雙饋風力發電網側變換器直接功率控制的研究

葛 凱， 阮 毅， 趙梅花， 談 立

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引 言

變速恒頻雙饋風力發電系統以其較低的變頻器容量和較寬的轉速運行范圍在大功率風力發電系統中具有獨特的優勢[1]。采用雙PWM變換器的變速恒頻雙饋風力發電系統結構如圖1所示。圖1中網側PWM變換器的作用是在各種狀態下維持直流母線電壓穩定，并且實現交流側輸入功率因數的控制，從而確保轉子側變換器和整個雙饋感應電機可靠工作。

圖1 雙饋風力發電系統結構

網側逆變器的控制策略，主要有矢量控制和直接功率控制(Direct Power Control， DPC)。矢量控制因其固定的開關頻率、輸出電流的正弦度好、諧波含量低及電壓利用率高而被廣泛應用。

近年來，DPC漸成為研究熱點。電壓型PWM變換器DPC系統具有系統結構簡單、不需要PWM、動態響應快速等優點，得到國內外學者的關注和研究[1-2]。文獻[3]采用單開關表DPC，沒有闡述開關表的制定原則。文獻[4]根據網側變換器電壓矢量對有功功率變化和無功功率變化影響的強弱，采用雙開關表DPC，理論上可獲得更為優良的控制性能，但試驗效果也并不優越于單開關表的性能且實現復雜。文獻[5]給出了基于電網電壓定向的開關表制定原則，推導過程較為復雜。

本文根據三相并網逆變器的動態數學模型，用一種簡單的方法推導和分析了各網側變換器電壓矢量對有功功率變化和無功功率變化的影響，詳細闡述了DPC控制機理及開關表的制定原則。根據有功和無功功率的變化量，采用滯環控制，搭建了試驗平臺，對所提出的DPC策略進行了試驗驗證。試驗結果驗證了該控制策略的可行性和正確性。

1 網側PWM變換器DPC策略

1.1 網側PWM變換器數學模型

網側PWM變換器采用圖2所示的整流器拓撲結構。圖中，uga、ugb、ugc分別為三相電網相電壓，iga、igb、igc分別為交流側的三相輸入電流；R為濾波電抗等效電阻；L為每相進線電感；C為直流母線電容；udc為直流母線電壓。

圖2 網側PWM變換器主電路

由KVL得回路電壓方程：

(1)

式中：ua,ub,uc分別為網側PWM變換器交流電壓值。

對式(1)進行3s/2r變換，得

(2)

式中：ω1——電網電壓的角速度；

ud、uq——變換器輸入交流電壓的d、q分量；

ugd、ugq——電網電壓的d、q分量；

igd、igq——輸入電流的d、q分量。

1.2 基于電網電壓定向的DPC策略

圖2中，定義三相電網相電壓uga、ugb、ugc的空間電壓矢量為ug，相應的磁鏈空間矢量為ψg；網側變換器交流側三相輸入電壓ua,ub,uc的空間電壓矢量為uc，磁鏈空間矢量為ψc。

同步旋轉d、q坐標系中網側變換器的等效電路如圖3所示。

圖3 網側變換器的等效電路

忽略濾波電抗等效電阻R上損耗，導出同步旋轉d、q坐標系下網側變換器的電路方程為

(3)

由式(3)的第一行得

(4)

將同步旋轉坐標系d軸定向于電網電壓矢量ug時，且電網電壓穩定時，則由式(3)可得

(5)

即可得

(6)

式中：ψgd、ψgq——電網磁鏈矢量的d、q分量。

電網輸入網側變換器的瞬時復功率為

(7)

由式(6)、式(7)得

(8)

在功率以電網向逆變器輸出為正的正方向規定下，式(8)Pg大于零，表示網側變換器處于整流狀態，從電網吸收能量；Pg小于零，表示網側變換器處于逆變狀態，能量從直流側回饋到電網。式(8)中Qg大于零，表示網側變換器從電網吸收感性無功；Qg小于零，表示網側變換器從電網吸收容性無功。當電網電壓恒定時，控制ψcd、ψcq就可獨立控制網側變換器的有功功率Pg和無功功率Qg。

由式(8)得

(9)

式(9)說明，有功功率Pg、無功功率Qg的變化取決于ψcd、ψcq的變化。

考慮磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的關系，即

(10)

在一個開關周期中網側變換器空間電壓矢量uc保持不變，將式(10)離散化可得磁鏈矢量增量Δψc與網側變換器空間電壓矢量uc的關系為

Δψc=ucΔt

(11)

式(11)說明通過uc的選用及其作用時間的調節，可以控制磁鏈矢量的變化。如果電網電壓ug的空間位置已知，則每個電壓矢量對磁鏈矢量ψc的d、q分量ψcd、ψcq作用效果就可決定，繼而可決定出每個電壓矢量對有功、無功功率的影響。

三相兩電平電壓型網側PWM變換器，共有6個有效電壓矢量、2個零電壓矢量。采用圖4所示的電壓矢量標識方法及扇區劃分方式，根據電網電壓矢量ug的空間位置，可確立各電壓矢量對ψcd、ψcq的影響，即可得到各電壓矢量對有功、無功功率的影響，其中第一扇區各電壓矢量對功率的作用效果如表1所示。

圖4 電網及網側變換器磁鏈空間矢量

u1u1(001)Δψcd<0 ΔPg↑Δψcq<0 ΔQg↓u2(010)Δψcd<0 ΔPg↑Δψcq>0 ΔQg↑u3(011)Δψcd<0ΔPg↑Δψcq>0 ΔQg↑u4(100)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq<0 ΔQg↓u5(101)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq<0 ΔQg↓u6(110)Δψcd>0 ΔPg↓Δψcq>0 ΔQg↑u0(000)/u7(111)Δψcd=0ΔPg=0Δψcq=0ΔQg=0

以網側變換器電壓矢量u1作用效果為例，第一扇區里u1對磁鏈矢量ψc的d、q分量作用效果Δψcd、Δψcq都小于零，由式(9)可知此時作用于逆變器的電壓矢量使有功功率增大、無功功率減小。其他電壓矢量對有功和無功功率的作用效果以此類推。同理可得各電壓矢量在其他扇區對功率的作用效果。

通過選擇合適的網側逆變器電壓矢量，對有功和無功功率進行高效動態控制。選擇方法如下： 首先將有功和無功功率與給定值比較得到功率偏差，再由兩電平滯環比較器(其原理如圖5所示)產生有功和無功功率狀態量SP,SQ。

圖5 滯環比較器原理圖

圖5中，HP、HQ為有功、無功功率的滯環寬度。滯環寬越小，對有功和無功的控制精度越高、響應快，但過小的環寬會使開關頻率提高，開關損耗增加。滯環控制規律為

(12)

網側PWM變換器DPC結構框圖如圖6所示。

圖6 網側PWM變換器DPC結構框圖

圖6中，有功功率的給定由母線電壓環輸出得到，無功功率的給定由上位機直接給定，有功功率和無功功率偏差輸入滯環控制器，根據滯環控制器的輸出信號SP、SQ及電網電壓矢量所在扇區，在開關表中選擇合適的開關信號Sa、Sb、Sc，對網側變換器實施控制。

表2 DPC開關表

2 試驗分析

搭建了雙饋風力發電試驗平臺，對所提出的DPC策略進行試驗驗證。試驗參數為額定功率3kW，定子額定電壓380V/50Hz，轉子開路電壓196V，轉子額定電流9.6A，同步轉速1500r/min；雙PWM變換器分別采用兩個由英飛凌XC2785單片機控制的IPM-PM50RLA120模塊。直流母線電壓200V，網側進線電感10mH，網側PWM變換器開關頻率為10kHz。

實驗波形如圖7～圖10所示。

圖7 穩態波形

圖8 負載階躍變化時瞬態波形

圖9 Pg跟隨性波形

圖10 Qg突變波形

3 結 語

本文根據三相并網逆變器的動態數學模型，用一種簡單的方法推導和分析了各網側變換器電壓矢量對有功功率變化和無功功率變化的影響,詳細闡述開關表的制定原則。通過試驗分析可知： 基于滯環控制器的DPC策略具有良好的動態特性，能實現直流母線電壓恒定，有功功率、無功功率的解耦控制及功率因數可調。由于該控制策略開關頻率不固定，不利于濾波電感的設計，靜態時電流諧波含量較大。因此對開關頻率恒定的DPC策略研究是下階段的重點。

【參考文獻】

[1] 趙仁德.變速恒頻雙饋風力發電交流勵磁電源研究[D].杭州： 浙江大學，2005.

[2] 沈陽,阮毅,趙梅花,等.雙饋風力發電網側脈寬調制變換器的控制策略[J].電機與控制應用,2011,38(9)： 35- 40.

[3] 王久和,李華德,李正熙.電壓型PWM整流器直接功率控制研究[J].遼寧工程技術大學報,2004，23(5)： 658-660.

[4] 郭曉明,賀益康,何奔騰,等.DFIG風電機組網側變換器的復開關表直接功率控制[J].電力系統自動化,2007,31(21)： 67-70.

[5] 楊勇,阮毅.三相并網逆變器直接功率控制[J].電力自動化設備,2011,31(9)： 54-59.