直驅型風力發電并網逆變器的控制策略研究

王紅君，趙東華，趙 輝，2，岳有軍

(1.天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384；2.天津農學院，天津300384)

隨著傳統化石能源的日益枯竭，風力發電在未來的能源結構中占有越來越重要的地位，風力發電技術也成為各國研究的熱點[1-4]。在眾多發電系統中，直驅風力發電系統由于沒有齒輪箱，具有更高的效率和可靠性，因而成為近年來研究的熱點。在直驅式風力發電系統中，網側逆變器是一個重要的核心元件，連接著發電機和電網，因此，對于網側逆變器的控制能夠直接影響直驅式風力發電系統并網的穩定運行。

在目前的控制系統中，大多采用了基于PWM技術和電網電壓合成矢量定向的控制策略，通過對電流的直接控制實現單位功率因數并網及有功功率和無功功率的解耦控制。PI控制方法物理意義清晰，易于實現，又具有良好的動態響應特性和較強的魯棒性，因而在逆變器中得到了廣泛的應用[5-8]。但是其控制參數難以準確調節并且諧波畸變率較大，因此本文在常規PI控制的基礎上，提出了一種模糊自適應PI控制策略，運用模糊推理，自動實現對PI參數的最佳整定。

1 并網逆變器的數學模型

圖1為直驅型風力發電并網逆變器主電路拓撲結構圖，ea、eb、ec為三相電網電壓，L是濾波電感，R為網側線路總電阻，設三相電網電壓為：

式中：Em是相電壓峰值；ω為電網角頻率。

圖1 三相電壓型逆變器拓撲結構

在三相靜止坐標系下：

式中：ia、ib、ic和ua、ub、uc分別為并網逆變器輸出電流和電壓。

經過坐標變換，在兩相靜止坐標系下的數學模型為：

由兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系：

式(3)、式(4)經整理得：

式中：ed、eq是電網電動勢矢量在d、q軸的分量；ud、uq是三相逆變器交流側輸出電壓矢量在d、q軸的分量；id、iq是三相逆變器交流側輸出電流矢量在d、q軸的分量。

2 網側逆變器控制策略

經坐標變換后，三相靜止坐標系中的基波正弦變量轉換成了同步旋轉坐標系中的直流量，但由式(5)可知，其依然是強耦合系統，因此，為了實現對電流的控制，在以上動態數學模型基礎上，采用電網電壓合成矢量定向控制策略，將同步旋轉的d、q坐標系下的d軸定向于電網電壓合成矢量E上，且q軸超前d軸90°，即ed=Es，eq=0，空間矢量圖如圖2所示，Us為網側逆變器輸出電壓合成矢量；Is為網側逆變器輸出電流合成矢量；UL為電感電壓合成矢量；φ為功率因數角。

將ed=Es，eq=0帶入式(5)，整理可得：

由式(6)得到并網逆變器在電網電壓合成矢量下的數學模型，d、q軸電流分量仍然存在交叉耦合，為了實現d、q軸電流分量解耦控制，達到有功功率和無功功率的解耦控制，令：

經整理得：

至此實現了有功電流id和無功電流iq的解耦。本文采用模糊自適應PI控制器，其控制器結構圖如圖3所示。

圖3 模糊自適應PI控制器結構圖

模糊自適應PI控制是模糊控制與常規PI控制相結合的一種控制方式，與常規PI控制相比，模糊自適應PI控制器可以根據系統的運行狀態獲取過程狀態的連續信息，通過在線辨識和修正過程的模糊模型，從中獲得所需的模糊控制規則，實現在線模糊規則的自學習，自動調整模糊PI控制器的參數以便適應環境條件或過程參數的變化，提高系統的適應能力，獲得較強的魯棒性，達到控制系統所要求的性能指標。

整個系統在運行中不斷檢測e和ec，然后根據一定原理對PI的兩個參數進行修改，以滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，從而使被控制對象有良好的性能。模糊規則表如表1。

表1 k/k模糊規則表

建立好模糊規則表后，將系統誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。設e，ec和kp，ki均服從正態分布，可得出隸屬度，根據隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PI參數模糊矩陣表，查出修正參數帶入式(9)：

在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PI參數的在線自校正[9]。為了使輸出電流快速跟蹤給定電流，PI調節器輸出為：

根據式(8)可得網側逆變器d、q軸電壓為：

Es定向的網側逆變器的電流控制結構如圖4所示。

當id為正，iq為零時，功率因數為1，并網逆變器僅向電網發送有功功率；當id為正，iq為負時，同時向電網輸送有功功率和無功功率。因此，改變id和iq，可以控制輸出的功率和功率因數[10]。

圖4 控制框圖

kp、ki為控制環的比例參數和積分參數，為交流側逆變指令電流。以上為電流內環控制策略，再加入電壓外環的調節，則整體形成一個雙閉環控制系統。電流內環的主要作用是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制，實現單位功率因數正弦波電流控制，而電壓外環的作用主要是為控制直流電側電壓。

3 雙閉環控制網側逆變器仿真

利用RT-LAB軟件仿真工具建立基于雙閉環控制的逆變系統整體仿真模型。整個系統由整流橋模塊、控制模塊、濾波器模塊和電網電源構成。控制部分包括鎖相環、坐標變換、雙閉環調節、SVPWM波形生成模塊。逆變橋使用系統提供的通用橋，電網用三相對稱電壓源模擬，仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數

RT-LAB實時仿真系統是由加拿大Opal-RT公司開發的一套實時仿真開發與軟硬件系統，是一種基于模型與測試一體化的應用平臺，通過此系統，仿真效率更高，速度更快。RT-LAB系統分割圖如圖5所示，RT-LAB觀測系統結構圖如圖6所示。

圖5 RT-LAB系統分割圖

圖6 RT-LAB觀測系統結構

4 實驗結果及分析

仿真得到直流側電容電壓、逆變器交流側輸出電壓、網側電壓電流及并網電流諧波分析如圖7～圖9。同樣條件下，采用模糊PI自適應控制器輸出并網電流諧波分析如圖10所示。

由圖7可知，基于前饋解耦的雙閉環控制策略，在模糊PI控制器的控制下可以實現風電機組的順利并網，并使并網電流和電壓同相位；由圖8可知，直流側電壓Udc基本穩定在1 100 V左右，可知電壓外環起到了良好的控制作用，滿足了穩定直流側電壓的并網要求。由圖9和圖10可知采用常規PI控制器的輸出并網電流諧波畸變率為2.52%，采用模糊PI控制器的輸出并網電流諧波畸變率為1.98%，可知模糊PI控制器有效減小了輸出并網電流的諧波畸變率。

圖7 逆變狀態下A相電壓和電流波形

圖8 逆變狀態下的直流側電壓

圖9 采用常規PI控制器輸出并網電流諧波分析圖

圖10 采用模糊PI自適應控制器輸出并網電流諧波分析圖

5 結論

本文在風力發電系統網側逆變器動態數學模型的基礎上，采用SVPWM控制方式和電網電壓合成矢量定向控制策略，設計了模糊PI控制器，運用模糊推理，實現對PI參數的最佳整定，仿真結果表明，通過模糊自適應PI控制器對電流的控制，有效減小了輸出并網電流的諧波畸變率。

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