網側變流器控制策略的改進

李春亞 王文超

摘 要：在傳統的矢量控制策略下，當風速發生階躍變化時變流器直流母線電壓會產生劇烈波動，從而影響整個風電系統的穩定運行。針對該問題，文章對直驅風電系統網側變流器控制策略進行改進，提出了基于模糊理論的自整定PI控制策略。為了驗證該控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環境下建立了容量為2MW的直驅風電系統模型，在階躍風速情況下進行系統仿真，結果表明模糊PI控制策略能夠有效的減小直流側母線電壓的波動。

關鍵詞：逆變器；控制策略；模糊控制

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0019-02

Abstract： Under the traditional vector control strategy， when the wind speed changes step by step， the DC bus voltage of the converter will fluctuate violently， which will affect the stable operation of the whole wind power system. In order to solve this problem， this paper improves the control strategy of grid-side converter in direct-drive wind power system， and proposes a self-tuning PI control strategy based on fuzzy theory. In order to verify the effectiveness of the control strategy， a model of direct-drive wind power system with capacity of 2MW is established under Matlab/Simulink environment， and the system simulation is carried out under the condition of step wind speed. The results show that the fuzzy PI control strategy can effectively reduce the DC side voltage fluctuations.

Keywords： inverter； control strategy； fuzzy control

引言

近年來，隨著環境污染的加重及能源緊缺問題的凸顯，作為清潔能源的風電產業發展勢頭迅猛，風能的開發利用及風電機組的控制成為各國學者的研究熱點。目前，兆瓦級風電機組的主流機型為直驅式和雙饋式兩種[1]。隨著電力電子技術的發展，永磁直驅風電機組將成為風電技術領域的重要發展方向。風電機組單臺容量的增加，這對并網也提出的更高的要求，并網技術的研究成為風電控制技術研究的重點。無論是哪種機組，發出電能都需要通過網側變流器逆變并網。

本文主要是以直驅風電機組為研究對象，在分析網側變流器運行原理及數學模型的基礎上，設計了基于電網電壓定向的矢量控制系統。在階躍風速下，保證并網電能的質量，針對直流側電壓的穩定和有無功功率的解耦控制這兩個目標進行仿真驗證。

1 逆變器數學模型

在兩相旋轉dq坐標系下的數學模型為：

（1）

式中，ugd、ugq為交流側電壓d軸和q軸分量；igd、igq為交流側電流d軸和q軸分量；ed、eq為電網電壓d軸和q軸分量；？棕g為電網同步電角速度。

2 網側變流器控制策略分析

網側變流器作為風電機組重要部件，其主要作用是在保證并網電能質量的基礎上實現直流側電壓穩定的控制。本文采用基于電網電壓定向的矢量控制，采用雙閉環控制，原理如圖1所示[2]。

由于采用電網電壓定向，則ugq=0，電網電壓有無功功率可表示為：

通過上式可以得到對dq軸電流單獨控制，就能實現有無功功率的解耦控制的目的。

由于dq軸的耦合關系，通過內環PI輸出增加前饋補償項-ωgLgigq+Vgd和-ωgLgigd，實現dq軸的解耦控制。

3 控制策略的改進

由于風電系統的強耦合性，風速的不穩定性等原因，固定的PI參數無法適應系統的運行要求。當風速突變時，會導致超調過大。針對這些問題，本文提出外環控制器將模糊控制與PI控制器相結合的策略，內環仍采用PI控制，以實現風電系統的良好控制性能。

3.1 輸入輸出變量的選取

將參考電壓Udcref和實側電壓Udc的偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，外環PI參數變化量ΔKp和ΔKi作為輸出，則外環PI控制器參數修正為：

其中，Kp′和Ki′為原PI參數，Kp和Ki為整定后的PI參數。

3.2 模糊控制規則的制定

根據仿真結果可以得到直流側參考電壓和實測電壓偏差的基本論域為[-500，500]，單位是V，電壓偏差變化率的基本論域為[-2000，2000]，輸出ΔKp的基本論域為[-2，2]，ΔKi的基本論域為[-20，20]。對應的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，NB采用Z型隸屬函數，PB采用S型隸屬函數，其他均為三角形隸屬函數。采用“if…then…”語句描述模糊控制規則。模糊控制規則表如表1所示。

4 仿真結果分析

4.1 PI控制仿真結果分析

仿真時間設定為2s，在1s時風速由8m/s突變成額定風速12m/s，仿真結果如下所示。

圖2-4為網側變流器控制仿真曲線。圖2和圖3表明基于電網電壓定向的矢量控制策略實現有無功功率的解耦控制，當風速達到額定風速時，有功功率輸出達到額定功率2MW，無功功率維持在零附近。當風電機組啟動及風速發生階躍時，經過一段時間調節直流側電壓能恢復到1500V，并網電流諧波THD=1.22%，滿足國標《電能質量公用電網諧波》中規定THD值小于5%的要求。仿真結果表明基于電網電壓定向的矢量控制策略的可行性。

4.2 模糊PI控制效果分析

風電機組啟動時，直流側電壓超調量由44.4%下降到24.1%；風速突變為12m/s時，超調由17.7%下降到15.3%，調整時間減小了0.005s；風能利用系數控制效果也優于PI控制器，仿真結果證實了模糊PI控制策略的有效性，增強了機組抗干擾能力。

5 結束語

本文介紹了直驅風電機組網側變流器數學模型及控制原理，針對由于數學模型的非線性及風電機組工作環境的不穩定性，固定的PI參數無法很好的適應工況變化。因此，本文將模糊控制與PI控制相結合，根據輸入變化實時整定PI參數。仿真結果表明，在風速發生階躍跳變時，模糊PI控制器穩定性和響應速度優于PI控制，克服了傳統PI控制器的缺點，控制效果良好。

參考文獻：

[1]姚興佳，郭飛，郭永庫.基于模糊PID雙饋風電系統網側變流器綜合控制研究[J].可再生能源，2013，31（12）：30-34.

[2]劉軍，吳瓊.永磁直驅風電系統網側變流器控制策略研究[J].控制工程，2015，22（01）：20-24.