小型永磁直驱风力发电并网变流器的控制方法

蔡逢煌 ，苏宁焕 ，陈道模

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福州350108;2.漳州科华技术有限公司 博士后工作站，福建漳州363000）

引言

风能是不可控的随机能源，风力发电并入电网前必须采用变流装置进行控制。随着风力发电技术的不断发展，永磁直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小表现出其独特的优势，近年来得到迅猛发展。典型的直驱型风力发电系统的主电路拓扑一般为：风力机与永磁同步发电机直接相连，通过三相不控整流器整流成直流，该直流进行Boost升压后进行逆变并网。针对这种变速恒频的直驱式风力发电系统，网侧变流器是连接发电机和电网的核心元件，对其控制策略的研究尤其重要[1]。文献[2]采用单周期控制实现Boost电路的控制，但是其控制目标是Boost电路的输出电压，这样使得后级的逆变器的电流控制比较困难，并网电流大小不好确定，而且前后控制容易产生“共振”，导致系统失控。

本文主要分析了Boost变换器和并网逆变器前后两级控制之间的耦合关系，采用双环控制方法避免了前后算法的耦合影响。Boost变换器采用PI算法实现均流控制，并网逆变器采用无差拍控制实现电流的并网。利用PSIM软件对算法进行仿真，并试制了3.5 kW的样机进行测试，给出了实际样机控制的波形。

1 单相风力发电并网变流器的控制拓扑

如图1所示，系统为三级式主电路拓扑，风力发电机输出三相交流电经过三相二极管整流后，送到交错Boost升压单元，经过Boost控制后，再通过单相并网逆变器和LC滤波后并入电网。采用这样的主电路结构能很好地解决低风速时的风力发电机的并网问题。当风速较低的时候，风机转动较慢，由于风机与发电机是直接耦合的，中间没有采用增速齿轮箱，因此发电机输出的电压比较低，在中间加入直流升压环节后，整流后得到低的直流电压通过直流升压就可以在系统的直流侧获得较高的直流电压，满足逆变电路的正常工作，使得系统可以在风速较低时也能将电能送入电网。

风电并网逆变器采用基于DSP的全数字控制。由于母线电压Udc即受到Boost电路的控制，也受到后端逆变电路的影响，前后控制量之间存在耦合影响。本文采用的控制方法为：前端Boost电路以电流为控制目标，后端逆变器以母线电压为控制目标。这样把前后耦合的控制量解耦，简化了控制器结构分析和控制算法的实现。

2 Boost升压电路控制分析

考虑到并网型风电机组中Udc由网侧逆变器控制，因此Boost升压电路通过调节输入电流Idc，即可调节发电机负载转矩，从而控制并网功率的大小，实现最大功率跟踪。不难发现，被动整流拓扑性能的好坏、机组的稳态和动态性能都与Boost升压电路的电流控制密切相关。

为增加输出功率，减小总电流纹波，升压斩波器采用两重交错并联结构[3]。两重交错并联后，总电流纹波的脉动频率变为单重电流的2倍，也就是输出为两倍于不移相时的开关频率。总电流纹波恒小于单重电流纹波。

理想情况下，双Boost电路电流相等，均等于输入总电流的一半，但受器件参数及控制的差异的影响，双路电流不可能完全一致，而不一致的电流有可能导致其中一路因负荷过大损坏，从而将全部负荷加到另外一路上，导致两路Boost电路全部损坏。因此对双Boost电路的控制，必须加入电流环的控制，达到均流控制。

考虑控制目标和均流的要求，对Boost电路采用双环的控制策略，外环为最大功率跟踪控制环，该环输出为Boost环的给定输出电流。内环为电流环，实现均流控制，控制框图如图2所示。从控制环看，双路的控制算法一致，只是调制载波交错，为简化起见，只对一路Boost电路进行分析，另外一路类似。

图2 两重Boost控制示意图

图3 Boost等效电路图

对图2单路Boost电路进行分析，图3为等效电路图。其中L1为理想电感，R为线路电阻及L1寄生电阻的总和。 对于由 L1，V5，VD1，C2组成的 Boost电路满足理想Boost电路的工作条件，有

而对于输入电流的平均值有

将式(2)代入式(1)可以得到

从式(3)可以看出，在 Uin，UO一定的情况下，占空比D和输入电流的平均值i¯L成线性关系，因此，通过控制占空比，可以控制输入电流的平均值，从而控制Boost电路的输入功率，进而控制发电机的输出功率。由于R值较小，且不可测量，因此，通过闭环的控制方式，可以实现电流指令的跟踪，从而避免使用到这些参数。

升压斩波器采用PI闭环实现对电流的跟踪控制。反馈控制量的表达式如下：

两路BOOST并联运行，单重电流指令为总电流的一半，各单元输出脉冲相位上应互错π，对应时间,TS为开关周期。通过调节PI系数，系统性能指标可以满足均流控制的要求。Boost电路控制的稳定性与控制参数kp，ki、时间常数以及系统稳态运行点有关，通过设定时间常数为0.2 s，考察kp，ki对Boost环节稳定性的影响，可以最终选定控制参数，具体方法参照文献[4]。

3 逆变电路控制分析

逆变部分为双环控制，外环为直流电压环，用以稳定母线电压，采用PI控制；内环为功率环，采用无差拍控制，有功功率给定值Iref*由直流电压闭环给出。在目前已有的电流控制方法中，无差拍控制方法具有对外部干扰响应速度快，控制过程无过冲的特点。因此，将其应用到两级式单相风力并网发电系统逆变器的控制中，以提高逆变器抗干扰能力[5-7]。无差拍控制根据给定电流和检测的实时电流、电网电压计算出PWM占空比，PWM经过隔离放大后直接驱动逆变器，实现并网电流跟踪电流给定。

图4 逆变电路控制框图

图5 逆变部分等效电路图

3.1 无差拍控制算法分析

L3，L4可以等效成L线上的电感，电感值为（L3+L4），分析端口电压和电感电流的关系，从图4可以得到：

对式(5)在开关周期Ts内进行离散化，可以得到在第k点的表达式：

图1 所示的主电路，在交流输出的正半个周期，1,4导通，从直流母线侧看，为一个Buck电路，逆变输出的端口电压满足如下关系：

此时，采用单极性调制方式，4管常开，通过控制1管占空比D，可以得到逆变器的端口电压Uinv；负半波原理类似。将式(7)代入式(6)可以得到：

用k+1时刻给定的电流指令值i*L（k+1）代替k+1时刻的电流值，可以求出第k时刻的占空比D（k），从而去控制逆变器，就可在第k+1时刻跟踪上电流指令值[8,9]。

3.2 无差拍控制算法仿真

根据图(4)的控制框图，建立PSIM仿真平台下的单相单级式风力发电并网系统仿真电路图[10]。无差拍控制算法由动态链接库DLL模块实现。仿真参数为：电网电压有效值220 V，电网频率50 Hz，输出滤波电感L=2.3 mH，电容C=66 μF，功率管开关频率fs=16 kHz，给定电流15 A。图7为并网输出电流仿真结果，可以看出，算法满足系统的性能指标要求。

图6 无差拍算法仿真图

4 样机实验

实验采用TI公司的TMS320F2812 DSP为控制芯片，试制了3.5 kW的单相单级式并网型风力发电系统，样机的主要参数如下：滤波电感：2.3 mH，滤波电容：66 μF，功率管开关频率及DSP采样频率均为16 kHz。设定输出功率2 kW。Boost电路的电流波形如图8所示，曲线3为Boost总电流，曲线1,4为Boost两个支路电流。并网电流静态波形如图9所示，曲线3为Boost总电流，曲线2为市电电压，曲线4为并网电流，此时并网电流总谐波失真度(THDi)为3.3%，功率因数为0.996，满足并网发电要求。并网电流动态波形如图10所示，通过调节直流稳压器改变BOOST输入电压，并网电流经过400 mS后稳定在一个新值，表明控制器能够在输入扰动情况下，按照最大功率跟踪的给定电流稳定地把电能回馈到电网。

图7 并网电压和电流仿真波形

图8 Boost电流波形

图9 并网电流稳态波形

图10 并网电流动态波形

5 结语

变流器的控制是风力并网发电的核心部分之一。本文对Boost级和逆变级分别采用双环控制。Boost级的内环为电流控制环，外环为电流给定环(由MPPT算法给定)。逆变级的内环为电流控制环，外环为母线电压稳压环。通过这种结构实现前后两级控制的简化。3.5 kW样机实验表明了该方法的可行性。

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