風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的直接功率控制策略

摘要 以永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，針對其變流器結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了研究。通過選擇最優(yōu)雙PWM“背靠背”變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用直接功率控制策略進(jìn)一步提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。建立了輸出功率為10 kW的并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證控制策略的正確性。結(jié)果表明，基于直接功率控制策略的“背靠背”變流拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)合理、控制策略新穎的優(yōu)點(diǎn)，在保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，電網(wǎng)電流諧波畸變率低、波形良好，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，滿足并網(wǎng)要求。

風(fēng)能作為資源豐富的清潔能源使風(fēng)力發(fā)電占據(jù)了重要地位，由于減少齒輪箱結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的可靠性，目前風(fēng)電領(lǐng)域普遍選用永磁直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。為使機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器能夠獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能和增強(qiáng)通用性，采用雙PWM“背靠背”變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器主要指機(jī)側(cè)的整流器和網(wǎng)側(cè)的逆變器，通過對機(jī)側(cè)整流器的控制來提高風(fēng)能利用率，并且使輸出的直流電壓保持在恒定值;通過對網(wǎng)側(cè)逆變器的控制來實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，輸出穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為滿足風(fēng)電并網(wǎng)要求和提高整機(jī)的工作效率，其控制技術(shù)和策略成為主要研究方向。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的控制策略得以不斷涌現(xiàn)，其中的直接功率控制技術(shù)(DPC)將交流側(cè)瞬時(shí)有功、無功功率作為被控制量直接進(jìn)行功率的閉環(huán)控制，相比矢量控制技術(shù)，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換，算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

1 變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

雙PWM“背靠背”全功率變流結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用兩個(gè)PWM變流器，該系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要的IGBT數(shù)量多，但具有較強(qiáng)的通用性，并且機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器的控制方法、電路設(shè)計(jì)相似。由于機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器由中間電容鏈接，彼此的控制是分離、獨(dú)立的，所以中間環(huán)節(jié)可以被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓源。通過對機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器的控制使風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能高質(zhì)量地并入電網(wǎng)中。

風(fēng)電系統(tǒng)的變流器主要指機(jī)側(cè)的整流器和網(wǎng)側(cè)的逆變器，實(shí)質(zhì)上，整流器和逆變器在電路結(jié)構(gòu)和原理上是相同的，它既可以運(yùn)行于整流模式，也可運(yùn)行于有源逆變模式，當(dāng)運(yùn)行于整流模式時(shí)，是將永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?，?dāng)網(wǎng)側(cè)逆變器運(yùn)行于逆變模式時(shí)將電能向電網(wǎng)側(cè)輸送。三相電壓型PWM變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為簡化分析，通常假設(shè)電網(wǎng)電動(dòng)勢是正弦波且三相平穩(wěn)，網(wǎng)側(cè)濾波電感線性各相的數(shù)值都相等，開關(guān)管為無導(dǎo)通損耗的理想開關(guān)。電網(wǎng)三相電動(dòng)勢記作ea、eb、ec;電網(wǎng)三相輸出電流記作ia、ib、ic，L為濾波電感;等效電阻的總值記為R;C是直流側(cè)的電容;udc是直流側(cè)的電壓值。為方便分析開關(guān)狀態(tài)，用Sa、Sb、Sc分別表示逆變器的3個(gè)橋臂;上橋臂導(dǎo)通下橋臂關(guān)斷用“1”表示，反之用“0”表示。在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢表示為eα、eβ;交流電流值表示為iα、iβ;開關(guān)函數(shù)表示為Sα、Sβ。

兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的三相電壓型PWM變流器數(shù)學(xué)模型的方程可描述為

2 直接功率控制策略

為更好地提高風(fēng)能利用率，優(yōu)化并網(wǎng)的性能，機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器都采用了直接功率控制策略。直接功率控制(DPC)通過實(shí)時(shí)對電網(wǎng)電壓和電流檢測，并將瞬時(shí)有功、無功功率值計(jì)算出來，然后通過與給定的有功功率和無功功率值比較，從而達(dá)到將瞬時(shí)功率控制在允許的范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)把瞬時(shí)有功、無功電流控制在允許范圍內(nèi)。

2.1 直接功率控制策略原理

電壓定向直接功率控制系統(tǒng)通過查找開關(guān)表來控制變流器，雙環(huán)控制系統(tǒng)里的功率內(nèi)環(huán)是用于對有功、無功功率進(jìn)行直接控制，而直流電壓外環(huán)的作用是為了穩(wěn)定直流側(cè)的電壓，具體原理如圖3所示。

(1)使用交流電壓、電流傳感器測得相電壓ea、eb、ec和相電流ia、ib、ic，通過計(jì)算得出瞬時(shí)有功、無功功率p和q，同時(shí)將相電壓轉(zhuǎn)化成兩相靜止坐標(biāo)系中的eα、eβ計(jì)算出扇區(qū)信號θn。

(2)直流側(cè)通過電壓閉環(huán)控制使直流母線電壓跟蹤指令值，并將直流母線電壓誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)的輸出與直流母線電壓的乘積作為瞬時(shí)有功功率的給定值pref無功功率給定值qref設(shè)定為0。

(3)將p與pref進(jìn)行做差比較得到的差值送入有功功率滯環(huán)比較器，再將q和qref的差值送入無功功率滯環(huán)比較器中，滯環(huán)比較器的輸出就是狀態(tài)信號Sp、Sq的值。

(4)根據(jù)Sp、Sq、θn進(jìn)行矢量開關(guān)表的查找來選擇所需的Sa、bS、Sc，用于驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)管。

2.2 直接功率控制策略實(shí)現(xiàn)過程

(1)瞬時(shí)功率計(jì)算。采用兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，將檢測到的三相電壓ea、eb、ec和電流ia、ib、ic，經(jīng)過C3s/2s矩陣變換得到eα、eβ和iα、iβ，計(jì)算出瞬時(shí)有功、無功功率。

(2)交流電壓矢量扇區(qū)劃分。為了確定電壓矢量位于哪個(gè)扇區(qū)內(nèi)，需要對扇區(qū)進(jìn)行劃分，這里采用將αβ平面扇區(qū)均勻地分為12個(gè)相等的部分，依次是θ1～θ12具體位置如圖4所示，相角范圍θn可以由式(2)確定

通過eα、eβ確定電壓矢量Ur的相角θ=arctan(rβ/eα)確定其所在的區(qū)間。例如，θ=arctan(eβ/eα)=-30°～0°，說明電壓矢量Ur位于θ1扇區(qū)。

(3)功率滯環(huán)比較器。可由軟件編寫或搭建施密特電路來實(shí)現(xiàn)，分為有功功率滯環(huán)比較器和無功功率滯環(huán)比較器兩種，輸入分別為瞬時(shí)有功、無功功率給定值，瞬時(shí)有功、無功功率差值△p，△q，比較器的輸出為狀態(tài)量Sp、Sq，他們表示有功、無功功率偏離給定值的狀態(tài);圖5所示為功率滯環(huán)比較器的滯環(huán)特性，可得在不同輸入情況下Sp和Sq的數(shù)值，其中，圖5(a)為有功功率，圖5(b)為無功功率，具體描述如下。

觀察圖5所示的有功、無功功率滯環(huán)比較器的滯環(huán)特性，可知：

值得注意的是，Hq的大小可影響逆變器諧波電流、平均開關(guān)頻率和功率跟蹤能力，可知有功、無功功率的滯環(huán)寬度很重要。

(4)開關(guān)矢量表的形成。Sa、Sb、Sc的取值構(gòu)成了一個(gè)開關(guān)表，代表著系統(tǒng)所需的開關(guān)狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)逆變器的開關(guān)動(dòng)作，基本電壓矢量U0～U7對瞬時(shí)功率變化的影響不同。為了能夠選擇合理的電壓矢量，可以根據(jù)功率誤差的值來判斷電壓矢量對瞬時(shí)有功功率和無功功率的影響。根據(jù)三相交流電壓矢量的位置和滯環(huán)比較器的輸出信號來定義開關(guān)表，已知基本電壓矢量，也就已知開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc，而輸出電壓矢量U由Sa、Sb、Sc及udc決定。分析考慮輸出電感等效電阻三相電壓型變流器主回路，可得

式(5)中，當(dāng)i(0)=i，當(dāng)Ur選擇U6(101)時(shí)，i將沿著U-Ur方向趨近ir，則確定SaSbSc=101，i在其他位置同樣分析，得到開關(guān)表如表1所示。其中，設(shè)置的零空間矢量是為了減少開關(guān)通斷次數(shù)。

表1列出了輸出電壓矢量U處于不同的扇區(qū)位置和不同的Sp、Sq時(shí)開關(guān)動(dòng)作，如表1所示。

3 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制策略的正確性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立了輸出功率為10 kW的風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，其中，機(jī)側(cè)整流器采用雙閉環(huán)控制策略來保持直流電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而作為網(wǎng)側(cè)逆變器的直流輸入電壓。網(wǎng)側(cè)逆變器采用功率環(huán)進(jìn)行單環(huán)控制，將輸入的穩(wěn)定直流電逆變成能夠滿足并網(wǎng)要求的交流電，下面對機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器分別進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：輸出功率為10 kW;電網(wǎng)的輸出線電壓為380 V;也即相電壓220 V;電源頻率f=50 Hz;電感L=4 mH;等效電阻R=0.1 Ω;電容C=4700μF;負(fù)載電阻RL=36 Ω;直流母線電壓udcr=600 V。

3.1 機(jī)側(cè)整流器仿真分析

發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電首先經(jīng)過整流變成直流電，為穩(wěn)定直流側(cè)電壓采用電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，建立基于直接功率控制的機(jī)側(cè)整流器仿真模型如圖7所示。

由圖8可知，相電壓和相電流同相，處于單位功率因數(shù)的整流狀態(tài)，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由圖9可知，直接電壓穩(wěn)定在給定參考值，具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，整流效果良好。

3.2 網(wǎng)側(cè)逆變器仿真分析

建立基于直接功率控制的網(wǎng)側(cè)逆變器仿真模型，如圖10所示。

仿真得到網(wǎng)側(cè)相電壓、電流波形，由圖11所示，可知電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的相位是相反的，逆變器很好地工作于向電網(wǎng)傳輸電能有源逆變的狀態(tài)，然后對單相電流進(jìn)行一個(gè)周期內(nèi)的THD分析波形如圖12所示，相電流波形接近于正弦波，THD=3.20%諧波分量較低，可滿足并網(wǎng)要求。瞬時(shí)有功功率和無功功率值如圖13所示，瞬時(shí)有功功率在10 kW附近波動(dòng)，瞬時(shí)無功功率在0值附近，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、波動(dòng)小能夠較好地跟蹤給定值。

4 結(jié)束語

本文通過選擇“背靠背”變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和采用直接功率控制策略進(jìn)一步提升風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)效果。選用的網(wǎng)側(cè)逆變器和電機(jī)側(cè)整流器可以單獨(dú)進(jìn)行分析和研究，根據(jù)仿真可知，基于直接功率控制策略的變流器可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)、網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波、諧波畸變小、直流電壓能夠保持恒定;采用直接功率控制策略的風(fēng)電系統(tǒng)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。提高了電能質(zhì)量和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并且雙側(cè)電路的設(shè)計(jì)和控制方法類似易于DSP進(jìn)行數(shù)字化控制，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了參考。