雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的研究與設(shè)計

翟進乾

摘? ?要：以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機為背景，在風(fēng)速不斷變化前提下，分析變流器的內(nèi)部控制策略。以模糊PI控制策略為基礎(chǔ)，引入Smith預(yù)估分析模型，采用PI調(diào)節(jié)，并對變流器控制策略進行優(yōu)化，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。通過PSCAD工具開展分析，當風(fēng)速出現(xiàn)波動時，基于Smith預(yù)估模型自適應(yīng)模糊PI策略能夠提升變流器的運行特性，增強系統(tǒng)魯棒性。

關(guān)鍵詞：變流器;滑?？刂?模糊自適應(yīng);PSCAD

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper based on the background of Doubly-fed induction wind generator， under premise of the changing wind speed ，the control strategy of the converter is researched. Based on the fuzzy PI control method， this paper introduced the Smith predictive model， used fuzzy adaptive PI controller strategy to control the converter，optimized the method of converter control， improved the stability of system. PSCAD software is used to simulate， the simulation results show that， under the influence of the wing speed changes， using fuzzy adaptive PI control based on Smith prediction strategy can improve the effect of converter control， and improve the robustness of system.

Key words： converter;sliding mode control;fuzzy self-adaptive adjusting;PSCAD

近幾年，新能源控制技術(shù)得到了廣泛進步，風(fēng)電相關(guān)研究領(lǐng)先于其它新能源領(lǐng)域，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量遠大于世界各國。風(fēng)電裝機容量的增加，風(fēng)電會改變電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，例如：電壓、頻率、電網(wǎng)諧波等。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）變流器網(wǎng)側(cè)輸出電壓為正弦波，并且具有較快的動態(tài)控制響應(yīng)[1]，能夠降低風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶去的不良作用。伴隨風(fēng)速的持續(xù)變化，風(fēng)機的槳葉會由于慣性產(chǎn)生改變，在直接功率手段基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于Smith預(yù)估自適應(yīng)PI策略，對變流器控制策略有進一步提升，增強風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

1? ?變流器的控制策略

研究PWM變流器控制方法已經(jīng)上升為當今風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的熱點，相繼有新理論提出：直接電流法、直接功率法等。

1.1? ?機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機穩(wěn)定運行，其定子的電壓對應(yīng)的頻率穩(wěn)定為50Hz。電網(wǎng)的電壓頻率不發(fā)生變化，并網(wǎng)后定子的電動勢為恒值，只有定子電流可控，因此，并網(wǎng)條件下發(fā)電機功率就能轉(zhuǎn)化為對定子電流的控制。

對機側(cè)變流器開展研究，需要考慮發(fā)電機等效模型，忽略定子電阻影響，可得發(fā)電機定子瞬時功率為：

雙饋電機并網(wǎng)后，只有定子內(nèi)部的電流大小可受控制，轉(zhuǎn)換定子和轉(zhuǎn)子電流，通過影響轉(zhuǎn)子的電流能夠?qū)崿F(xiàn)控制發(fā)電機輸出功率[1-3]。結(jié)合雙饋電機模型，就能得到轉(zhuǎn)子電壓、電流兩者的式子為：

近幾年，新能源控制技術(shù)得到了廣泛進步，風(fēng)電相關(guān)研究領(lǐng)先于其它新能源領(lǐng)域，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量遠大于世界各國。風(fēng)電裝機容量的增加，風(fēng)電會改變電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，例如：電壓、頻率、電網(wǎng)諧波等。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）變流器網(wǎng)側(cè)輸出電壓為正弦波，并且具有較快的動態(tài)控制響應(yīng)[1]，能夠降低風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶去的不良作用。伴隨風(fēng)速的持續(xù)變化，風(fēng)機的槳葉會由于慣性產(chǎn)生改變，在直接功率手段基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于Smith預(yù)估自適應(yīng)PI策略，對變流器控制策略有進一步提升，增強風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

1? ?變流器的控制策略

研究PWM變流器控制方法已經(jīng)上升為當今風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的熱點，相繼有新理論提出：直接電流法、直接功率法等。

1.1? ?機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機穩(wěn)定運行，其定子的電壓對應(yīng)的頻率穩(wěn)定為50Hz。電網(wǎng)的電壓頻率不發(fā)生變化，并網(wǎng)后定子的電動勢為恒值，只有定子電流可控，因此，并網(wǎng)條件下發(fā)電機功率就能轉(zhuǎn)化為對定子電流的控制。

對機側(cè)變流器開展研究，需要考慮發(fā)電機等效模型，忽略定子電阻影響，可得發(fā)電機定子瞬時功率為：

由圖6（a）可知，風(fēng)機網(wǎng)側(cè)電壓實際測量值和額定值兩者之間比值維持在1左右，表明發(fā)電機工作情況穩(wěn)定，且當風(fēng)力速度在5秒、10秒時出現(xiàn)約1秒的大幅度變化。圖（d）表明，雙饋電機電磁轉(zhuǎn)矩圖形變化是負數(shù)，表明發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，當發(fā)電機剛運行以及風(fēng)力變化較大時，電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了明顯波動。發(fā)電機頻率如圖6（f）所示，滿足電能質(zhì)量對于頻率的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)。

由上可知，添加含有Smith模型的PI策略，可以實現(xiàn)對變流器更為優(yōu)化的控制，確保雙饋風(fēng)力發(fā)電保持優(yōu)良的穩(wěn)定特征，進一步提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量。

3? ?結(jié)? ?論

當風(fēng)速出現(xiàn)變化時，對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的控制策略進行分析，提出一個添加有Smith模型的PI策略的邏輯控制器，避免了非線性被控對象線性化過程中的不準確，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并在PSCAD軟件平臺上進行模型搭建與仿真，仿真結(jié)果表明：變流器在這種運行模式時，能夠保證雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常工作，保證風(fēng)機輸出的電能可以達到系統(tǒng)所要求的電能質(zhì)量，進行并網(wǎng)。

參考文獻

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[2]? ? 劉中亮. 雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機P-Q解耦控制技術(shù)研究[D]. 沈陽： 沈陽工業(yè)大學(xué)，2011.

[3]? ? 賀子倩. 變速恒頻雙饋風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)改進直流功率控制策略[D]. 杭州： 浙江大學(xué)，2012.

[4]? ? 李士勇. 模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

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[7]? ? 風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)范[S]. 北京： 中國船級社，2008.