永磁直驱风电系统双PWM变换器前馈补偿控制

刘 波，金 昊

（东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012）

0 引言

永磁直驱风力发电系统常采用双脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation）变换器实现并网发电。当风速变化时，永磁发电机输出功率将随之改变，在常规控制过程中，双PWM 变换器直流母线电压会随之出现大幅度波动，影响系统的安全运行。因此，在风电机组的运行中有效抑制双PWM 变换器直流母线电压波动是双PWM 变换器控制的关键[1-2]。文献[3-4]采用机侧变换器电流前馈的控制方法，发电功率的变化通过前馈控制使网侧变换器电流控制内环给定值随之改变，而不影响到直流母线电压，但是采样电流随开关状态变化不规则脉动，采用低通滤波器又降低了控制的响应速度；文献[5]通过将机侧瞬时有功功率直接前馈到网侧瞬时有功功率控制环输入端，避开了电压环对功率的间接、滞后调节，加快了系统的响应速度，减小了功率扰动的干扰，有效抑制了直流母线电压的波动。经深入分析，在功率前馈通道增加补偿环节可减小甚至完全消除功率扰动对直流母线电压的影响。为此，本文提出功率前馈补偿的协调控制策略，进一步提高前馈控制效果。

1 双PWM 变换器控制策略

基于双PWM 变换器的永磁直驱风电系统结构如图1所示。

图1 基于双PWM 变换器的永磁直驱风电系统结构图Fig.1 Structure of permanent magnet direct driven wind power generation system based on back to back PWM converter

1.1 机侧变换器的控制

永磁直驱风电系统机侧变换器的控制目标是将永磁同步发电机输出的频率和幅值不断变化的电压、电流，经PWM 变换器转化为电压恒定的直流电，同时控制永磁同步发电机运行，使其输入电流为正弦波，并通过调节发电机定子电流来控制其转速，确保风力机运行过程中捕获最大风能[6]。

根据永磁同步电机的原理及矢量的等效坐标变换，使电机定子电流合成矢量is定向于q 轴，则其d 轴电流分量将为零，即isd=0，机侧变换器的整体控制如图2左半部分所示。采用速度外环、电流内环的双闭环控制结构，其中外环角速度的参考值ω*是根据最大功率追踪算法给定。

图2 双PWM 变换器负载功率前馈控制结构图Fig.2 Load power feed forward control of dual PWM converter

1.2 网侧变换器的控制

永磁直驱风电系统网侧变换器的控制目标是实现直流母线电压稳定及变换器与电网之间的无功功率为零。由图1可以看出，永磁直驱风电系统运行中永磁同步电机 PMSG (Permanent Magnetic Synchronous Generator)输出的瞬时有功功率Ps随风速变化并经机侧变换器馈入直流母线侧，若忽略机侧和网侧变换器功率损耗，机侧变换器输出功率Ps与发电机输出功率相等，同理，直流侧经网侧变换器与电网之间的瞬时有功功率即为Pg；当风速变化时Ps随之变化，若Pg不能及时跟踪其变化，多余的能量将由直流母线电容器所吸收或释放，使直流电压产生波动[7]。

如果在风速变化时能把发电机输出的有功功率通过双PWM 变换器及时馈入电网，实现网侧瞬时有功功率与电机侧瞬时有功功率动态平衡，则可使机组运行中直流侧电容充放电功率波动减小，维持直流母线电压稳定。因此，本文对网侧变换器采用直接功率控制，将发电机侧瞬时有功功率Ps直接前馈于网侧瞬时有功功率控制回路给定值处，避开了电压外环对Pg的间接调节，使Pg及时跟踪Ps的变化，抑制直流母线电压的波动，从而构成了网侧变换器直接功率前馈协调控制策略。

1.2.1 直接功率解耦控制

根据双PWM 变换器的永磁直驱风电系统结构及其运行原理，对网侧变换器的控制而言，可将机侧变换器与PMSG视为一个整体且作为网侧变换器负载，则网侧变换器的整体结构如图3所示。

图3 网侧PWM 变换器结构图Fig.3 Three-phase voltage source PWM converter

通过对其电路分析，可得网侧变换器在d、q同步旋转坐标系下的功率数学模型为

式中：p、q为网侧变换器瞬时有功功率、无功功率；pfz为负载瞬时功率；esd、esq为三相电网电压ega、egb和egc的d、q 轴分量；urd、urq为网侧变换器输入电压ura、urb和ucb的d、q 轴分量；ωe为网侧电压、电流角频率。

根据式（1），采用PI 控制器控制有功功率、无功功率，考虑各自的耦合项，则可得出网侧变换器有功功率和无功功率解耦控制器模型。

式中：Kpp、Kip分别表示有功功率控制环控制器的比例系数和积分系数；Kqp、Kiq分别表示无功功率控制环控制器的比例系数和积分系数；p*、q*表示有功功率、无功功率给定值。

综合式（1）和式（2），便可实现网侧变换器有功功率和无功功率的解耦控制[8-10]，控制回路结构如图4所示。

图4 网侧变换器功率解耦控制回路结构图Fig.4 Power decoupling control of PWM converter

1.2.2 负载功率前馈控制

永磁直驱风电系统双PWM 变换器直流母线电压稳定程度主要取决于网侧变换器有功功率控制回路对负载功率扰动的控制作用。为了使网侧有功功率及时跟踪负载有功功率的变化，有效抑制直流母线电压波动，将负载功率直接前馈于有功功率控制回路输入端，指导网侧变换器有功功率的调节，协调直流母线两侧瞬时功率平衡[5,11-15]。其控制原理结构如图5所示。

图5 网侧PWM 变换器负载功率前馈控制结构图Fig.5 Load power feed forward control of PWM converter

对电压控制外环同样采用 PI 控制器，则网侧变换器直接功率前馈控制原理如图2右半部分所示。瞬时无功功率给定值q*=0，控制网侧变换器实现单位功率因数运行。直接功率控制环取代了电流控制内环、减少了坐标变换次数，提高了控制运算响应速度，简化了系统设计。

图5中虚线箭头方向表示功率前馈控制前向通道，根据控制原理可以得出功率前馈控制前向通道传递函数为

而扰动通道的传递函数为

根据扰动通道与前馈控制通道的关系，结合前馈控制作用，负载功率扰动的总传递函数为

由此可见，对负载功率扰动的控制效果取决于传递函数G(s)，为了进一步减小扰动的影响，可以使负载功率扰动的总体作用为零。为此，在功率前馈通道中增加一个环节Gf(s)，对功率前馈控制通道进行补偿，使前馈控制通道完全抵消负载功率的扰动，系统结构如图6所示。

图6 具有补偿环节的负载功率前馈控制结构图Fig.6 Load power feed forward compensation control

此时负载功率前馈控制通道传递函数为

则负载功率扰动的总传递函数为

为完全消除扰动影响，令

即

则

当负载功率变动时，Gf(s)环节对前馈控制通道进行补偿，能抵消负载功率扰动对直流母线电压的扰动，进一步减小由负载功率变化引起直流母线电压的波动。

2 对比仿真

为验证永磁直驱风电机组双PWM 变换器负载功率前馈补偿控制策略的控制效果，本文采用Matlab/Simulink 软件工具分别对不具有补偿的和具有补偿的两种前馈控制策略在负载功率变化时的控制特性进行对比仿真，仿真结果如图7和图8所示。在0.6 s 时使网侧变换器负载突然增加100%（相对于风速变化），由图7可以看出，负载功率扰动经前馈补偿控制，直流母线电压跳跃峰值比无补偿情况减小，且不产生震荡，调节过程更加稳定。

图7 直流侧电压仿真波形Fig.7 DC voltage simulation waveforms

如图8的仿真结果所示，负载突变时，网侧A相电压仍能够保持与对应相电流同相位，说明这种前馈补偿控制策略对网侧变换器的无功功率调节没有影响，并进一步改善了直流母线电压的稳定控制效果。

图8 A 相电压电流仿真波形图Fig.8 A simulation of the phase voltage and current waveforms

3 结论

（1）本文对永磁直驱风电机组双PWM 变换器的网侧变换器采用基于SVPWM 调制的直接功率控制，使开关频率固定，有利于硬件电路设计，减少了控制过程中的坐标变换，提高了控制响应速度。

（2）为减小风电机组运行中双 PWM 变换器直流母线电压波动，提出对网侧变换器的有功功率采用发电机侧瞬时功率（负载功率）前馈控制策略，实现了双 PWM 变换器输入输出功率的协调控制，同时大大加快了系统的响应速度，有效减小了直流母线电压的波动。

（3）在以上控制策略的基础上，为加强前馈控制对负载功率的抵消作用，提出在负载功率前馈通道中加入补偿环节，进一步提高了前馈控制效果。

（4）采用 Matlab/Simulink 仿真，结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

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