基于LCL濾波器的風力發(fā)電變流器設(shè)計

　　由式（5）可以看出d、q軸電流不獨立，存在交叉耦合關(guān)系，變流器電路雖是靜止電路，但變換至旋轉(zhuǎn)坐標系中，經(jīng)電感作用會使d、q軸之間產(chǎn)生耦合，控制系統(tǒng)只有通過解耦才能單獨控制id、iq,式中d-q軸電流除受控制量VdcSq、VdcSd的影響外，還受到交叉耦合電壓 、 擾動和電網(wǎng)電壓的擾動。因此單純的d、q軸電流負反饋不能實現(xiàn)解耦。引入電流狀態(tài)反饋解耦以及電網(wǎng)電壓作為前饋補償，即可實現(xiàn)由ud、uq分別獨立控制。應(yīng)用傳統(tǒng)的PI控制器，控制效果不好，為此采用前饋解耦控制策略，三相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下電流控制時的電壓指令為：

　　圖2為變流器控制原理圖，給定指令電壓udc*與實際直流側(cè)電壓udc比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到電流有功分量指令iq,id、iq 與交流側(cè)實際電流比較后經(jīng)PI環(huán)得到指令電壓Ud、Uq,經(jīng)過電網(wǎng)電壓、電感電壓交叉分量的前饋補償后， 將所得電壓指令送入PWM合成器， 作為控制PWM開關(guān)的指令電壓。為了提高變流器的動態(tài)性能，采用了直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓，電流環(huán)根據(jù)電壓環(huán)給出的電流指令對交流側(cè)輸入電流進行控制，控制算法考慮了d、q軸之間電流解耦；為了提高系統(tǒng)對負載擾動和電網(wǎng)電壓波動的抗干擾能力，減少由此產(chǎn)生的波動，引入了電網(wǎng)電壓的前饋控制。實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的有功、無功的解耦控制。

　　2.2 濾波器設(shè)計

　　由于控制系統(tǒng)與T型濾波器本身的參數(shù)有關(guān)，因此在進行變流器控制系統(tǒng)設(shè)計前必須先確定濾波器的參數(shù)。對于典型并網(wǎng)逆變器，在不考慮電網(wǎng)諧波影響條件下，必須通過濾波電感衰減其輸出電流中的開關(guān)頻率諧波分量，其中開關(guān)頻率的諧波電流計算式為：

　　式中fs為PWM信號的開關(guān)頻率，fout為輸出電流基波頻率取50hz,L為濾波電感。同樣在設(shè)計T型濾波器時首先參照典型并網(wǎng)逆變器電感設(shè)計方法，根據(jù)方程（12）和期望諧波電流幅值來確定T型濾波器中所需總電感量上限值，然后選取合適的電感量就可以獲得對稱的L1與L2參數(shù)。設(shè)計電容c2時要考慮所選擇的電容參數(shù)既要對開關(guān)頻率諧波電流有很好的分流作用，又要確保系統(tǒng)具有一定工作頻帶。電容c2的參數(shù)選擇依據(jù)為：

　　其中p為諧波電流相對于額定輸出電流的衰減系數(shù)，方程（7）（8）給出了針對開關(guān)頻率諧波電流設(shè)計T型濾波器參數(shù)的基本原則。T型濾波器具有自身的諧振效應(yīng)，為避免諧振的影響，該諧振頻率應(yīng)該限制在10倍的工作頻率與1/2的開關(guān)頻率之間，以免由于諧振問題在輸出電流中產(chǎn)生較大的諧波，污染電能質(zhì)量。

　　3 實驗結(jié)果分析

　　為驗證上述控制策略的實用性，在實驗室構(gòu)建了15KW的變速恒頻風力發(fā)電的模擬平臺，網(wǎng)側(cè)變流器的額定功率為15KW,直流母線電壓400V,直流側(cè)平波電容6600uf,額定電流35A,L1=0.5mH,R1=R2=0.001Ω，L2=0.5mH, C2=100uF,開關(guān)頻率設(shè)為2kHz.圖3為采用LCL型濾波器的并網(wǎng)變流器輸出的電壓電流波形。并網(wǎng)變流器采用LCL型濾波器，可以有效衰減輸出電流中的諧波分量，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的同時降低濾波器電感取值，且不影響系統(tǒng)以負單位功率因數(shù)穩(wěn)定運行。圖4與圖5分別為進行正負階躍擾動實驗時的電流響應(yīng)波形，曲線i1為采用電感濾波的變流器電流波形，曲線i2為采用LCL型濾波器的變流器電流波形，從中可以看出與典型并網(wǎng)變流器相比，采用LCL型濾波器的并網(wǎng)變流器動態(tài)響應(yīng)很快，100A-20A和20A-100A階躍響應(yīng)只需一個正弦波周期就可以進入穩(wěn)態(tài)。

　　4 結(jié)束語

　　詳細分析了采用LCL型濾波器的風力發(fā)電變流器在dq坐標系下的數(shù)學模型，針對采用LCL型濾波器對并網(wǎng)變流器系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定性，采用并網(wǎng)變流器電流。