验证［1－3］，在仿真验证后研制了实验装置，并在实验装置上进行了实验验证。

1 电网侧变流器数学模型

网侧变流器采用二极管箝位式三电平拓扑结构，该拓扑变流器已经有成熟应用。建立三电平SVPWM变流器数学模型是研究三电平变流器特性的基础。为便于分析，利用状态空间平均法消除开关函数不连续性的影响。经过坐标变换将交流分量等效成两个直流部分，进一步简化计算。数学建模是控制器设计的基础，并可以进一步分析系统的稳定性。图1所示为直驱式风力发电系统网侧变流器的主电路［4］。

图1 网侧变流器主电路

二极管箝位式三电平变流电路主电路如图1所示，每一相桥臂有4个开关管和2个箝位二极管。Usa、Usb、Usc为电网三相输入电压，isa、isb、isc为电网三相输入电流，Ls、Rs分别为输入电感和线路交流等效电抗，C1、C2为直流侧电容，udc1、udc2为电容电压，iL为负载电流，电容中点与电网中点间电压为uNO［4］。

根据基尔霍夫定律及状态空间分解可得

2 网侧变流器控制策略

建立网侧变流器数学模型便可以设计变流器控制算法。在网侧变流器控制系统中，采用电压外环和电流内环双闭环控制策略。电压外环作用是：维持直流母线电压恒定，根据直流侧电压的大小决定变换器输出功率的大小和方向。电压外环输出为电流内环的给定信号。电流内环的作用是使变流器的输入电流能够跟踪电压外环的输出电流给定，从而实现单位功率因数的控制。

实现双闭环控制方法主要有：三相静止坐标系的双闭环控制方法、基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法。

由于三相静止坐标系下电压和电流存在耦合，不便于控制，通过Park变换可以得到两相旋转坐标下的数学模型。d轴上分量为系统输入的有功电流，q轴上分量为系统输入的无功电流。通过引入id、iq的前馈补偿解耦控制实现网侧变流器有功和无功分量的独立控制。基于两相旋转坐标系下前馈解耦控制方法的调节器设计简便并且容易实现单位功率因数控制［5］。

根据两相旋转坐标系dq系统模型，可以设计dq坐标系下三相电压型SVPWM整流器控制的电压指令

式中，Kpi、Kii分别为电流环的比例系数和积分系数。

图2所示为基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制框图。

图2 基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法

由图2可知，基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制思想为：电压控制器和电压反馈构成电压外环，电流控制器和电流反馈构成电流内环。给定的直流侧参考电压和实际输出电压比较之后，经电压外环PI调节器得到有功电流给定，其值决定有功功率大小，符号决定功率的流向。为实现单位功率因数，无功电流给定值设为0。将与主电路中测得的电流比较，经电流内环PI调节器后得到指令电压。再由电网电压和电感电压的交叉分量前馈补偿，得到电压给定最后经过两相旋转坐标到两相静止坐标转换，进行SVPWM调制，得到控制三相三电平整流桥的控制脉冲，从而达到控制电流为正弦波且与电压同相位的目的［6］。

3 中点电位平衡控制策略

在二极管箝位式三电平变流器中，直流侧电容中点电位不平衡是其存在的固有问题。中点电位不平衡主要表现为中点电位的偏移和中点电位波动。

为了控制中点电位平衡，需要使一个开关周期内中点电流为0，可引入中点平衡因子f。引入中点平衡因子后需重新分配7段式矢量作用时间，（1＋f）t0／4，t1／2，t2／2，（1－f）／2，t2／2，t1／2，（1＋f）t0／4。现引入一种基于PI调节的方法来产生中点平衡因子，能够避开电压、电容等参数的计算，中点平衡因子的计算如式（6）所示：

式中，Udc1和Udc2分别为上、下桥臂电压；Ti为可变积分时间常数。

实际的调节因子受幅值限制，其绝对值必须小于1，在调节PI参数时需要将f的取值范围限制在（－1，1）之间［7］。

4 仿真与实验验证

为验证数学模型和控制策略，论文搭建了基于MATLAB／simulink软件平台的仿真模型。

参数设置如下，交流线电压有效值：690 V；直流电压：1 100 V；交流电压频率：50 Hz；开关频率：1 050 Hz；滤波电感L＝0．8 mH。

为了模拟实际中电容不平衡情况，将直流侧稳压电容设为C1＝8 000μF，C2＝7 960μF；负载R＝2．5Ω。

图3为变流器直流输出电压。可以看出在3个工频周期后直流电压达到稳定值1 100 V。

图3 变流器输出直流电压

图4为添加中点平衡控制算法后中点电位波形，从图中可以看出该平衡控制算法能有效地消除中点电位偏移，并减小了中点电位波动。

图4 添加中点平衡控制前后中点电位波形

图5所示为实验验证波形。图中从上到下依次为AB线电压，上、下桥臂电压，A相电流。实验波形AB线电压波形为5电平波形，上、下桥臂电压没有偏移只有小幅波动。

图5 实验验证波形

由实验可知，基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法在三相SVPWM整流系统中有良好的控制性能。使用该方法可获得稳定的直流输出电压。同时，在电容不平衡的情况下，文中中点平衡算法可有效消除中点电位偏移，并在一定程度上抑制中点电位波动。

5 总 结

实际应用中，直流侧电容会存在一定误差，电容值的偏差会导致中点电位的不平衡，从而影响变流器的电能质量。在仿真中，变流器工作状态能够在3个工频周期内达到稳定。变流器稳定运行时，直流电压可以保持在1 100 V；变流器网侧输入电压和电流同相位，实现了单位功率因素控制；中点平衡控制算法可以有效消除中点电位偏移，并把中点电位波动限制在正负20 V以内。

［1］ 张 兴，张崇巍．PWM整流器及其控制［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［2］ 张新燕，王维庆．大型直驱永磁风力发电机及其并网运行研究［J］．太阳能学报，2008，29（4）：412－416．

［3］ 李建林，朱 颖，胡书举，许洪华．风力发电系统中大功率变流器的应用［J］．高电压技术，2009，35（1）：169－174．

［4］ 李 翀，王明渝．直驱永磁风力发电系统箝位式三电平变流器的控制和仿真［J］．华北电力，2010，38（9）：1399－1404．

［5］ 许湘莲．基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究［D］．武汉：华中科技大学，2006．

［6］ 周京华，贾 斌，章小卫，等．混合式三电平中点电位平衡控制策略［J］．中国电机工程学报，2013，33（024）：82－89．

［7］ 张 晔，汤钰鹏，王文军．三电平逆变器空间矢量调制及中点电位平衡研究［J］．电气传动，2010，40（2）：33－36．