直驱风力发电并网变流器的控制策略研究

侯圣语 张 豪

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)

直驱风力发电并网变流器的控制策略研究

侯圣语 张 豪

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)

针对电网电压定向方法易受电网电压畸变的影响，采用虚拟电网磁链获取电网电压角度，省去了电网电压传感器。同时采用一种固定开关频率的直接功率控制方法，实现有功功率和无功功率的单独调节，简单易行。最后在Matlab/Simulink平台上搭建了网侧仿真模型。仿真结果表明，该控制方法可实现有功功率、无功功率的动态解耦以及单位功率因数运行，达到了对系统的控制目标。

脉冲宽度调制 变流器 虚拟磁链 风力发电 直接功率控制 Matlab仿真

0 引言

目前风力发电领域常用的两种系统是双馈风力发电系统和直驱风力发电系统。直驱风力发电系统因其具有直驱、可靠性和效率高等优点而逐渐成为风力发电领域的主流［1］。由永磁发电机输出的交流电需要经过全功率变流器转变为所需频率和幅值的交流电，因此在功率逐渐增大的趋势下，所需的全功率变流器的容量随之增大。为解决现有功率器件耐压等级不够的问题，本文采用了三电平中性点钳位(neutral point clamped，NPC)变流器拓扑结构。

1 虚拟磁链的原理及估算

基于电网电压定向的控制方式以检测或估计电网电压为前提，计算电网电压定向角。该方式容易受到电网电压波动的影响，而基于虚拟电网磁链定向的控制方式具有较强的抗干扰性。

1.1 虚拟磁链的原理

网侧PWM变流器的示意图如图1所示［2］，其中，ea、eb、ec分别为三相电网相电压;L、R分别为三相进线电抗器的电感和电阻;Udc为直流侧母线电压。

图1 网侧PWM变流器示意图Fig.1 Schematic diagram of grid-side PWM converter

系统与逆变器供电的三相交流电机定子电路具有很大的相似性。连接网侧PWM变流器的电网相电压相当于三相交流电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电动势，而进线电抗器的电感和电阻分别相当于三相交流电机定子绕组的漏感和电阻。这样，我们可以把网侧PWM变流器看作一台由逆变器供电并以同步角速度恒速运行的同步电机，其定子电阻和漏感分别为R和L。

忽略进线电感和线路的电阻R时，在α-β坐标系下的网侧PWM变流器的电压方程为:

对式(1)、(2)的两边进行积分得:

1.2 三电平变流器虚拟磁链的估算

根据式(7)、(8)给出的虚拟磁链的构成可知，虚拟电网磁链可以看作由变流器交流侧磁链和电感上的磁链构成，而变流器交流侧电压可以用开关函数和检测到的直流母线电压计算得出［4-5］。从式(7)、(8)还可以看出，完成虚拟磁链的估算需要计算出vgα、vgβ和电流iα、iβ的值。根据三电平整流器的数学模型进行电压的计算，交流侧电压计算公式为:

式中:Sip、Sin为第i相桥臂分别输出高、低电平的开关函数值;i=a，b，c。

由式(14)可以看出，三电平电压重构需要两个直流母线电压Vdc1和Vdc2以及12个开关脉冲。以a相桥臂为例，需要用到Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn。采用该估算方法首先需要采集12个脉冲，然后经过编程进行辨识，具体判断Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn的值，例如在 1、2、3、4 脉冲中，若判断出脉冲 1、2 为高电平，脉冲 3、4为低电平，则模型输出Sap=1、San=0。其他相桥臂需要采集5～12脉冲进行判断，最后计算功率。

2 网侧变流器的控制策略

网侧变流器的主要控制目标是保持直流母线电压稳定、控制交流侧输入单位功率因数、抑制电网输入谐波电流。因此，对网侧变流器需要采用双闭环控制，分别为直流电压外环和功率内环。直流母线电压的稳定取决于变流器输入输出有功功率之间的平衡，而直流电压外环的控制目标是调节变流器交流侧有功功率指令跟踪负载的变化，同时调节交流侧无功功率实现交流侧功率因数的控制。

2.1 虚拟磁链定向瞬时功率计算

忽略进线电感和线路电阻的影响，网侧电压方程可表示为:

瞬时有功、无功功率可分别表示为电网电压空间矢量和变流器输入电流空间矢量共轭的乘积的实部与虚部［6］，即:

为计算简化起见，忽略电路中等效电感的影响，则电网电压可表示为:

则由式(20)可得到有功功率和无功功率的表达式为:

由于三相对称正弦电路虚拟磁链的微分值等于零，因此瞬时有功功率和无功功率的表达式为:

2.2 直接功率控制算法

网侧变流器的控制目标是控制直流母线电压稳定并调节并网的有功功率和无功功率［6-7］。因此需要对网侧变流器采用双闭环控制，即直流电压外环和功率内环。直流电压外环控制直流母线电压稳定，在控制时把采样到的直流母线电压udc与给定值u*dc相比较，然后将比较偏差值通过PI调节器得到有功电流参考值。参考电流值与直流母线电压相乘后得到有功功率参考值p*。为了实现单位功率因数控制，无功功率参考值设定为零。功率内环直接以有功功率和无功功率作为控制对象，将由虚拟磁链和网侧电流计算得到的瞬时有功功率和无功功率分别与相应的给定值相比较;然后将偏差送给功率PI调节器，通过坐标变换得到交流侧电压参考信号;再将该信号送给空间矢量调制模块得到所需的开关信号。三电平变流器基于虚拟磁链定向的直接功率控制框图如图2所示。

图2 采用虚拟磁链定向的三相变流器SVM-DPCFig.2 Three-phase VSR with virtual flux oriented SVM-DPC

3 并网变流器控制策略的仿真

图3 并网变流器的仿真结果Fig.3 The simulation results of grid-connected converter

图3(a)、3(b)为变流器交流侧的三相相电流波形。由于采用虚拟磁链定向的初始角度不确定，会出现过大的冲击电流，所以在变流器启动之前，需要通过对电网电动势进行积分，以便得到准确的虚拟电网磁链初始定向角。从电流的局部放大波形可以看出，文中所采用的控制算法实现了对变流器交流侧输入电流正弦化的控制。

图3(c)为a相电压波形和电流波形，从图中可以看出电压和电流的相位是相同的，实现了单位功率因数控制。

图3(d)为直流母线电压的输出波形，通过直流电压外环的控制，保证了直流电压的稳定。

图3(e)和3(f)为功率内环有功和无功功率的给定和反馈量的输出波形。

图3(g)为a相电流的频谱特性，从图中可以看出所采用的三电平变流器拓扑结构及其控制策略实现了变流器交流侧电流低谐波含量输出。仿真结果表明，采用虚拟磁链定向的直接功率控制策略对三电平变流器具有良好的控制效果。

4 结束语

虚拟磁链定向具有抗电网电压扰动以及可以省去电网电压传感器的优点，所以并网变流器采用了虚拟磁链定向，并且将直接功率控制方法应用于并网变流器的控制中，通过直接控制有功功率和无功功率来得到单位功率因数的并网电能。并网变流器的控制策略为直流电压外环和有功功率、无功功率内环的双闭环控制，通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型验证了所采用的控制策略是正确的。

［1］王波，宋金梅，方蒽，等.基于最佳叶尖速比的最大风能跟踪在永磁直驱风力发电系统中的实现［J］.电测与仪表，2009，46(9):82-86.

［2］宋金梅.永磁直驱风力发电并网变流器控制策略研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010.

［3］罗勇.风力发电并网变流器直接功率控制研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［4］郭孝园.三电平直接功率控制系统研究［D］.徐州:中国矿业大学，2009.

［5］张颖超，赵争鸣，张永昌，等.用于三电平脉宽调制整流器中的虚拟磁链［J］.清华大学学报:自然科学版，2009，49(1):21-24.

［6］王志业，张传金.直驱式风力发电系统并网变流器研究［J］.电测与仪表，2011，48(11):45-48.

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Study on Grid-connected Converter Control Strategy for Direct-driven Wind Generation System

The orientation method of the grid voltage is easily affected by distortion of the grid voltage，thus by adopting virtual grid flux the angle of grid voltage is obtained eliminating the sensor of grid voltage.In addition，the direct power control method using fixed switching frequency is used to implement active power and reactive power being adjusted individually.The grid side simulation model is established on Matlab/Simulink platform.The simulation result shows that this control method realizes dynamic decoupling for active power and reactive power，and the unity power factor operation can be achieved to meet the control target of the system.

Pulse Width Modulation(PWM)Converter Virtual flux Wind power generation Direct power controlMatlab simulation

TM614

A

修改稿收到日期:2012-06-01。

侯圣语(1987-)，男，现为中国矿业大学电力电子与电力传动专业在读硕士研究生;主要从事风力发电技术的研究。