基于雙PWM變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

劉 波 金 昊

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

基于雙脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)輸出功率隨之改變，如果對(duì)雙PWM變換器中的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行分別控制，雙PWM變換器直流側(cè)電壓會(huì)隨之變化而出現(xiàn)大幅波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中減小直流側(cè)電壓波動(dòng)是雙PWM變換器控制的關(guān)鍵[1,2]。文獻(xiàn)[3,4]在電壓、電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上采用機(jī)側(cè)變換器電流前饋的控制方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率變化直接改變網(wǎng)側(cè)變換器電流控制內(nèi)環(huán)的給定值，而不影響直流側(cè)電壓，但是機(jī)側(cè)變換器電流是隨開關(guān)狀態(tài)變化的不規(guī)則脈動(dòng)波，對(duì)其采樣比較困難，而且需采用低通濾波器得到其平均值，降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[5,6]通過將機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率直接前饋到網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率控制環(huán)輸入端，避開了電壓環(huán)對(duì)功率的間接、滯后調(diào)節(jié)，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小了功率擾動(dòng)的干擾，有效抑制了直流側(cè)電壓的波動(dòng)。經(jīng)深入分析，在功率前饋通道中加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)可進(jìn)一步減小或抵消功率擾動(dòng)對(duì)直流側(cè)電壓的影響，提高前饋控制的效果。為此，筆者提出功率前饋補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略。

1 雙PWM變換器直流母線電壓波動(dòng)機(jī)理①

基于雙PWM變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于雙PWM變換器的永磁直驅(qū)

由圖1可見，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行中PMSG輸出的瞬時(shí)有功功率ps隨風(fēng)速變化并經(jīng)機(jī)側(cè)變換器饋入直流側(cè)，若忽略機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的功率損耗，則機(jī)側(cè)變換器輸出功率與發(fā)電機(jī)輸出功率相等，即為ps；直流側(cè)經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)之間的瞬時(shí)有功功率為pg；當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，ps隨之變化，若pg不能及時(shí)跟蹤其變化，多余的能量將由直流側(cè)電容器吸收或釋放，使直流電壓產(chǎn)生波動(dòng)，這就是造成直流側(cè)電壓不穩(wěn)定的主要原因。

若能實(shí)現(xiàn)風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率經(jīng)雙PWM變換器及時(shí)饋入電網(wǎng)，保持網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率與電機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率動(dòng)態(tài)平衡，則可使機(jī)組運(yùn)行中直流側(cè)電容充、放電功率變化很小，即可維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。因此，筆者對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器采用直接功率控制，并提出將發(fā)電機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率ps直接前饋于網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率控制回路給定值處，避開電壓外環(huán)對(duì)pg的間接調(diào)節(jié)，使pg及時(shí)跟蹤ps的變化，抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，從而構(gòu)成網(wǎng)側(cè)變換器直接功率前饋協(xié)調(diào)控制策略。

2 雙PWM變換器控制策略

2.1 直接功率解耦控制

根據(jù)雙PWM變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行原理，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制而言，可將機(jī)側(cè)變換器與PMSG視為一個(gè)整體且作為網(wǎng)側(cè)變換器負(fù)載，則網(wǎng)側(cè)變換器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)PWM變換器的整體結(jié)構(gòu)

對(duì)圖2電路進(jìn)行分析，建立了網(wǎng)側(cè)變換器在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率數(shù)學(xué)模型[7,8]：

(1)

式中egd——三相電網(wǎng)電壓ega、egb和egc的d軸分量；

p、q——網(wǎng)側(cè)變換器瞬時(shí)有功功率和無功功率；

pfz——負(fù)載瞬時(shí)功率；

urd、urq——網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓ura、urb和urc的d、q軸分量；

ωe——網(wǎng)側(cè)電壓、電流角頻率。

根據(jù)式(1)，采用PI控制器控制有功功率和無功功率，并考慮各自的耦合項(xiàng)，可得出網(wǎng)側(cè)變換器有功功率和無功功率解耦控制器模型：

(2)

式中Kpq、Kiq——無功功率控制環(huán)控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

Kpp、Kip——有功功率控制環(huán)控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

p*、q*——有功功率和無功功率的給定值。

綜合式(1)、(2)，便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器有功功率和無功功率的解耦控制[9～11]，控制回路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)變換器功率解耦控制回路結(jié)構(gòu)

2.2 負(fù)載功率前饋控制

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)雙PWM變換器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定程度主要取決于網(wǎng)側(cè)變換器有功功率控制回路對(duì)負(fù)載功率擾動(dòng)的控制作用。為了使網(wǎng)側(cè)有功功率及時(shí)跟蹤負(fù)載有功功率的變化，有效抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)，將負(fù)載功率直接前饋于有功功率控制回路輸入端，指導(dǎo)網(wǎng)側(cè)變換器有功功率的調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)變換器兩側(cè)瞬時(shí)功率平衡[5,12～16]。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)PWM變換器負(fù)載功率前饋控制結(jié)構(gòu)

圖4中，虛線箭頭方向表示功率前饋控制前向通道，根據(jù)控制原理可得功率前饋控制前向通道傳遞函數(shù)為：

(3)

式中Kp、Ki——功率前饋控制前向通道控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

而擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為：

GR(s)=-1

(4)

根據(jù)擾動(dòng)通道與前饋控制通道的關(guān)系，結(jié)合前饋控制作用，負(fù)載功率擾動(dòng)的總傳遞函數(shù)為：

(5)

由此可見，對(duì)負(fù)載功率擾動(dòng)的控制效果取決于傳遞函數(shù)G(s)，為了進(jìn)一步減小擾動(dòng)的影響，可以使負(fù)載功率擾動(dòng)的總體作用為零。為此，在功率前饋通道中增加一個(gè)環(huán)節(jié)Gf(s)，對(duì)功率前饋控制通道進(jìn)行補(bǔ)償，使前饋控制徹底抵消負(fù)載功率的擾動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。此時(shí)負(fù)載功率前饋控制通道傳遞函數(shù)為：

(6)

圖5 具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的負(fù)載功率前饋控制結(jié)構(gòu)

則負(fù)載功率擾動(dòng)的總傳遞函數(shù)為：

(7)

當(dāng)負(fù)載功率變動(dòng)時(shí)，Gf(s)環(huán)節(jié)對(duì)前饋控制通道進(jìn)行補(bǔ)償，抵消負(fù)載功率擾動(dòng)對(duì)直流側(cè)電壓的擾動(dòng)。直接功率控制環(huán)取代了電流控制內(nèi)環(huán)，減少了坐標(biāo)變換的次數(shù)，提高了控制運(yùn)算的響應(yīng)速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)電壓控制外環(huán)也采用PI控制器，則網(wǎng)側(cè)變換器直接功率前饋控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)側(cè)變換器直接功率前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組雙PWM變換器負(fù)載功率前饋補(bǔ)償控制策略的控制效果，筆者采用MATLAB/Simulink 軟件工具分別對(duì)具有前饋補(bǔ)償和不具有前饋補(bǔ)償?shù)膬煞N策略在負(fù)載功率變化時(shí)的控制特性進(jìn)行對(duì)比仿真，結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 直流側(cè)電壓仿真波形

圖8 a相電壓、電流仿真波形

在0.6s時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器的負(fù)載突變?cè)黾?00%，由圖7可以看出，負(fù)載功率擾動(dòng)經(jīng)前饋補(bǔ)償控制，直流側(cè)電壓突變峰值減小，不出現(xiàn)振蕩，逐漸調(diào)節(jié)為給定電壓。圖8中，負(fù)載突變時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓仍能保持與對(duì)應(yīng)相的電流同相位，說明這種前饋補(bǔ)償控制策略沒有影響無功功率的調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)一步改善了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定的控制效果。

4 結(jié)論

4.1為減小風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中雙PWM變換器直流側(cè)電壓波動(dòng)，提出對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率采用發(fā)電機(jī)側(cè)瞬時(shí)功率(負(fù)載功率)前饋控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙PWM變換器輸入輸出功率的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效減小了直流側(cè)電壓的波動(dòng)。

4.2為加強(qiáng)前饋控制對(duì)負(fù)載功率的抵消作用，提出在負(fù)載功率前饋通道中加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了前饋控制效果。

4.3MATLAB/Simulink仿真結(jié)果證實(shí)了所提控制策略的正確性和有效性。