DFIG風電系統網側變流器控制策略仿真研究

唐 美 ，穆星星

（1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.重慶文理學院 電子電氣工程學院，重慶 永川 402160）

近年來，隨著雙饋型發電機組在風電場并網系統中表現出的優越性，而倍受關注，因此DFIG作為一種主流機型在風電場建設中被廣泛地運用。由于單臺DFIG的容量不斷增加，對并網提出了更高的要求。

風電并網問題已成為智能電網建設的重要挑戰之一[1]。因此，對并網關鍵技術的研究也成為了熱點和重點，變流器控制技術就是其中之一。

目前，國內外風電研究人員已經針對雙饋風力發電機組并網控制技術進行了許多相關的研究。其中，文獻[2-5]主要是針對DFIG風電系統控制策略以及轉子側勵磁變送器進行研究。文獻[6]分析并網型DFIG機組在定子磁鏈與電壓定向的矢量控制下的特性，并對變流器模型進行簡化處理來研究其對仿真結果的影響。文獻[7]研究了變流器坐標變換的具體變換過程，詳細分析了電壓型PWM整流器的拓撲結構和工作原理，并通過仿真研究電壓型PWM整流器控制特性。

本文主要是對DFIG網側變流器控制策略進行仿真研究，以Matlab/Simulink仿真軟件為平臺，建立其模型，并通過對模型的仿真結果進行分析，驗證基于前饋解耦控制的雙閉環控制策略的可行性及有效性。

1 并網變換器基本理論

在風電并網系統中，從電路的拓撲結構分析，變流器通常分為兩種類型，電壓源型和電流源型。目前多數采用的是電壓源型PWM網側變流器，其拓撲結構如下圖1所示。圖中，Udc為直流側電壓，ea、eb和ec分別是系統三相電壓。

圖1 電壓源型網側變流器Fig.1 Grid-side voltage source converter

1.1 網側變流器數學模型

在變流器研究的過程中，為了研究方便將其數學模型進行簡化，并作出以下三點假設：

1）其中電感L為線性元件，且不考慮飽和；

2）變流器中功率開關管為理想開關，即其損耗可以用電阻R表示；

3）網側電動勢e為三相平穩的純正弦波電動勢。在研究網側變流器數學模型之前，先設置其開關函數，

網側變流器的電壓方程可以表示為：

式中，p=d/dt為微分算子，uaN、ubN和ucN為變流器中橋臂的電壓，u0N為直流側負載端到電網三相中性點之間的電位值。從上圖1中對于直流側電容處，可由基爾霍夫電流定律（KCL）得到下式：

式中，iLd為流向負載端的電流。

綜合上式（1）和（2），可以將網側變流器在三相ABC坐標系下的數學模型表示如下：

上式（3）是以開關函數的形式來描述PWM變流器的數學模型，從式（3）可以得到，方程中的量均為時變的交流量，對于變流器控制系統的設計極為不便，因此需要對上式進行坐標變換，以實現對模型進行簡化，便于控制策略的實施。

對上式（3）進行坐標變換后，可以得到式（4）中網側PWM變流器在同步旋轉坐標系下的數學模型：

1.2 網側變流器控制策略

在DFIG并網風電系統中，網側變流器在保證直流母線電壓穩定的前提下，實現交流側輸入電流正弦波動且功率因數可控。

由于網側變流器交流側電流控制方式的不同，其控制策略分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。本文通過對電壓進行矢量控制，采用一種基于前饋解耦控制的雙閉環控制策略，其控制框圖如圖2所示。

圖2 網側變流器控制結構圖Fig.2 Structure diagram of the grid-side converter

由于在控制系統中d軸與q軸之間存在相互耦合關系，從圖2中可以看到，在電流內環控制的PI控制器輸出端增加相應的前饋補償項ωLiq和ωLid，這樣就能夠對他們實現解耦控制。

在兩相坐標系中，電網與網側變流器之間的有功功率以及無功功率的關系，可表示為：

通過式（5）可以得到，對d軸電流分量id和q軸電流分量iq分別進行控制，就可以實現對網側變流器有功功率及無功功率進行單獨控制的目的。這對于研究逆變波形及直流母線電壓的穩定性具有重要作用。

2 網側變流器仿真分析

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺進行仿真研究，仿真系統具體參數設置如下：直流側母線電壓為1 200 V，電網頻率為50 Hz，網側變流器額定功率為1.2 MW，電網電壓為690 V，開關頻率為5 kHz，直流側電容為36.8 mF，濾波電感為2.6 mH。為了便于對仿真結果進行對比分析，故在仿真研究中采取了標幺值的方法進行分析。由于網側變流器可以實現功率雙向流動，當變流器處于亞同步運行狀態時，網側變流器開始進行整流，將能量由電網端饋入變流器；當變流器運行處于超同步狀態時，變流器將能量饋入電網，此時變流器處于逆變狀態，這樣就實現了能量在網側變流器中雙向流動的目的。

3 仿真結果

在Matlab/Simulink中搭建模型進行仿真，從圖3和圖4中可以看到，系統運行在亞同步和超同步狀態下能夠實現很好的控制效果；而且，系統中直流側電壓夠達到穩定的效果；另外，從圖6和圖7中可以看到，系統由整流到逆變及逆變到整流的運行狀態轉變的過程中，雖然有短暫的振蕩，但是在控制器的作用下，系統能夠快速實現運行狀態的轉變，達到預期的控制效果。仿真結果說明該控制策略的有效性，同時也證明了本文所采用的網側變流器的控制策略是可行的，能夠滿足系統運行的要求。

圖3 系統亞同步運行狀態Fig.3 Operation status of system sub-synchronous

圖4 系統超同步運行狀態Fig.4 Operation status of system super-synchronous

圖5 系統直流側電壓Fig.5 DC voltage of system

圖6 系統由亞同步運行狀態到超同步運行狀態Fig.6 From sub-synchronous to super-synchronous of systems

4 結 論

文中對雙饋型風力發電機組網側逆變器的基本工作原理進行了介紹，采用的是電壓源型逆變器的原理，在建立其數學模型的基礎上，分析其控制策略。同時也采用了一種基于前饋解耦控制的雙閉環控制系統的方法進行控制，在電流內環控制的PI控制器上增加相應的前饋補償項以實現解耦控制的目的。

圖7 系統超同步由運行狀態到亞同步運行狀態Fig.7 From super-synchronous to sub-synchronous of systems

[1]Liserre M，Sauter T，Hung J Y.Future energy systems:integrating renewable energy sources into the smart power grid through industrial electronics[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics Magazine，2010，4（1）:18-37.

[2]李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風力發電機組建模與仿真[J].中國電機工程學報，2004，24（6）：100-105.LI Jing，SONG Jia-hua，WANG Wei-sheng.Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capacity[J].Proceeding of the CSEE，2004，24（6）:100-105.

[3]劉其輝，賀益康，張建華.交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真[J].中國電機工程學報，2006，26（5）：43-50.LIU Qi-hui，HE Yi-kang，ZHANG Jian-hua.Operation control and modeling-simulation of AC-excited variable-speed constant-frequency（AEVSCF）wind power generator[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（5）:43-50.

[4]劉念洲，劉成浩.基于MATLAB的三相電壓型PWM整流系統仿真[J].船電技術，2009，29（2）：43-46.LIU Nian-zhou，LIU Cheng-hao.Simulation of three-phase voltage-source PWM rectifier based on matlab[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2009，29（2）:43-46.

[5]李時杰，李耀華，陳睿.背靠背變流系統中優化前饋控制策略的研究[J].中國電機工程學報，2006，26（22）：74-78.LI Shi-jie，LI Yao-hua，CHEN Rui.Study of the optimum feed-forward controlstrategy in back-to-back converter system[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（22）:74-78.

[6]郝正航，余貽鑫.雙饋風力發電機組對電力系統穩定性影響[J].電力系統保護與控制，2011，39（3）：7-11.HAO Zheng-hang，YU Yi-xin.The influence of doubly-fed induction generator on stability of power system[J].Power System Protection and Control，2011，39（3）:7-11.

[7]張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥：合肥工業大學，2003.