基于混合型模糊PI控制的双馈风力发电网侧变流器仿真研究

谢 峥，马相女，徐腾腾

（1.青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛卷烟厂，山东 青岛 266000）

0 引 言

伴随着科技发展和环境的不断恶化，全球能源危机日益严重。风能作为一种广泛分布的“可再生能源”，被认为是当前最具发展空间的新能源技术之一。近年来，风力发电得到了较快发展。在未来的发展中，风力发电将会主导着世界各国的发电行业，其中变速风力发电技术尤其是双馈型变速恒频（VSCF）风力发电技术以其独特的优势而备受关注[1]。

目前，双馈风力发电变流器多采用背靠背双PWM电压型变流器拓扑结构[2]，本文将只对网侧变流器模型进行研究。

1 网侧变流器数学模型

在双馈风力发电系统中，网侧PWM变流器通常采用三相电压型PWM变流器，拓扑结构如图1所示[3]。

图中，ea、eb、ec分别为电网a、b、c三相电压；ia、ib、ic分别为PWM变流器交流侧a、b、c三相电流；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；Sa、Sb、Sc为变流器开关函数；C为直流侧电容；Udc为直流侧电压；idc为主电路开关直流输出电流；iL为直流侧负载电流。基于d、q坐标系下SVPWM变流器的数学模型为：

图1 电压型PWM变流器拓扑结构

其中，Sd、Sq为dq坐标系下变流器的开关函数；id、iq、ed、eq为dq坐标系下PWM变流器交流侧电流和电网电压在d轴、q轴上的分量。

2 混合型模糊PI控制器的设计

混合型模糊PI控制器[4]的结构如图2所示。取e、ec为模糊控制器的输入变量，其物理论域分别为 [-200，200]、[-1 615，1 615]；选取合适的量化因子，将其由物理论域定义到模糊论域，其范围为[-6，6]；设计输入变量e和ec的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}； 输 出 Uf的 模 糊 论域为 [-1，1]，模糊子集为 {NVB，NB，NM，NS，NVS，NZ，ZO，PZ，PVS，PS，PM，PB，PVB}。经过多次试验，隶属度函数采用平滑的Gauss函数系统性能较好。

图2 混合型模糊PI控制器结构

3 混合型模糊PI控制系统结构及原理

为了验证混合型模糊PI控制器在风力发电网侧变流器中的应用，将混合型模糊PI控制器引入控制系统。考虑到单一因素影响原则，只将其引入电流内环控制，电压外环用阶跃响应代替。基于混合型模糊PI控制的网侧SVPWM变流器的控制系统结构，如图3所示。为了系统更清晰地了解网侧变流器控制系统，电压外环在控制系统结构图中先不用阶跃响应代替，在仿真过程中代替即可。

通过给定指令电压与直流侧电容电压Udc相比较的结果，经外环PI控制得到电流内环指令电流构成SVPWM变流器的电压外环。电流内环将电压外环输出的电流指令与实际电流id相比较，经模糊PI调节及解耦控制，得到变流器输入端电压d、q轴分量Usd、Usq，再经旋转-静止坐标变换及SVPWM（空间矢量脉宽调制）调制，最终得到SVPWM变流器开关器件触发脉冲信号Sa、Sb和Sc，其中交流侧电感电流的q轴分量Iq=0。将混合型模糊PI控制器引入电流内环的控制策略，不仅较传统PI控制策略响应速度更快、超调量更小，而且较常规修正PI参数的模糊控制策略动态性能也更优化，且在不同工况下系统性能也很稳定，具有良好的抗干扰性能。

图3 网侧SVPWM变流器控制系统结构

4 系统仿真

根据图3构建基于混合型模糊PI控制的SVPWM变流器控制系统在Matlab/Simulink环境下的仿真模型，模型中电压外环用阶跃响应代替。仿真模型参数为：直流电容参考电压=1 050 V，电源线电压有效值Um=690 V，直流侧电容C=0.02 F，交流电感L=0.4 mH，开关频率为2 kHz。交流侧电感指令电流为给定的阶跃响应为：

交流侧电感实测电流的d轴分量id和q轴分量iq对比响应曲线分别如图4、图5、图6和图7所示。

图4 混合模糊PI与传统PI的id对比响应曲线

图5 混合模糊PI与传统PI的iq对比响应曲线

图6 混合模糊PI与模糊PI的id对比响应曲线

图7 混合模糊PI与模糊PI的iq对比响应曲线

通过仿真结果可知，当电网侧PWM变流器启动时，混合型模糊PI控制策略的调节时间为0.001 s，超调量为1.60%，上升时间为0.002 s；而在阶跃响应状态下，传统PI控制策略的调节时间为0.004 s，超调量为4%，上升时间为0.004 s；常规修正参数的模糊PI控制策略的调节时间为0.003 s，超调量为3%，上升时间为0.003 s。可见，混合型模糊PI控制策略的响应速度更快，超调量更小，具有更加良好的动态性能。

为了验证混合型模糊PI控制器在不同工况下依然能够稳定运行，且具有一定的抗干扰性能，给出了混合型模糊PI控制策略在不同工况下交流电感实测电流的d轴分量id和q轴分量iq在的仿真结果。

假设给定的阶跃输入为：

若其阶跃响应下的id和iq的仿真结果如图8和图9所示。

图8 交流侧电感电流id响应曲线

图9 交流侧电感电流iq响应曲线

若假设给定的阶跃输入为：

则其阶跃响应下的id和iq的仿真结果如图10和图11所示。

由仿真结果可知：在给定不同阶跃输入时或者从一种阶跃输入跳变到另一种阶跃输入时，混合型模糊PI控制器对阶跃响应跟踪良好，性能稳定，超调量小，响应速度快，充分说明混合型模糊PI控制具有一定的抗干扰性能。

5 结 论

图11 交流侧电感电流iq响应曲线

本文提出将混合型模糊PI控制器引入风力发电网侧变流器系统的控制策略。在该混合模糊PI控制策略下，模糊控制规则较为简单，计算量大为减少。研究结果表明，混合型模糊PI控制策略无论是较传统PI控制策略还是较修正PI参数的模糊控制策略，其响应速度都更快，超调量更小，动态性能有明显优化。不同工况下的仿真验证也表明，混合型模糊PI控制策略具有良好的抗干扰性能。

[1]阮春长，王宏华.基于模糊控制的开关磁阻风力发电系统最大功率点跟踪控制[J].电力自动化设备，2012，32（5）：1-3.

[2] 范守婷，王 政.风力发电并网变流器同步技术研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（24）：1-2.

[3] SU Hong-sheng，JING Li-xue，YUAN Chao，et al.Research on Direct Power Control of SVPWM Rectifier Based on Fuzzy PI Control[J].Power Sources，2012，10（3）：2-4.

[4] 任碧莹，同向前，孙向东.具有限定功率运行的永磁直驱风力发电并网控制设计[J].电力系统保护与控制，2014，42（2）：1-2.