直驱型风力发电并网逆变器模糊控制方法的研究

林 轩，唐勇奇、2

(1．湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2．风电装备与电能变换协同中心，湘潭 411101)



直驱型风力发电并网逆变器模糊控制方法的研究

林 轩1，唐勇奇1、2

(1．湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2．风电装备与电能变换协同中心，湘潭 411101)

详细分析并网逆变器的控制策略，针对传统PI参数不能跟随风速实时变化，出现控制效果不佳的情况，研究采用模糊PI控制方法，该方法能够根据风速变化实时调节，提高并网逆变器对于外部干扰、参数变化的控制效果，使逆变器输出的电流快速跟踪电网电压，达到与电网电压同频同相和提高风力发电并网效率和可靠性的目的，通过在Matlab/simulink仿真软件上进行仿真，验证了方法的正确性.

风力发电；并网逆变器；模糊PID控制；仿真建模

0 引 言

风力发电机组种类繁多，目前，直驱型风力发电系统作为一种新型风力发电系统，受到广泛研究者的关注，它代表风力发电机组重要的发展方向.本文针对直驱型风力发电机组并网存在的问题，研究其并网控制策略.直驱型风力发电系统的并网采用全功率变流控制技术，并网逆变技术作为风力发电并网的关键技术之一，是直驱型风力发电系统的重要组成部分，也是系统能否稳定运行的主要因素之一，越来越受到专家和学者的重视，而控制技术又决定了逆变器的性能，随着科学技术的发展，不断涌现新的逆变技术，优越成熟的逆变技术能够保证逆变器良好的稳定性和可靠性的实现.本文对直驱型风力发电系统并网逆变控制技术分析研究，在构建系统结构基础上，提出基于模糊PI电压外环和PI电流内环的双闭环控制策略，以空间电压矢量(SVPWM)信号作为逆变器输出的电流信号，使逆变器输出电流快速跟踪电网电压信号，提高风力发电的并网效率和可靠性.

作者通过对直驱型风力发电系统的拓扑结构进行数学建模，通过Matlab/Simulink进行仿真，验证其可行性及正确性.

1 PWM并网逆变器数学模型[1，2]

图1为直驱型永磁同步风力发电系统的拓扑结构.该交-直-交拓扑结构由电机侧不可控整流器和网侧PWM逆变器组成.网侧PWM逆变器可以根据机侧整流器发出有功功率的变化，通过调节网侧的d轴(d轴按照电网电压矢量定向)电流以及q轴电流，来实现直流侧母线电压控制，输出有功、无功的解耦控制以及输出并网.

图1 直驱型风力发电系统的并网拓扑结构图

为分析直驱型风力发电的并网逆变器，现简化功率拓扑结构，用电解电容代替并网逆变器直流侧，用三相电压源代替电网，如图2所示.

图2 并网逆变器原理图

由图2得，并网逆变器的数学模型如式(1)所示.

(1)

式(1)中L为网侧的滤波电感；R为等效电阻； ia、ib、ic为网侧的并网电流；ea、eb、ec为电网电压；ua、ub、uc为网侧逆变器输出的相电压.

在此使用等功率变换原则简化该数学模型，将三相abc静止坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得：

(2)

式(2)中，id和iq分别为d轴和q 轴电流分量；ω为电网电角速度；ed和eq分别为两相旋转坐标下d轴和q轴电压；ud和uq分别为网侧逆变器输出端d轴和q轴电压分量.

经坐标变换后，并网逆变器中的交流量全部转化为直流量，从而使控制系统的设计简化.

2 网侧逆变器的控制策略

网侧逆变器功率控制框图如图3所示.

图3 网侧逆变器功率控制框图

该控制框图中共三个反馈控制环：两个电流内环(实现dq轴电流id和iq的准确控制)与一个直流电压外环(用以控制直流母线电压Udc).在电压定向控制下，静止abc坐标系下的三相电流ia、ib、ic被变换为旋转dq坐标系下的两相电流id和iq，id和iq分别为三相线电流中的有功和无功分量.对这两个分量分别进行控制，是系统实现有功功率和无功功率独立控制的一种有效方法[3,4].

为实现电压定向矢量控制，将电网电压矢量定在d轴上，即ed=em，eq=0(em为电网电压幅值).由此可以计算系统的有功功率和无功功率为：

(3)

式(3)中，id和iq分别为电网侧逆变器有功和无功电流分量.控制id和iq可实现Pg和Qg的独立控制.因此网侧逆变器采用双闭环控制策略，即外环为直流电压控制环，稳定直流侧电压，利用电压外环PI控制器的输出作为网侧逆变器有功电流分量给定值id*；内环为电流环，跟踪电压外环输出的有功电流指令id*以及设定的无功电流指令iq*实现电流控制.因此，根据并网侧电压和电流反馈的信息，经过双闭环PI控制器，保证发电机输出的有功功率经网侧逆变器馈入电网，实现发电系统的无功功率控制和最大化地利用风能，达到提高风力发电并网效率和系统可靠性的目的[5].

2.1 改进的电压外环

为更好地维持直流侧母线电压的稳定，已知母线电压给定的情况下，PI调节中增加一个直流侧电压反馈，实现精确控制.传统的PI控制因其参数固定，对于线性系统控制效果较好，当外界环境出现扰动等非线性状况时，PI参数不能进行实时变化，会减弱控制效果甚至出现严重情况.因此，本文基于模糊PI控制能根据外部环境扰动进行PI参数自动调节的优点，将模糊PI控制器代替传统PI控制器，达到精确控制的目的.因此，电压外环采用模糊PI控制器，其输出提高电流内环有功电流给定的精确性，使逆变器输出电流快速平稳地跟踪电网电网，提高网侧并网效率[6].

图4 模糊控制器的基本结构

图4为模糊控制器的基本结构，其组成部分包括：模糊化，将输入的清晰量转换成模糊量；知识库，包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标；模糊推理，形成模糊规则库的过程；清晰化，把模糊推理得到的模糊量转换成清晰量.

本文的模糊控制器以电压偏差eu和电压偏差变化△eu作为输入量，PI参数作为输出量.电压偏差eu和电压偏差变化△eu的隶属集合分别为图5、图6所示.

图5 电压偏差的隶属集合

图6 电压偏差变化的隶属集合

输出量PI的隶属度集合如图7所示.

图7 PI参数隶属集合

其模糊规则为：if：Rieu=Ai，△eu=Bi，thenki=Ii，kp=Pi，其中Ai、Bi、Ii、Ai为模糊隶属集合.

其模糊推理如表1、表2所示.

表1Kp模糊规则表

表2 Ki模糊规则表

模糊PI控制器模块图如图8所示.

图8 模糊PI控制器模块图

2.2 电流内环

图9 电流内环控制框图

由式(2)可知逆变器d、q轴电流之间存在相互耦合的变量，id、iq既受到ud、uq的影响，还受到耦合电压ωLiq、-ωLid以及电网电压em的影响，因此会增加控制器的设计难度，并影响系统的动态性能.为解决该问题，采用解耦的方法对id、iq分别进行闭环PI调节控制[7，8]，再加上电压补偿项Ed=ωLiq+ed和Eq= -ωLid+eq，根据电流内环控制图(如图9所示)得其控制电压vd、vq的表达式为:

(4)

式(4)中Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数.

将式(4)带入到式(2)中，且在式(2)中令Rid+ud=vd，Riq+uq=vq，可得到：

(5)

式(5)表明，d轴网侧电流id的微分方程中只含有d轴分量，实现解耦控制；对于q轴电流iq，也同样实现解耦控制.解耦控制使PI控制器设计容易，系统更加容易稳定.得到的控制电压分量ud、uq，经过Park反变换和SVPWM即得网侧逆变器的控制信号，因此实现对网侧逆变器的有效控制[9][10].

3 仿真研究

通过对网侧变流器控制策略的研究，在Matlab/Simulink下搭建仿真模型.如图所示，其中仿真模型中给定部分条件为永磁同步发电机极对数为4，给定转矩为-10 kN·m，等效电阻为28 Ω，直流侧电容为0.02 F, 直流侧额定电压为310 V，网侧线电压有效值为120 V，50 Hz，网侧滤波电感为1 mH，每相等效电阻为0.5 Ω.

在实际应用中，由于风速的不稳定性，当风速改变时，导致直流侧的母线电压产生波动，下面进行直流母线电压出现波动时的研究.

假设用给定转矩的变化来模拟外界风速的变化，在0.5 s时将原给定转矩增大到-15 kN·m，传统PI控制下直流母线电压如图10所示，模糊方法控制下直流母线电压如图11所示.通过比较可以发现，模糊PI控制下的直流母线电压在风速突变情况下，经模糊PI控制器的实时调节，能够快速做出反应，使直流侧电压值趋于稳定.

图10 传统PI控制下直流母线电压波形

图11 模糊PI控制直流母线电压波形

图12和图13分别为传统PI和模糊PI控制一相并网电流与电网电压的波形情况.通过比较可得，在电网电压幅值保持一致时，模糊方法控制下的电流跟踪效果更佳，且幅值更大，说明其并网电能质量更高.

图12 传统PI控制并网电流与电网电压波形

图13 模糊PI控制并网电流与电网电压波形

图14和图15分别为传统PI和模糊PI控制下网侧无功功率和有功功率的波形情况(黄线表示有功功率，紫线表示无功功率).通过仿真波形可以看出，在风速突然变化时，电机的输出功率会变化，模糊PI控制方法通过对网侧变流器的开关控制，能够快速调整传输功率，保证能量守恒，使网侧的无功功率始终为0，使网侧变流器运行在单位功率因数状态.

图14 传统PI控制网侧有功功率Pg和无功功率Qg

图15 模糊PI控制网侧有功功率Pg和无功功率Qg

4 结 论

通过理论推导直驱型风力发电机组并网逆变器的模糊控制方法，搭建仿真模型进行仿真并对波形分析，提高并网逆变器对外部干扰和参数变化控制的效果，最后论证理论的正确性和控制系统的可行性.

[1] 贺德磬.中国风能发展战略研究[J].中国工程科学，2011(6).

[2] 李建丽，李黎黎.风力发电与电力电子技术[J].能源与环境，2006(5).

[3] 张崇巍，张 兴.PWM整流器及其控制[M].机械工业出版社，2003.

[4] (加拿大)Bin Wu，(中国)Yongqiang Lang，(加拿大)Navid Zargari，(智利)Samir Kouro.风力发电系统的功率变换与控制[M].机械工业出版社，2012 .

[5] 刘春海，梁 晖.风力发电并网逆变器预测电流控制方法研究[J].电力电子技术.2010(10).

[6] 孙增圻，张再兴.智能控制的理论与技术[J].控制与决策，1996,11(1)：1-8.

[7] 王志新，张华强.风力发电技术与功率控制策略研究[J]. 自动化仪表，2008,29(11)：2-4.

[8] 王承煦，张 源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2002.

Wind Power Grid Connected Inverter

The Fuzzy Control Method of Direct Drive Permanent Synchronous

LIN Xuan1,TANG Yong-qi1,2

(1.College of Elect. and Informationl Engineering，Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China; 2.The Cooperatine Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion,Xiangtan 411101, China)

The detailed analysis of controlling strateyg of grid connected inverter is conducted in this paper.The traditional PI parameter does not change in real time with alteration of wind speed and presents ineffective controlling situation.The fuzzy PI control method is studied in this paper.It can adjust parameter in real time according to the change of wind speed and improve the control effect of grid connected inverter for external disturbances and parameter variations.The output current of inverter can track the grid voltage fast,achieve synchron ization with the grid voltage and improve wind power grid efficiency and reliability.Finally,this method is simulated by the software of Matlab/Simulink and the theoretical correctness is verified.

wind power generation;grid-connected inverter;fuzzy PID controlling;simulation modeling

2014-09-15

湖南省科技创新计划资助项目(CX2014B439)；湖南省高校重点实验室创新平台资助项目(11K018)；湖南省科技计划资助项目(2011GK3143).

林 轩(1991-)，男，硕士研究生，研究方向:风电系统控制技术.

TM315

A

1671-119X(2015)01-0005-05