风电系统双PWM变换器直流母线电压控制技术

刘 波，贺志佳，金 昊

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

风力发电已成为当今新能源技术中最成熟的发电技术，对风力发电系统的控制也就更加重要［1］。双PWM变换器是风电系统的核心装置，可实现能量双向流动，且功率因数高、谐波含量小，广泛应用于风力发电系统中的能量传输、变换及并网等方面［2］。

双PWM变换器中的直流母线是风电系统能量传输的中间环节，在直流母线电压恒定的条件下，网侧变换器可实现交流侧单位功率因数控制，并为机侧变换器提供稳定直流电源，确保机侧变换器可靠工作;同时可实现机侧与网侧变换器的独立控制及风电系统的稳定运行。在风电系统运行中，当电网电压或负载(风能)发生变化时，势必造成两侧动态功率不匹配，使直流母线电压产生大幅度波动，若控制不当，会引起母线电压急剧升高，进而导致直流母线两侧变换器的功率开关器件过电压击穿，对风电系统的安全稳定运行造成严重的危害［3－5］。有效控制直流母线电压的波动，提高系统运行的稳定性与可靠性成为双PWM变换器控制的关键技术及研究热点。本文将对风电系统中的双PWM变换器直流母线电压控制技术进行综述，指出各种控制技术特点、存在的问题及其发展趋势，为风电系统双PWM变换器的控制提供参考。

1 双PWM变换器直流母线电压控制策略

目前，绝大多数双PWM变换器控制策略中，一般采用矢量控制策略将网侧变换器(PWM整流器)和机侧变换器(PWM逆变器)进行独立控制，基本控制原理如图1所示。

由于整流器和逆变器被直流环节的大电容隔开，负载端突变的影响只能先作用在直流端的电容上，导致母线电压的波动。为了减小母线电压的波动，一般在直流端使用大容量的电容，减小整流端和逆变端之间的影响。但是加入大电容后，系统的动态性受到了严重的影响。为维持直流侧电压恒定，防止大的波动，需要加大直流侧滤波电容，不仅带来成本高、体积大、不稳定的问题，而且加大了电压控制环的时间常数，减慢了电压控制环的调节速度，影响变换器的控制性能。不论是整流器侧还是逆变器侧电量变化时，各自调节，没有整体性。

图1 基于双PWM变换器风电系统基本控制原理图

1.1 基于电容电流的控制

电容电流直接控制，该控制方法通过控制流入直流母线电容的电流等于零，使得流入机侧变换器电流等于网侧变换器的流出电流，从而稳定母线电压。

1.1.1 电容电流前馈控制

电容电流前馈控制，其双闭环控制结构是外环为电压控制环，内环为电流控制环，在电流内环处引入了电容电流前馈信号并与电压调节器的输出叠加，作为网侧变换器输出d轴电流的给定值，电容电流视为电容电压的扰动，引入电容电流作为前馈以补偿其对直流母线电压的影响，抑制直流母线电压的波动［6－7］。

该控制策略将电容电流的补偿设在电流控制环内，需要经过电流调节器作用才能产生有效的控制电压，其动态性能受到自身延迟(计算延时和PWM输出延时，有的还会产生采样延时)的影响。

文献［8］在分析电流环时序的基础上，指出计算延时是电流环中最主要的延时环节。由于受到开关器件性能和散热能力的限制，高压大容量PWM整流器开关频率较低，闭环带宽也低，致使其动态和稳态性能较差。对PWM整流器的内环，即电流环，通过调整电流采样至PWM更新的时序，可以使闭环带宽提高至原先的3倍左右，大大提高了电流环的性能。然而新的电流环时序对整流桥输出的电压空间矢量的幅值有一定限制，削弱了整流桥对网侧电流的控制能力，使直流母线电压抵抗电网电压升高的能力变差。在电网电压升高时，控制整流器从电网吸收一定的落后无功功率，可以增强对网侧电流的控制，因而增强对直流母线电压的控制。

1.1.2 电容电流反馈控制

文献［9］提出了改善型电容电流反馈控制策略。在电流控制环的调节器输出端加入电容电流的反馈信号进行补偿。

电容电流的反馈信号中含有微分算子，反映了电容电流变化的动态特性，且补偿信号不经过电流调节器，避免了与调节器的相关延迟，可加快对直流母线电压控制的动态响应，直流母线电压波动将会大为减小。同时，设置电容电流给定值为零，使电容电流实时跟随其给定而保持恒定，实现电容电流无静差调节，且由于没有电流流入电容，直流侧电压不会产生变化，可减小电容容量。但是谐振抑制能力差，入网电流容易发生畸变。

1.2 基于机侧变换器的控制

基于网侧变换器的控制策略把直流母线电压稳定作为控制目标之一，能够控制机侧和网侧的能量流动，使其达到平衡的稳定状态，系统响应快。但对由于机侧负载变化产生的直流母线电压波动却未加考虑。基于机侧变换器的控制策略通常采取双闭环控制结构。电流内环用于快速克服机侧负载变化引起直流母线电压波动;电压外环维持直流母线电压等于其给定值，实现了基于机侧变换器的直流母线电压控制。

在双闭环控制基础上加入负载电流前馈控制是提高机侧变换器抗负载扰动的主要方法。扰动前馈补偿的引入并不影响原闭环系统的稳定性，而闭环控制的存在又降低了对负载电流检测精度和前馈补偿器精度的要求。其能量转换效率有所提高，系统响应速度加快，动态特性较好，各项稳态参数的性能也较优越［10］。

文献［11］提出了前置双向Buck/Boost变换器的直流母线电容电流控制策略，该方法采用母线电压闭环和电容电流闭环的双闭环控制结构，通过将负载电流变化趋势前馈到双向Buck/Boost电路的发波环节，提高了电路的动态性能，实现了对直流母线电压波动的良好抑制。但由于电路是否处于电流连续工作状态与负载有关，为保证在负载变化较大时电路仍处于电流连续工作状态，要求电路工作频率较高，对控制系统的动态调节速度要求也较高。

1.3 直接功率控制

直接功率控制DPC(Direct Power Control)是当电网电压一定的情况下，通过控制网侧变换器瞬时有功功率和无功功率间接控制瞬时电流在允许范围内。

1.3.1 有功功率直接控制

网侧变换器的直接有功功率控制，采用有功功率控制内环、直流母线电压控制外环，通过检测电网电压和电流，得到网侧瞬时有功功率，并与电压调节器的输出进行比较，实现对网侧变流器瞬时有功功率的直接控制，及时抑制了网侧负载变化对直流母线电压的扰动，进而达到控制直流母线电压稳定的效果。

与直接电流控制相比，DPC控制具有更高的功率因数，更低的总谐波失真值THD(Total Harmonic Distortion)，能够保证稳态时网侧和机侧变换器的优良性能，算法和系统结构简单等优点。但由于未能将网侧与机侧变换器的控制协调考虑，当发电机负载突变时，网侧变换器的控制系统无法及时感知来自发电机负载的扰动而实施控制，势必造成变换器两侧功率的不平衡，使母线电容充放电，还会造成直流母线电压波动［12］。

目前直接功率控制已经在PWM整流变换器方面得到应用，基于虚拟磁链的PWM整流器的直接功率控制，以虚拟磁链为核心，建立三相PWM整流器直接功率控制系统的模型结构，应用矢量空间变换方法及数字信号处理技术，在实验平台上对所设计的基于虚拟磁链的三相PWM整流器直接功率控制系统进行实时控制实验，与传统的直接功率控制相比，结构简单，能减少传感器的数量，且抗干扰能力强，电网输入电流的畸变较小，具有更优的瞬时功率动静态特性［13］;王久和提出了设置扇形边界死区的电压型PWM整流器的直接功率控制，减少了扇区边界误选开关量的现象［14］。

1.3.2 电容功率前馈控制

在能够估计或计算直流母线电容功率的情况下，将直流母线电容功率信号前馈至有功功率调节器输出端，与瞬时有功功率输出值叠加，使网侧变换器的有功功率跟随直流母线电容功率变化，这样直流母线电容中将不会有电流经过，因此，母线电压可以稳定于恒定值。同时，可在直流电压波动允许范围内降低电容容量。

该方法将瞬时有功功率与负载功率进行比较得到电容上的瞬时功率，将该功率值与其给定值比较，将直流母线电容功率的变化直接反映在交流侧有功功率指令的变化上，实现了对网侧变换器的电容功率前馈控制，使网侧瞬时有功功率的调节避开了电压外环间接调整的缓慢过程，有效抑制了直流母线电压波动［15－17］，进而可以减小中间电容的容量及系统的体积和成本。

直接功率控制系统具有控制方法简单、单位功率因数以及良好的动、静态性能，但在扇区边界区域容易出现无功失控区，会造成这些地方无功波动比较大，影响整个系统的控制性能，此外，由于功率内环采用滞环控制，开关频率不固定，在实际系统中对滤波器的设计造成一定的困难。

1.4 协调控制

协调控制是将机侧和网侧变换器作为一个整体进行控制，也称为一体化控制。可在风速变化时，使双PWM变换器的直流母线电压波动大为减小，风力发电机系统的运行稳定性大大提高。

1.4.1 负载电流前馈控制

负载电流前馈控制，通过直接或间接测量获得机侧变换器负载电流，并将它作为前馈补偿信号引入网侧变换器的直流电压控制回路中，与d轴电流给定值叠加作为电流调节器的给定值，控制网侧变换器，以消除负载电流对网侧变换器直流侧电流的影响，及时补偿由负载变化引起的直流母线电压波动［18］。

这种控制物理意义清晰、原理简单。但前馈补偿项中只包括了机侧负载电流对网侧变换器静态特性的影响，不含其中的动态信息。并且由于机侧变换器开关状态不断变化，很难给不规则控制脉冲波形在一个PWM周期内找到合适的采样时刻，使负载电流的直接或间接测量有时会比较困难。

负载电流前馈项的计算都是在负载电流稳定情况下，不能动态反映负载侧的变化。同时，前馈项加在电压环中，由于电压环含有大电容环节，所以并没有很好地提高系统的动态性。

1.4.2 反馈线性化协调控制

根据非线性反馈线性化理论，当变换器直流母线电压恒定的情况下，适当选择输入变量与状态变量，将网侧变换器写成两输入两输出的仿射非线性数学模型，求出非线性坐标变换和非线性状态反馈量，并将反馈量在全局范围内进行线性化。网侧变换器反馈线性化协调控制依据仿射非线性模型实现网侧变换器的无功功率和有功功率的解耦控制。该方法实现了电压电流的有功分量与其无功分量的完全解耦，直流电压跟踪负载变化快，电流波动小，加速了直流母线电压的控制响应，还可减小直流母线电容容量，以减少设备的成本及体积［19］。在整流部分的控制中有效地利用了逆变部分的控制信息，控制性能得到较大改善。

这种线性化对有定义的整个区域都适用，可解决控制系统内部参数摄动与外部参数扰动的影响，系统鲁棒性强。但控制结构复杂，设计难度较大，而且引入了李代数(Lie Algebra)，对模型精度要求较高，如不能精确构建系统数学模型时，该方法将会受到很大限制。

1.4.3 功率平衡协调控制

在保证机侧变换器实现最大风能捕获控制的同时，将发电机输出有功功率前馈至网侧变换器电流控制回路输入端，与外环电压调节器输出一道构成内环电流控制器给定，实现风速变化时及时调节网侧变换器d轴电流，将发电机输出有功功率输入电网，使机侧和网侧变换器有功功率变化平衡，实现直流母线电压的恒定［20，21］。

该方法采用了机侧变换器有功功率的动态信息参与对网侧变换器的控制，充分利用了前馈控制特点，有效抑制了直流母线电压的波动。但对由电网突变等因素引起的母线电压波动无能为力，且额外引入功率前馈模块使得控制结构较为复杂。

文献［22］应用主从控制方式，对双PWM变换器采用功率平衡的联合控制策略，在风速变化时使得变换器直流母线电压波动大大减小，从而使直流母线电容量大大降低，进一步使得风力发电机组的稳定性大大提高，这对于兆瓦级风力发电机组意义更为重大。与此同时，功率平衡的联合控制策略也使风力发电机组的响应速度大为加快，从而提高了发电质量。

1.5 模糊控制策略

各种PID控制策略依赖于精确的线性数学模型，当参数变化或模型呈非线性时，PID调节将导致直流母线电压超调量过大和电流涌流，引起电压保护，可能会对电气设备造成严重的影响。

文献［23］提出一种带有自调节因数的模糊预测控制算法。随着系统负载的变化，自调节因子可以在整个控制区域内进行实时的自动调节，从而实现直流母线电压给定值通过抛物线外插值进行预测，达到最优控制效果。

文献［24］提出一种基于模糊控制的飞轮储能系统稳定风力发电机组直流母线电压控制策略。根据风力发电机组直流母线电压波动情况，通过构建模糊控制器并结合飞轮储能系统转速限制策略获得适时的飞轮转速参考值，对飞轮电机进行基于转子磁链定向的矢量控制使其快速跟踪转速参考值以控制飞轮储能系统吸收或释放能量，从而抑制了因风速的随机性而引起的风力发电机组直流母线电压波动，实现对直流母线电压的稳定控制，改善了风电机组后级变流器的工作条件，提高了对机组终端负荷的供电质量，对于维持整个风电机组安全稳定运行具有十分重要的意义。

模糊控制方法不依赖被控对象的精确数学模型，鲁棒性较强，能克服模型参数时变和非线性等不确定因素影响;结构简单，且系统响应速度较快;可有效地对系统复杂变化的状态做出判断和处理。但缺乏对控制系统分析和设计系统方法，只能凭经验和反复试探来设计控制器，无法保证控制规则的完整性。

1.6 不对称电网故障下的控制策略

一般的控制策略研究是假定电网是对称的，三相电压时间和空间都是互差120度。当电网电压出现不对称故障的时候，这种控制策略会产生谐波功率，影响整流电路的性能。所以近年来国内国外都对不对称故障下PWM整流器的控制策略进行研究。改进后的策略必须要保证两个性能指标:输出电压的恒定以及输入电流的正弦。传统的控制策略就无法保证有良好的效果，低次谐波幅值增大，产生非特征谐波，同时损耗相应增大，严重时可能造成PWM整流器的烧毁。为了使整流器在电网不对称条件下仍然正常运行，必须抑制输入侧的谐波功率。电网不对称故障引起用户电网终端存在着正序和负序电压，为了抑制谐波功率，必然需要让PWM整流器存在相应的负序电流，才能满足单位功率因数运行。传统的双闭环系统中仅对正序电流进行直接控制，而在电网电压不对称时候，则需要改进电流控制策略对网侧的负序电流也进行控制。

文献［25］应用的是正负序d、q电流内环控制，这种方法基于不对称电网下正负序的无差分解。正负序d、q坐标控制的方法是对传统双闭环结构的一种改进。它继承了传统的双闭环结构，控制思想比较直接，并且能够很好地分别在不对称电网下对正负序量进行控制，保证了PWM整流器在故障电网下的输入输出特性，提高它的不间断运行能力。

然而电流的正负序分离计算必然会在控制系统中引入误差，而且控制比较复杂。而正负序分量分离的原因在于，作为电流控制环的PI调节为了得到无差控制希望给定是恒值。所以，可以寻求一种新的电流跟踪来替代PI调节器，这样就可以不进行正负序分解，使控制系统得到简化。

2 结束语

本文阐述了风电系统双PWM变换器的作用及其直流母线电压稳定对于风电系统控制的重要意义。综述了目前国内外对双PWM变换器直流母线电压的控制策略，指出了各种控制技术的优缺点及存在的问题。基于电容电流的直接控制技术已经比较成熟，结构简单、响应速度快，但需要建立在明确的数学模型基础上，当系统参数发生改变时，无法达到预期效果，鲁棒性较差;直接功率控制策略以直流母线电容瞬时有功功率为零作为控制目标，抑制直流母线电压的波动，系统响应速度较快，控制性能较好。以上两种控制策略的控制目标是使流入直流母线电容的电流或者瞬时功率等于零，在实际控制当中容易产生误差，需额外引入补偿控制器来弥补，适用于风速波动不大且电网电压不易发生异变的情况;协调控制技术将机侧和网侧变换器作为一个整体进行协调控制，避免了对机侧与网侧变换器独立控制的不足，可实现在电网电压发生不对称故障的情况下对直流母线电压的波动范围和系统的稳定进行良好的控制，但其仍然采用的是常规的PI控制结构，存在动态性能不足的缺点。模糊控制通过构建模糊规则实现系统的动态控制，无需建立精确数学模型和准确的输入就能实现快速控制，具有很强的鲁棒性，弥补了常规PI控制策略的众多不足之处，但其控制精确度不太理想，控制结构复杂。

双PWM变换器直流母线电压的控制是风电系统控制技术中的关键技术，涉及到变换器开关器件的安全、能量变换与控制质量、能否实现对直流母线两侧变换器的解耦控制，风电系统能否稳定运行及降低成本等问题，因此，风电系统双PWM变换器直流母线电压控制的研究重点将是减小网侧变换器直流侧输入电流谐波畸变率、提高系统的功率因数、减小系统的非线性，提高电能质量;加快控制系统的动态响应、降低开关损耗，提高系统的转换效率;减小直流母线电容容量，降低控制成本。控制策略将逐步采用智能化控制，有效克服风电系统参数时变与非线性因素对双PWM变换器控制的影响。

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