并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制的研究

摘 要：本文對基于永磁同步電機(jī)的并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)（DDWECS）的控制現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，研究對象采用的是背靠背雙PWM變流器，控制器采用基于旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系（RRF）的電流矢量控制法，最大風(fēng)能捕獲（MPE）則通過葉尖速比法實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)側(cè)的控制器方案得以提出并應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，該方法設(shè)計(jì)了基于靜止參考坐標(biāo)系（SRF）的比例復(fù)數(shù)積分控制器，電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)電流，直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)直流母線電壓。使用Matlab/Simulink對直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)和原型系統(tǒng)進(jìn)行仿真后證明直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)對機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)良好的控制性能和效果。

關(guān)鍵詞：電流矢量控制；并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)；比例復(fù)數(shù)積分控制

隨著以風(fēng)能為代表的可再生能源的快速發(fā)展，各種調(diào)速系統(tǒng)也廣泛地應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)（WECS）。無齒輪直驅(qū)永磁同步電機(jī)由于其高可靠性和高效率的特點(diǎn)被視為一種理想的電機(jī)。直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)（DDWECS）通常采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為背靠背的全控電壓源變換器（VSC）來實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲（MPE）并使電網(wǎng)側(cè)的參數(shù)滿足電網(wǎng)要求。

本文旨在研究磁場定向電流矢量控制技術(shù)，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PCI控制直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)并對兩側(cè)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。我們在Matlab/Simulink中進(jìn)行系統(tǒng)仿真來測試效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其對于改進(jìn)型的DDWECS控制的可靠性和性能的優(yōu)越性。

一、直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的構(gòu)成

直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步電機(jī)、背靠背變流器、濾波電感和一個(gè)絕緣變壓器構(gòu)成。直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)細(xì)分為機(jī)側(cè)控制子系統(tǒng)和網(wǎng)側(cè)控制子系統(tǒng)。前者利用磁鏈定向的dq軸電流矢量控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)能捕獲，后者用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PCI控制來維持直流母線電壓穩(wěn)定并調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

二、機(jī)側(cè)變換器的控制

（一）永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

該電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以通過計(jì)算得到。

（二）電流矢量控制

機(jī)側(cè)變換器的電流矢量控制包括快速電流內(nèi)環(huán)和慢速外環(huán)。d軸電流只受Vsq的影響，同時(shí)q軸電流受Vsd的影響。因此電流內(nèi)環(huán)得以解耦。內(nèi)環(huán)的d軸和q軸電流都會(huì)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)d軸電流，使之為零來提高電機(jī)的效率。

d軸和q軸電流回路的解耦控制策略可通過改寫Eq的公式得到。

（三）葉尖速比法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲

風(fēng)力機(jī)的輸出功率可通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算出。

（四）機(jī)側(cè)控制器的設(shè)計(jì)

用方塊圖可以表示出機(jī)側(cè)控制器d軸和q軸的電流回路，它們有相似的特性，也有相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)。

根據(jù)已經(jīng)過研究的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的參數(shù)，KP和Ki分別是4和978。從開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖中可得出相位裕度大概是70°，帶寬頻率約為560Hz。機(jī)側(cè)的內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性很好，帶寬充足所以可提高跟蹤能力。

Kwp和Kwi分別等于0.36和3.57。從開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖中可得出相位裕度約為45°，閉環(huán)的帶寬頻率為8Hz。機(jī)側(cè)的外環(huán)有很好的穩(wěn)定性和比較窄的帶寬可以消除擾動(dòng)。

三、網(wǎng)側(cè)變換器的控制

（一）基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型

對于網(wǎng)側(cè)變換器，我們把三相電壓源視為電壓的公共連接點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電壓方程可以通過計(jì)算得到。

（二）PCI內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)參數(shù)中，K1為補(bǔ)償系數(shù)，K為PWM增益，Rg和Lg分別為網(wǎng)側(cè)電阻和電感。

閉環(huán)變壓器在無干擾下模型可通過計(jì)算得到。

因此，當(dāng)相角頻率是Wg時(shí)補(bǔ)償系數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差接近零。為獲得更快的響應(yīng)，帶寬頻率選為700Hz。從開閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖可看出相位裕度接近90度，帶寬頻率大約為724Hz。顯然，網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性好，但比較大的帶寬增加了響應(yīng)時(shí)間。

（三）直流電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

直流電壓外環(huán)的參數(shù)已給出。包括直流電壓補(bǔ)償系數(shù)Hv，功率控制器和控制設(shè)備系數(shù)Kv（s）。從開環(huán)控制系統(tǒng)的伯德圖可得出網(wǎng)測電壓外環(huán)穩(wěn)定性好，其相位裕度接近62度，開環(huán)剪切頻率約為9.2Hz，小于功率控制回路的帶寬。

四、仿真模型

為證明這種控制方法和策略的優(yōu)越性，在Matlab/Simulink中搭建了直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的模型，得到了風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)曲線。

在t=2.5之前，風(fēng)速為6.2m/s，同步電機(jī)通過控制q軸電流實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，輸出功率為82W。在t=2.5s時(shí)，風(fēng)速增加到9.5m/s，同步電機(jī)的參考速度由葉尖速比法進(jìn)行修正，可以看出，電機(jī)的響應(yīng)非常迅速，并在1s內(nèi)到達(dá)目標(biāo)值，同時(shí)通過控制機(jī)側(cè)q軸電流實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲。q軸電流迅速而平滑地跟蹤參考值，在風(fēng)速增加時(shí)展示出了很好的性能。PCI控制的網(wǎng)側(cè)電流變換器能在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，說明該方法動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于PR法。在4s時(shí)，風(fēng)速從9.5m/s降到7.8m/s，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，q軸電流，直流電壓和網(wǎng)側(cè)電流也得到成功地控制以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。仿真結(jié)果體現(xiàn)出控制方法的正確性和有效性。

五、試驗(yàn)

為證明提出的控制方法和并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的表現(xiàn)，構(gòu)建模型系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。直徑為1.5m的風(fēng)機(jī)采用水平軸的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)用的是TMS320F2812DSP，開關(guān)頻率是5KHz。

相比于仿真模型，自然界的風(fēng)速更變幻莫測?？刂扑俣群透櫮芰ο鄬碚f要求更高。但結(jié)果表明直流電壓波動(dòng)在給定的范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)電流和電壓也比較穩(wěn)定，功率因數(shù)大概是0.976，總諧波失真為2.32%。結(jié)果表明PCI控制網(wǎng)側(cè)的方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的單位功率因數(shù)運(yùn)行并有效地抑制諧波。

六、結(jié)論

本文研究了直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略，控制器的參數(shù)和表現(xiàn)均進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。在網(wǎng)側(cè)，對比了PCI控制法和PR控制法并進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明PCI控制法響應(yīng)更快。仿真模型和試驗(yàn)系統(tǒng)觀察了控制器的運(yùn)行表現(xiàn)，表明機(jī)側(cè)的電流矢量控制可有效調(diào)整定子電流，繼而改變永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，該方法動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性均良好。網(wǎng)側(cè)的電流內(nèi)環(huán)直流電壓外環(huán)的PCI控制有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這種控制器能可靠應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚駿，廖勇.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（10）：11-15.

作者簡介：王濱臣，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院。