小型风力发电并网逆变器控制策略综述

玄兆燕，马振宇，景会成，赵欣

（1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山063009；2.华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063009；3.唐山市拓又达科技有限公司，河北 唐山 063020）

小型风力发电并网逆变器控制策略综述

玄兆燕1，马振宇1，景会成2，赵欣3

（1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山063009；2.华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063009；3.唐山市拓又达科技有限公司，河北 唐山 063020）

为提高小型风力发电系统并网工作性能，以两级式并网逆变器为对象，对其各种策略进行了对比分析。从逆变系统需要实现的控制目标出发，对现有的3种整体控制策略进行了分析。对于风能最大功率跟踪（MPPT）控制，给出了最大风能捕获方法和最大电功率输出方法，指出最大风能捕获方法在实际应用中的困难，重点介绍了最大电功率输出方法；对于直流母线电压及并网电流控制，由于其为整个风电系统的关键环节，着重探讨了其各种控制策略，分析其优缺点并给出了改进方案；并网滤波器作为改善并网电能质量的有效方法，对其作用及分类进行了简单探讨。最后，针对小型风力发电两级式并网逆变器控制策略的发展趋势给出了诸多展望。

两级式；并网逆变器；最大功率跟踪控制；直流母线电压控制；并网电流控制

Abstract:Analysis and comparisons of various control strategies were carried out，to improve the grid-connected performance of small scale wind power generation system，while the two stage grid connected inverter was taken as an object.Starting from control objectives inverter system needs to achieve，the analysis were carried out on the existing three overall control strategy.For wind energy maximum power point tracking（MPPT）control，the maximum wind energy capture method and the maximum power output were given，the difficulties in the maximum wind energy capture method in practical application were pointed out，the maximum power output method was focused on.Because DC-link voltage and grid current control are key links for the entire wind power system，its various control strategies were emphatically discussed，its advantages were analyzed and the improvement plan was put forward.Grid connected filter was as an effective method to improve the quality of grid connected power，its function and classification were briefly discussed.Finally，the development trend of small wind power system two levels of grid inverter control strategies were presented.

Key words:two-stage；grid-connected inverter；maximum power point tracking control；DC-link voltage control；grid current control

随着化石能源危机和环境污染问题日益突出，绿色可再生能源得到了快速发展。近年来，国内外建立了大量风力、光伏发电站。我国总体风能资源较丰富，但分布不均匀，出现了风能资源富集区域与负荷中心区域逆向分布［1］。使得大型风电站必须经过高压远距离运输才能到达负荷中心，不仅增加了投资成本，还造成一定资源的浪费。此外，由于风速的随机性使得大型风电站的接入给公用电网电能质量带来很大的冲击。

为解决这些问题，风力发电重心逐渐由“大型集中式”向“小型分布式”接入倾斜［2］。分布式发电系统以其投资少、冲击性低、位置灵活等优势，适应了我国风力资源分布特点，得到了大力发展。小型风力发电系统作为分布式发电的重要组成单元，近年来得到了广泛的关注［3］。并网逆变器是小型风力发电系统中的关键电气设备，其控制策略与风电系统的安全性、稳定性、高效性等各种性能密切相关，影响整个分布式发电系统及电网运行。两级式并网逆变器由于其控制算法简单、谐波含量低、动态性能好等优点，被更多地应用到小型风电系统中。当今很多控制策略都是针对光伏式发电系统，并不完全适用于风力发电。因此，构建精准的小型风力发电系统构架，采用适合风电系统的控制策略有待进一步的研究和开发。

本文针对小型风力发电系统中两级式并网逆变器控制策略进行综述，对MPPT控制进行了分类，详细介绍了应用在两级逆变器中的控制方法。对直流母线电压及并网电流控制进行了探讨分析，给出了优缺点及改进方案。最后指出了小型风力发电系统中两级式并网逆变器控制策略的发展趋势。

1 整体控制策略分析

1.1 控制目标

整个风力发电逆变系统需要实现3个目标：

1）实现最大功率跟踪，提高输入功率；

2）稳定升压后直流母线电压值，保证逆变环节的正常进行；

3）实行并网电流与电网电压同频同相，使其单位功率因数并网。

1.2 控制策略

针对这3个控制目标，目前两级式并网逆变器有3种控制策略。A策略：前级DC-DC实现直流母线电压的稳压，后级DC-AC实现MPPT控制，并完成单位功率因数并网。B策略：前级DCDC实现MPPT控制，后级DC-AC实现直流母线电压的稳定和单位功率因数并网。C策略：在DC-DC和DC-AC电路中联合实施MPPT控制方法，前级实施全局搜索实现对最大功率点（MPP）的快速近似定位，后级利用前级的结果对Boost电路占空比微调，实现对MPP的准确定位［4］，该方法能够在外界条件剧烈变化时实现MPPT，但此时MPPT控制和并网电流控制存在严重耦合，因此控制策略相对复杂，逆变电流质量较易受到影响［5］，不适合实际应用。

1.3 控制策略比较分析

图1为整体控制框图。

图1 整体控制框图Fig.1 Integral control block diagram

A策略控制框图如图1a所示，Boost开关直接通过升压后的电压来控制，能够较快实现直流母线电压稳定，稳压效果好且稳定后母线电压接近直线。指令电流参考幅值是由整流后的电流Iw、电压Uw通过MPPT控制器得到。但MPPT的实现是通过后级控制前级间接实现的，搜索精度低且和Boost稳压控制存在耦合，控制策略相对复杂。B策略控制框图如图1b所示，前级能够直接进行MPP搜索，搜索精度高。指令电流参考幅值是以升压后的电压Udc为依据，通过后级控制器得到，实现了前后两级解耦控制，因此得到了广泛的研究和应用。但B策略是依靠后级的电压环从功率平衡的角度实现稳压控制，动态响应慢且直流电压有波动。为了解决这一问题，很多学者对其控制策略进行了具体研究［6-7］。

2 最大功率跟踪控制

2.1 最大风能捕获方法

最大风能捕获方法是通过调节风力机的转速实现最大风能的利用。按照控制目标的不同，可以分为2类：第一类以最佳叶尖速比为控制目标，对风力机转速进行调节；第二类以风力机输出功率为控制目标，对风力机转速进行调节。

第一类包括叶尖速比法、功率信号反馈法（也称功率曲线法或最优转矩法）［8］。叶尖速比法需要实时测量风速，与风力机转速的叶尖速比进行差值计算，来调整风力机转速，使其始终运转在最大风能利用点。功率信号反馈法是根据最佳功率曲线，调节风力机的输出功率，从而获得最佳叶尖速比，捕获最大风能。这类方法的缺点: 1）需要建立精确的风力发电机模型；2）需要风速测量装置，实时监测风速。因此，在实际应用中具有很大的局限性。

第二类是三点比较法，其原理是在某一特定风速下，根据风力机输出功率与转速的关系曲线，在该曲线上取3个不同角速度对应的输出功率进行比较，根据功率大小调节转速，从而实现最大风能追踪。这种方法最大的优点是能够用软件控制来实现。三点法控制原理如图2所示。在图2a的情况下，需要增加机械角速度；在图2b的情况下，需要减小机械角速度；在图2c的情况下，需要调整角速度在ω2与ω3之间，直到获得最大的风力机输出。

图2 三点法控制原理Fig.2 Three control principle of 3 point method

2.2 最大电功率输出方法

最大电功率输出方法是通过调节风电系统发电机的功率，以达到发电机功率输出最大，从而达到最大功率跟踪控制的目的。主要包括爬山法和最大功率控制小信号扰动法。

2.2.1 爬山法

爬山法主要应用在直驱式风力发电系统中。此法是人为的对转速进行干扰，通过控制发电机电磁转矩使风机转速趋于给定，反复进行搜索，调节输出功率，直到达到发电机最大功率输出。

图3为风力发电输出功率特性曲线。

图3 风力发电机输出功率特性曲线Fig.3 Output power characteristic curves of wind power generator

图3中，当系统功率达到最大值，此时占空比变化量ΔD=0。当系统工作在A区，需调节占空比D向顶点方向增大；当系统工作在B区，需调节占空比D向顶点方向减小。如此反复调节使系统平均功率达到最大值，实现MPPT功能。其优点为不需要测定风速装置，可由软件编程来实现控制；系统具有一定自适应能力，适合小惯性的风力发电系统。缺点为在MPP处转速振荡，使输出功率有波动；在惯性较大的风力发电系统中，响应时间长，跟踪速度慢。

近年来，由于智能控制的非线性、先进性和自优化性等特点，也被引入了MPPT控制中。文献［9］提出了基于粒子群优化的爬山法，使得系统能够快速精确地工作在MPP处，提高了传统爬山法的搜索速度。但这些智能控制方法建模复杂，在工程实际应用中仍存在很多问题。

2.2.2 最大功率控制小信号扰动法

最大功率控制小信号扰动法的控制过程为：在系统中注入缓慢变换的小幅正弦波扰动信号，通过在正弦波信号的极值点时刻对输出电流采样，利用采样值差的积分产生相应的控制作用。其控制原理如图4所示，正弦扰动信号幅值为Dm，角频率为ω0。

图4 最大功率小信号扰动法控制原理Fig.4 Control principle of maximum power small signal perturbation method

若系统工作在点a1，其对应的占空比为d1，正弦扰动信号产生的扰动量在d2和d3之间连续变化，此时瞬时占空比d为

式中：I2，I3为来自电流检测回路的电流。

当输出电压恒定，输出功率与输出电流成正比K时，式（1）才成立。

结合图3进行具体工作分析：当系统工作在A区时，为使系统工作在最大功率处，需增加占空比d；当系统工作在B区时，为使系统工作在最大功率处，需减少占空比d。当电流检测回路电流I2=I3时，此时占空比稳定在最大点上，输出电流和扰动信号之间的相位差为90°。

最大功率小信号扰动法成功的关键为如何正确选取扰动信号参数。扰动信号角频率太大，系统难以实现；角频率太小，系统动态响应慢；幅值太大，系统波动大；幅值太小，不易检测，控制性能差［10］。角频率选取原则为各频率特性曲线能在误差范围内相互分离；幅值选取原则为在各种风速条件下，均能实现最优点的寻找。

3 直流母线电压及并网电流控制

3.1 直流母线电压控制

电压环的任务主要是完成给定电压参考值的跟踪控制，实现直流母线电压的稳定，并得到指令电流参考幅值。由于被控对象为定值，理论上利用PI控制器即可实现较好的跟踪控制。如图5所示，直流侧电压给定参考值与实际测得的电压值作比较，差值送入电压环控制器，得到参考幅值，该值再被送到电流环控制系统，对系统控制发生作用。

3.2 并网电流控制

图5 直流母线电压及并网电流控制框图Fig.5 DC-bus voltage and grid connected current control block diagram

电流环是逆变器并网控制的关键，它最终决定了逆变器并网电流的质量。为了保证逆变电流符合并网要求，很多学者对其进行了研究，提出了各种控制策略。如PI控制［11-12］、比例谐振PR控制［13-15］、滞环控制［16-17］、无差拍控制［6，18］和重复控制［19-20］等。

PI控制算法简单、可靠性高、鲁棒性强，容易用软件实现，适合应用在易于数学建模的控制系统。但其对电流跟踪存在误差，受电网电压及功率扰动的影响大，对各低次电流谐波缺乏抑制能力。为了得到良好的并网电流波形且抑制谐波的影响，文献［11］提出了电流PI控制与电网电压前馈相结合的SPWM复合跟踪控制策略，仿真结果表明该策略能够有效地减少并网电流谐波，但系统不能消除稳态误差且网压前馈增加了电流检测的复杂程度。文献［12］提出了一种基于干扰观测器的PI控制，该控制策略保留了传统PI控制的优点，并且很大程度地改善了系统的动、静态性能，但该策略需要引入低通滤波器来建立外部干扰对应的精确数学模型。

PR控制利用基波频率处的谐振得到基频处的无穷增益，从而完全消除稳态误差，但其对元器件参数精度依赖性很强，且在非基频处谐波抑制效果较差。因此，一种具有优越性能的准PR控制被提出。准PR控制既能保持PR控制的高增益性，同时解决了非基频处谐波抑制差的缺点，但其不能提供相角补偿且控制参数的整定有很大的局限性。文献［13］在准PR基础上提出了准PRD控制，即在PR控制中加入微分控制，改善了系统的稳定性和动态性能，提供了相角补偿，但其具体参数不易设计。文献［14-15］把智能控制策略引入进来，提高了系统的自适应能力，解决了参数整定困难，但其分别引入了模糊、神经网络控制，方法相对复杂，实施于单相并网发电系统中存在较大难度。

电流滞环控制框图如图6所示，利用滞环带宽把电流跟踪误差限制在带宽范围内，根据电流跟踪误差是否超过滞环带宽来决定功率器件的开关状态。该策略响应速度快，稳定性高，输出的并网电流不含特定次谐波，其硬件电路易于实现。但该控制开关频率不固定，可靠性低，使得逆变器及输出滤波器设计难度增大。为了解决开关频率问题，文献［16］提出了一种改进的定频滞环电流控制算法，首先将线电压空间矢量的复平面分区，再控制每个区的线电流，调节滞环宽带。该方法最大的优点是在没有额外建立模拟电路的条件下便可实现对开关频率的稳定控制，但在对各相线电流单独控制时仍需对开关进行解耦计算。文献［17］提出了一种动态调整的自适应滞环控制策略，仿真结果表明该策略能实现开关频率的恒定，且当开关频率处在较高状态时，仍然能保证正弦电流的质量，但该策略需要依赖电气参数来自适应地改变滞环宽度。

图6 电流滞环控制框图Fig.6 Current hysteresis loop control block diagram

无差拍控制是基于电路模型的控制方法，具有良好的动态响应，控制精度高且系统设计与调试简单，但其存在着延时和严重依赖精确电路模型及准确元件参数的问题。把电流观测器应用到预测电流中是目前最常用的解决延时问题的方法。文献［18］提出了一种带前馈环节的无差拍控制策略，省去了电感电流采样的硬件环节，改善了系统鲁棒性，但其引入预测状态观测器，增加系统成本。文献［6］在提出了一种功率前馈的鲁棒预测无差拍控制方法通过超前控制达到并网同步，不仅改进了文献［18］的缺点，还减少电感量偏差对内环控制的影响。

重复控制是把系统外部误差信号引入到控制器内，使其具有高精度反馈控制，鲁棒性强，稳定性好，但无法抑制非周期的扰动，动态响应慢，控制实时性差。很多学者采用其与PI控制相结合的复合控制策略，通过串联或并联的方式达到更好的效果。串联组合［19］控制严重依赖PI的设计参数，对谐波的抑制能力受到限制。并联组合［20］控制鲁棒性好，能够抑制谐波，但存在控制耦合问题，如何解除其耦合，将是未来研究的关键问题。

随着现代控制理论的成熟，很多现代控制策略被应用到并网逆变器控制中，每一种策略都有其特性和优势。因此，可将不同的控制策略整合形成复合控制应用到逆变控制当中，以改善逆变系统的电能质量。

4 滤波器的作用

滤波器作为并网逆变系统改善电能质量的重要组成部分，其主要功能如下：抑制输出电流的过分波动及浪涌冲击；将开关动作所产生的高频电流成分滤除；隔离逆变桥输出的电动势与电网电动势，保护全桥开关管。目前常见的逆变器输出滤波器有3种形式：L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。

单L型滤波器主要应用于小功率场合，结构简单，能有效抑制纹波，但其对高次谐波衰减速度很难满足要求，需要采用较高的开关频率来降低谐波电流。并且单电感量比较大，影响风力发电系统的成本和性能。

LC滤波器能够消除开关频率附近的高次谐波，但在并网逆变器运行中受到电网电压钳位作用，使得滤波电容并没有起到滤波作用，仅相当于本地负载，影响了并网电流与基准电流间的相位，因此LC滤波器较少用于并网逆变器中。

LCL滤波器结合了L，LC滤波器的优点，成本低，体积小，输出波形质量高［21］，即使在低开关频率和较小的电感情况下也能满足电流谐波衰减要求，而且滤波器的电容也没有跟电网直接并联，减小了电网高频谐波的影响。但其存在谐振，使得系统不稳定，通常需要引入无源阻尼，但又导致系统功耗。因此，现在的滤波器朝着精度高、运行稳定、功耗低、成本低的方向发展。

5 结论

小型风力发电系统作为分布式发电的组成单元，是未来微电网发展的基础。研究小型风力发电逆变器及其控制策略具有重要的实际价值。

未来小型风力发电并网逆变技术研究主要集中在以下几个方面：

1）整合目前各种控制策略形成性能更加优越的复合控制；

2）并网逆变器实现对公共电网电能质量的主动治理及良好的孤岛保护性能；

3）风电存在不稳定性，电网电压瞬间跌落情况下相应的控制策略有待进一步研究；

4）对并网系统实施远程监控和人机界面功能，实现可视化，方便实现对逆变器的统一管理。

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Control Strategy Review of Small Wind Power Grid Inverter

XUAN Zhaoyan1，MA Zhenyu1，JING Huicheng2，ZHAO Xin3
（1.College of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan063009，Hebei，China；2.College of Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan063009，Hebei，China；3.Tangshan Toyoda Science and Technology Co.，Ltd.，Tangshan063020，Heibei，China）

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170909

河北省国际科技合作项目（16394301）

玄兆燕（1963-），女，博士，教授，Email：1455194609@qq.com

2016-09-01

修改稿日期：2016-12-28