直驅型風力發(fā)電新型并網變換器控制策略研究

張小平，李 慶，劉德順

(1.湖南科技大學先進礦山裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

直驅型風力發(fā)電新型并網變換器控制策略研究

張小平1，李 慶1，劉德順2

(1.湖南科技大學先進礦山裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

Buck-B oo st矩陣變換器（BBMC）因具有優(yōu)良的電氣特性而適于作為直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的并網變換器，并就相應的并網控制策略進行研究。闡述了該變換器的基本工作原理，建立了其網側變換器基于局部平均值的數(shù)學模型，在此基礎上提出了以電網電壓為參考的雙閉環(huán)并網控制策略，并利用MA T LAB對其控制效果進行了仿真驗證。結果表明：無論BBMC輸入側電壓與頻率如何變化，其輸出電壓都能準確地跟蹤電網電壓的變化，且直接輸出高品質的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，諧波含量小，從而達到了并網控制的基本要求，具有一定的應用價值。

Buck-B oo st矩陣變換器；直驅型風力發(fā)電；并網控制；仿真

直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)因具有機組壽命長、維護方便、運行效率高等系列優(yōu)點而成為風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的主流[1-3]，而作為其中連接風力發(fā)電機與電網的并網變換器更是成為研究的重點[4]。目前在直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中應用較多的并網變換器有“背靠背雙PWM變流器”及“不可控整流+Boost升壓+PWM逆變”等方案[5]，它們雖各具有不同的特點，但同時也都存在體積大、成本高等不足。文獻 [6]提出的一種新型Buck-Boost矩陣變換器(BBMC)除具有上述并網變換器的一般電氣特性外，還具有電壓傳輸比任意可調、控制簡單、體積小及質量輕等特點，因而適于作為直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的并網變換器。文中闡述了該變換器的基本構成與工作原理，研究了將其作為直驅型風力發(fā)電并網變換器的并網控制策略，并利用MATLAB對其控制效果進行了仿真驗證，結果證明了該控制策略的有效性和可行性。

1 BBMC基本原理簡介

三相-三相BBMC的拓撲結構如圖1所示[6]。

該拓撲結構在結構上分為整流級和逆變級兩部分，其中整流級為一個3/2相矩陣變換器，它將三相輸入交流整流成PWM調制的直流電壓；逆變級則為一個三相Buck-Boost逆變器，它由三個電流可雙向流動的Buck-BoostDC-DC變換器組成，其特點是通過調節(jié)占空比，可實現(xiàn)其交流輸出電壓的任意調節(jié)，且直接輸出高品質的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)。

圖1 三相-三相BBMC拓撲結構

2 BBMC并網控制策略

以BBMC為并網變換器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。圖中BBMC作為全功率并網變換器將永磁同步發(fā)電機輸出的幅值和頻率隨風速變化的交流電變換為三相恒幅恒頻交流電連接到電網。考慮到并網變換器輸出電壓須與電網電壓保持一致時才能實現(xiàn)并網[7]，因此該控制系統(tǒng)擬直接采用電網電壓信號作為其參考輸入，通過構建以并網變換器中電容電壓與電感電流為控制變量的雙閉環(huán)控制模型，使這兩個控制變量均按確定的參考值變化，由此可在并網變換器輸出端獲得與電網電壓基本一致的輸出電壓，從而達到并網控制的基本要求。

圖2 以BBMC為并網變換器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)BBMC網側變換器的拓撲結構并基于局部平均值的概念，建立其數(shù)學模型(以第一相為例，其它兩相相同)[8]：

式中：uC1和iC1分別為電容C1的電壓和電流；uL1和iL1分別為電感L1的電壓和電流為直流側電壓；i1為輸出電流；d1為占空比。

基于上述數(shù)學模型構建以電感電流和電容電壓為控制變量的雙閉環(huán)控制模型，其中以電感電流為控制內環(huán)，電容電壓為控制外環(huán)。

電感電流控制內環(huán)如圖3所示，它以式(1)為其數(shù)學模型，該控制環(huán)因實現(xiàn)了對電感電流的直接控制而達到了提高系統(tǒng)可靠性的目的。其基本工作原理是：將電感電流參考值iL1ref與其實際值iL1進行比較，其偏差經PID控制后得電感電壓參考值uL1ref，由式(1)得：

通過式（3）即可求得占空比d1，將d1經限幅后作用于Buck-Boost變換器，控制其功率開關T1和T2的導通時間，從

圖3 電感電流控制內環(huán)原理框圖

而調節(jié)電感電流使其按參考值變化。其中電感電流參考值iL1ref由電容電壓控制外環(huán)確定。

電容電壓控制外環(huán)如圖4所示，它以式(2)為數(shù)學模型，由式（2）得：

圖4 電容電壓控制外環(huán)原理框圖

其中d1可由下式近似表示：

則由式（4）和（5）可得：

該控制環(huán)的基本工作原理是：將電容電壓參考值uC1ref與其實際值uC1的偏差經PID控制的電容電流的參考值iC1ref，由式（6）即可求得電感電流參考值iL1ref，將該參考值經限幅后作用于控制內環(huán)，再通過內環(huán)調節(jié)占空比d1，使電感電流和電容電壓按確定的參考值變化，由此可在并網變換器輸出端獲得所需的輸出電壓。其中電容電壓的參考值由電網電壓信號經變換后得到，研究發(fā)現(xiàn)，以電網電壓信號幅值的1.5倍作為直流偏置，再與該信號疊加所得到的信號作為電容電壓的參考值，效果較好。電網電壓的幅值由下列公式求得：

式中：ua、ub及uc分別為電網三相電壓；uα和uβ分別為電網靜止坐標系下的α和β軸電壓；um為電網電壓幅值。

3 仿真分析

針對以BBMC為并網變換器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)并網控制方法采用MATLAB進行仿真分析[9-10]。假設三相輸入電源、電網、功率開關、電感及電容等均為理想元件。仿真參數(shù)設置如下：輸入電源與電網采用三相對稱電壓源代替；BBMC逆變級電感與電容分別取：Li=450μH、Ci=100μF，其中i=1～3；電壓控制環(huán)PID控制器參數(shù)取：kP=5.5、kI=8×10－4、kD=1× 10－5；電流控制環(huán)PID控制器參數(shù)取：kp=50、kI=1.24×10－4、kD=9×10－6；PWM開關頻率取20 kHz；仿真分穩(wěn)態(tài)分析和動態(tài)分析兩種情況進行。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)分析在于驗證系統(tǒng)對電網電壓的跟蹤情況。任取電網電壓分別為690 V/50Hz和600 V/50Hz(對應于電網電壓的幅值/頻率)，仿真波形如圖5～8所示（只列出電網電壓為690 V/50Hz對應的波形）。其中圖5為三相輸入電壓波形，為模擬風力發(fā)電機輸出電壓隨風速變化的情況，輸入電壓采用3個不同的電壓源代替（由開關切換），分別取311 V/35 Hz、380 V/50 Hz及220 V/25 Hz（切換時間為t=0.02 s和0.04 s）；圖6為BBMC直流側電壓波形；圖7和圖8分別為電網電壓和BBMC輸出電壓的波形。仿真結果見表1，其中ηTHD表示總諧波失真度。

圖5 三相輸入電壓波形

圖6 BBMC直流側電壓波形

圖7 電網三相電壓波形

圖8 BBMC三相輸出電壓波形

表1 調節(jié)輸出電壓的仿真結果

3.2 動態(tài)分析

動態(tài)分析在于驗證當電網電壓發(fā)生突變時，BBMC輸出電壓對電網電壓的跟蹤情況。設電網電壓頻率為50 Hz，電壓幅值在t=0.02 s時由690 V突變至500 V，然后在t=0.04 s時又突變至590 V。仿真波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 電網三相電壓波形

圖10 BBMC三相輸出電壓波形

3.3 仿真結果分析

從仿真波形及表1可見：（1）針對以BBMC為并網變換器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，在穩(wěn)態(tài)時能實現(xiàn)并網變換器輸出電壓對電網電壓的準確跟蹤，其輸出電壓的幅值與電網電壓的偏差保持在0.5%以內，頻率和相位與電網電壓基本保持一致，符合并網控制的基本要求；（2）當電網電壓發(fā)生突變時，并網變換器輸出電壓與電網電壓基本保持一致；（3）BBMC直接輸出高品質的三相對稱正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，波形失真度小，由仿真結果可見，其總諧波失真度ηTHD均在0.5%以下。

4 結論

針對以BBMC為并網變換器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)，研究采用雙閉環(huán)控制策略。介紹了該控制策略的基本原理，根據(jù)該并網變換器的拓撲結構建立了相應的數(shù)學模型，在此基礎上研究了雙閉環(huán)控制策略的具體設計方法，并利用MATLAB對該控制策略的效果進行了仿真驗證。結果表明：無論BBMC輸入側或網側電壓如何變化，BBMC輸出電壓都能實現(xiàn)對電網電壓的準確跟蹤，且直接輸出高品質的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，諧波含量小，從而達到了并網控制的基本要求，具有一定的應用價值。

[1] GENG H,XU DW.Stability analysisand improvements for variablespeed multiple permanent magnet synchronous generator-based w ind energy conversion system[J].IEEE Transon Sustainable Energy,2011,2(4):459-467.

[2]SUN X K,CHENGM,HUAW,etal.Application of electrical variable transm ission in wind power generation system[C]//IEEE Energy Conversion Congressand Exposition(ECCE).Atlanta,GA：IEEE，2010:1529-1536.

[3] 陳榮.直驅風電系統(tǒng)升壓斬波器的設計與控制[J].電源技術, 2011,35(12):1568-1571.

[4]PENA R,CARDENASR,BLASCO R,etal.A cage induction generator using back-to-back PWM converters for variable speed grid connected wind energy system[C]//Proceedings of IECON’01. USA,Denver CO,2001:1376-1381.

[5] 陳瑤.直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)全功率并網變流技術的研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[6] 張小平，朱建林，唐華平，等.一種新型Buck-Boost矩陣變換器[J].信息與控制,2008,37(1):40-45.

[7] 劉其輝，賀益康，卞松江.變速恒頻風力發(fā)電機空載并網控制[J].中國電機工程學報，2004,24(3):6-11.

[8] SANCHIS P,URSUA A,GUBIA E,et al.Buck-Boost DC-AC inverter:Proposal for a new control strategy[J].IEEE,2004,5:3994-3998.

[9] 胡燕平，莫虎，余洪偉，等.基于比例減壓閥控制的液壓架空乘人裝置特性研究[J].湖南科技大學學報:自然科學版，2011,26(3): 22-25.

[10] 李建明，陳飛，姜李展，等.盤式制動裝置電液比例控制系統(tǒng)研究[J].湖南科技大學學報:自然科學版，2011,26(2):31-35.

Study of controlstrategy for direct-drivew ind power system based on anovelgrid-connected converter

ZHANG Xiao-ping1,LIQing1,LIU De-shun2
(1.Engineering Research Center of Advanced M ining Equipment,M inistry of Education,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance forMechanical Equipment,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China)

The Buck-Boost matrix converter(BBMC)with a series of excellent electrical characteristics is suitable to be taken as a grid-connected converter for direct-drive wind power system.The grid-connected control strategy was put forward in this paper.The basic principle of this converter was elaborated and the mathematical model of its grid side converter was established based on the local mean value concept.On the basis of which,the double-loop grid-connected control strategy was proposed with the grid voltage as the reference,and the validity of this control strategy was tested by means of MATLAB.The results show that the output voltage of BBMC can accurately track the variation of the grid voltage despite of the changeable input voltage and frequency.Moreover,a normal sine wave with less harmonic distortion can be directly gotten without filtering.So the basic requirements of grid-connected control were achieved,which is of certain practical importance.

Buck-Boost matrix converter;direct-drive wind power system;grid-connected control;simulation

T M 46

A

1002-087 X(2013)11-2012-04

2013-04-30

湖南省自然科學湘潭聯(lián)合基金（10JJ9007）；湖南省科技計劃項目（2012GK3099）；湖南省產學研結合創(chuàng)新平臺項目（2010XK6066）；湖南省重點實驗室建設專項項目（2011-TP4005-4）

張小平（1966—），男，湖南省人，博士，教授，主要研究方向為電力電子與電力傳動。