DFIG风电系统网侧变流器控制策略仿真研究

唐 美 ，穆星星

（1.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.重庆文理学院 电子电气工程学院，重庆 永川 402160）

近年来，随着双馈型发电机组在风电场并网系统中表现出的优越性，而倍受关注，因此DFIG作为一种主流机型在风电场建设中被广泛地运用。由于单台DFIG的容量不断增加，对并网提出了更高的要求。

风电并网问题已成为智能电网建设的重要挑战之一[1]。因此，对并网关键技术的研究也成为了热点和重点，变流器控制技术就是其中之一。

目前，国内外风电研究人员已经针对双馈风力发电机组并网控制技术进行了许多相关的研究。其中，文献[2-5]主要是针对DFIG风电系统控制策略以及转子侧励磁变送器进行研究。文献[6]分析并网型DFIG机组在定子磁链与电压定向的矢量控制下的特性，并对变流器模型进行简化处理来研究其对仿真结果的影响。文献[7]研究了变流器坐标变换的具体变换过程，详细分析了电压型PWM整流器的拓扑结构和工作原理，并通过仿真研究电压型PWM整流器控制特性。

本文主要是对DFIG网侧变流器控制策略进行仿真研究，以Matlab/Simulink仿真软件为平台，建立其模型，并通过对模型的仿真结果进行分析，验证基于前馈解耦控制的双闭环控制策略的可行性及有效性。

1 并网变换器基本理论

在风电并网系统中，从电路的拓扑结构分析，变流器通常分为两种类型，电压源型和电流源型。目前多数采用的是电压源型PWM网侧变流器，其拓扑结构如下图1所示。图中，Udc为直流侧电压，ea、eb和ec分别是系统三相电压。

图1 电压源型网侧变流器Fig.1 Grid-side voltage source converter

1.1 网侧变流器数学模型

在变流器研究的过程中，为了研究方便将其数学模型进行简化，并作出以下三点假设：

1）其中电感L为线性元件，且不考虑饱和；

2）变流器中功率开关管为理想开关，即其损耗可以用电阻R表示；

3）网侧电动势e为三相平稳的纯正弦波电动势。在研究网侧变流器数学模型之前，先设置其开关函数，

网侧变流器的电压方程可以表示为：

式中，p=d/dt为微分算子，uaN、ubN和ucN为变流器中桥臂的电压，u0N为直流侧负载端到电网三相中性点之间的电位值。从上图1中对于直流侧电容处，可由基尔霍夫电流定律（KCL）得到下式：

式中，iLd为流向负载端的电流。

综合上式（1）和（2），可以将网侧变流器在三相ABC坐标系下的数学模型表示如下：

上式（3）是以开关函数的形式来描述PWM变流器的数学模型，从式（3）可以得到，方程中的量均为时变的交流量，对于变流器控制系统的设计极为不便，因此需要对上式进行坐标变换，以实现对模型进行简化，便于控制策略的实施。

对上式（3）进行坐标变换后，可以得到式（4）中网侧PWM变流器在同步旋转坐标系下的数学模型：

1.2 网侧变流器控制策略

在DFIG并网风电系统中，网侧变流器在保证直流母线电压稳定的前提下，实现交流侧输入电流正弦波动且功率因数可控。

由于网侧变流器交流侧电流控制方式的不同，其控制策略分为间接电流控制和直接电流控制两大类。本文通过对电压进行矢量控制，采用一种基于前馈解耦控制的双闭环控制策略，其控制框图如图2所示。

图2 网侧变流器控制结构图Fig.2 Structure diagram of the grid-side converter

由于在控制系统中d轴与q轴之间存在相互耦合关系，从图2中可以看到，在电流内环控制的PI控制器输出端增加相应的前馈补偿项ωLiq和ωLid，这样就能够对他们实现解耦控制。

在两相坐标系中，电网与网侧变流器之间的有功功率以及无功功率的关系，可表示为：

通过式（5）可以得到，对d轴电流分量id和q轴电流分量iq分别进行控制，就可以实现对网侧变流器有功功率及无功功率进行单独控制的目的。这对于研究逆变波形及直流母线电压的稳定性具有重要作用。

2 网侧变流器仿真分析

本文利用Matlab/Simulink仿真平台进行仿真研究，仿真系统具体参数设置如下：直流侧母线电压为1 200 V，电网频率为50 Hz，网侧变流器额定功率为1.2 MW，电网电压为690 V，开关频率为5 kHz，直流侧电容为36.8 mF，滤波电感为2.6 mH。为了便于对仿真结果进行对比分析，故在仿真研究中采取了标幺值的方法进行分析。由于网侧变流器可以实现功率双向流动，当变流器处于亚同步运行状态时，网侧变流器开始进行整流，将能量由电网端馈入变流器；当变流器运行处于超同步状态时，变流器将能量馈入电网，此时变流器处于逆变状态，这样就实现了能量在网侧变流器中双向流动的目的。

3 仿真结果

在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真，从图3和图4中可以看到，系统运行在亚同步和超同步状态下能够实现很好的控制效果；而且，系统中直流侧电压够达到稳定的效果；另外，从图6和图7中可以看到，系统由整流到逆变及逆变到整流的运行状态转变的过程中，虽然有短暂的振荡，但是在控制器的作用下，系统能够快速实现运行状态的转变，达到预期的控制效果。仿真结果说明该控制策略的有效性，同时也证明了本文所采用的网侧变流器的控制策略是可行的，能够满足系统运行的要求。

图3 系统亚同步运行状态Fig.3 Operation status of system sub-synchronous

图4 系统超同步运行状态Fig.4 Operation status of system super-synchronous

图5 系统直流侧电压Fig.5 DC voltage of system

图6 系统由亚同步运行状态到超同步运行状态Fig.6 From sub-synchronous to super-synchronous of systems

4 结 论

文中对双馈型风力发电机组网侧逆变器的基本工作原理进行了介绍，采用的是电压源型逆变器的原理，在建立其数学模型的基础上，分析其控制策略。同时也采用了一种基于前馈解耦控制的双闭环控制系统的方法进行控制，在电流内环控制的PI控制器上增加相应的前馈补偿项以实现解耦控制的目的。

图7 系统超同步由运行状态到亚同步运行状态Fig.7 From super-synchronous to sub-synchronous of systems

[1]Liserre M，Sauter T，Hung J Y.Future energy systems:integrating renewable energy sources into the smart power grid through industrial electronics[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics Magazine，2010，4（1）:18-37.

[2]李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J].中国电机工程学报，2004，24（6）：100-105.LI Jing，SONG Jia-hua，WANG Wei-sheng.Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capacity[J].Proceeding of the CSEE，2004，24（6）:100-105.

[3]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J].中国电机工程学报，2006，26（5）：43-50.LIU Qi-hui，HE Yi-kang，ZHANG Jian-hua.Operation control and modeling-simulation of AC-excited variable-speed constant-frequency（AEVSCF）wind power generator[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（5）:43-50.

[4]刘念洲，刘成浩.基于MATLAB的三相电压型PWM整流系统仿真[J].船电技术，2009，29（2）：43-46.LIU Nian-zhou，LIU Cheng-hao.Simulation of three-phase voltage-source PWM rectifier based on matlab[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2009，29（2）:43-46.

[5]李时杰，李耀华，陈睿.背靠背变流系统中优化前馈控制策略的研究[J].中国电机工程学报，2006，26（22）：74-78.LI Shi-jie，LI Yao-hua，CHEN Rui.Study of the optimum feed-forward controlstrategy in back-to-back converter system[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（22）:74-78.

[6]郝正航，余贻鑫.双馈风力发电机组对电力系统稳定性影响[J].电力系统保护与控制，2011，39（3）：7-11.HAO Zheng-hang，YU Yi-xin.The influence of doubly-fed induction generator on stability of power system[J].Power System Protection and Control，2011，39（3）:7-11.

[7]张兴.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥：合肥工业大学，2003.