DFIG网侧变换器HC-DPC与SVM P-DPC比较

赵梅花，陈军，葛凯

（1.洛阳理工学院机电系，洛阳 471023；2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072；3.中钢集团耐火材料有限公司，洛阳 471039）

变速恒频风力发电系统常选用双馈感应发电机DFIG（doubly-fed induction generator）实现系统变速恒频运行，基于双PWM变换器励磁的DFIG变速恒频风力发电系统结构同文献[1]。在该系统中DFIG定子直接与电网相连，转子通过双PWM变换器进行交流励磁。其中网侧PWM变换器GSC（grid side converter）的作用是实现交流侧输入功率因数的控制，并在各种状态下维持直流母线电压稳定，确保转子侧变换器RSC（rotor side converter）和整个DFIG可靠工作；转子侧PWM变换器的主要作用是对DFIG进行励磁控制，实现所需控制功能。

对GSC提出不同的控制策略。常用的有矢量控制VC（vector control）和直接功率控制DPC（direct power control）。VC开关频率恒定、输出电流正弦度好，谐波含量低而被广泛应用。但其控制性能很大程度上依赖于PI参数的优化程度[2-3]。DPC是基于瞬态有功和无功环的直接功率控制。由于DPC算法和系统结构简单，得到国内外学者的关注和研究[4-5]。

本文首先给出基于滞环控制HC（hysteresis control）的HC-DPC策略。该算法模型简单，不需要电流内环和脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）模块，具有快速的动态响应性能。但其开关频率不固定，输出电流谐波含量高[6]。

目前，预测控制PC（predictive control）被广泛应用在电流控制和DPC[7-8]。文献[9]将PC和DPC相结合，提出一种预测直接功率P-DPC（predictive direct power control）策略，但该策略会产生较为严重的低次电流谐波；文献[10]将模型电流预测控制和DPC相结合，该方法算法复杂，计算量大。

为改进HC-DPC策略的不足，本文将PC、DPC及SVPWM相结合，提出SVM P-DPC控制策略。和文献[10]中的算法相比，省去了复杂的计算，实现简便；与HC-DPC相比，它具有恒定的开关频率，同时能满足良好的静、动态性能。对所提出的SVM P-DPC和HC-DPC进行对比实验，验证了所提方案的可行性和正确性。

1 GSC DPC的数学模型

GSC采用如图1所示的整流器拓扑结构。uga、ugb、ugc分别为三相电网相电压，定义它们相应的空间电压矢量为ug，虚拟磁链空间矢量为ψg；iga、igb、igc分别为交流侧三相输入电流，定义相应的空间电流矢量为ig；变换器交流侧三相输入电压uca、ucb、ucc的空间电压矢量定义为uc，磁链空间矢量为ψc；R为包括电感电阻在内的每相线路的电阻；L为每相进线电感；C为直流母线电容；Udc为直流母线电压。

图1 GSC主电路Fig.1 Circuit of grid-side converter

同步旋转坐标系下GSC的等效电路如图2所示。

忽略滤波电抗等效电阻R上损耗，GSC的电路方程为

图2 GSC等效电路Fig.2 Equivalent circuit of grid-side converter

由式（1）的第1式得

将式（1）写成d、q分量形式为

采用电网电压定向，系统稳定时，由式（4）第1、2式得

式中，Ug为电网电压矢量ug的幅值。

电网输入GSC的瞬时功率为

将式（7）写为实部和虚部形式，即

当电网电压恒定时，控制ψcd、ψcq就可独立控制GSC的有功功率Pg和无功功率Qg。

2 GSCHC-DPC策略

由式（8）两边同时微分，得

将式（9）离散化，得

式（10）说明，ΔPg、ΔQg取决于Δψcd、Δψcq。

考虑ψc与uc之间的关系，即

将式（11）离散化得Δψc与uc的关系为

将式（12）代入式（10），得

式（13）表明：通过uc的选用及其作用时间的调节，可控制功率的变化规律。如果电网电压ug的空间位置已知，则GSC电压矢量对有功和无功功率变化的影响就可确定。

三相两电平电压型GSC共有6个有效电压矢量、2个零电压矢量。采用图3所示的电压矢量标识方法及扇区划分方式，根据ug的空间位置，可确立各非零电压矢量对有功、无功功率的影响。其中第1扇区各电压矢量对功率的作用效果如表1所示。

图3 GSC电压空间矢量及扇区分配Fig.3 Voltage vector on GSC

同理可得各非零电压矢量在其他扇区对功率的作用效果。

采用图4所示的滞环控制器对有功和无功功率进行控制。滞环控制器的输入信号为功率偏差ΔPg、ΔQg，输出信号为功率变化趋势标志SP、SQ。HP、HQ为有功、无功功率的滞环宽度。滞环控制规律为

表1 第1扇区电压矢量对功率的作用效果Tab.1 Effectof voltage vector on active and reactive power

图4 滞环比较器原理Fig.4 Principle of hysteresis comparator

根据SP、SQ的状态值以及各电压矢量在不同扇区对功率的作用效果，制定出DPC开关表，如表2所示。

HC-DPC的开关频率不固定，会使GSC输出电流产生宽频范围的谐波污染。为实现恒定开关频率的无静差DPC，将SVPWM技术、预测控制PC及DPC相结合，提出SVM P-DPC。

表2 HC-DPC开关表Tab.2 Sw itching table of HC-DPC

图5 GSC HC-DPC结构框图Fig.5 Schematic diagram of GSC HC-DPC

3 GSC SVM P-DPC策略

3.1 SVM P-DPC原理

SVM P-DPC的原理是：在一个采样周期Ts的开始（设为第k次采样时刻）预测出下一个采样周期内消除功率偏差所需的GSC输出电压ucd、ucq，通过SVM调制模块，在Ts结束即第（k+1）次采样时刻消除功率误差，实现功率的快速无静差控制。

将式（4）的第3、4式代入式（9）得

将式（15）离散化，则一个采样周期Ts内有功、无功功率变化量为

式（16）为SVM P-DPC预测模型，据此式预测出随后一个采样周期内消除功率偏差所需的GSC交流侧电压ucd、ucq。

3.2 SVM P-DPC算法

设第k次采样时刻的有功、无功功率偏差为

SVM P-DPC的控制目标是在（k+1）时刻消除功率偏差，则有

则随后一个采样周期Ts内有功、无功功率变化量为

则式（19）变为

由式（16）和式（3）整理得出确保在第（k+1）时刻消除功率偏差所需的电压给定值为

GSCSVM P-DPC控制结构如图6所示。图中，由式（22）预测出的经2r/2s坐标变换得、，通过SVPWM调制模块产生开关信号Sa、Sb、Sc，实现功率的快速跟踪控制。

图6 GSC SVM P-DPC控制框图Fig.6 Schematic diagram of SVM P-DPC

4 实验及分析

搭建双馈风力发电系统实验平台，对所提出的SVM P－DPC和HC－DPC略策进行对比实验。实验参数为：DFIG额定功率3 kW，定子额定电压380 V/50 Hz，转子开路电压196 V，转子额定电流9.6A，同步转速n1=1 500 r/min；GSC开关频率为10 kHz；直流母线电压200 V，网侧进线电感8mH；DFIG定子并网交流电压150 V。HC－DPC策略的滞环宽度为GSC额定功率的8%，采样时间100μs，负载为转子侧变换器和DFIG，实验时DFIG转速为1 000 r/min。SVM P－DPC和HC－DPC的控制周期和实验条件均相同。除电流波形外，其余物理量实验波形均由D/A输出，如图7～图9所示。

图7 稳态验波形（P s=1 300W）Fig.7 Experimental waveforms in steady state（P s=1 300W）

图8 SVM P-DPC和HC-DPC有功跟随波形Fig.8 Transient waveforms for following SVM P-DPC and HC-DPC

图9 负载突变时抗负载扰动波形Fig.9 Transient of step change of load power

图7为DFIG定子发出有功功率Ps=1 400W的稳态情况下，直流母线电压Udc、GSC交流侧有功功率给定、有功功率Pg、无功功率Qg、电网a相电压uga、电流波形iga。图8为=300～500W时，网侧有功功率Pg的跟随波形。图9为DFIG定子发出有功功率Ps由1 000W→1 400W→1 000W突变时，Pg、Qg、iga及Udc波形。

由图7可以看出，采用SVM P－DPC策略，稳态时直流母线电压恒定，电流波形正弦度好，瞬时有功功率和无功功率稳定且非常接近给定值；采用HC－DPC方案时直流母线电压恒定，但电流发生畸变，瞬时有功功率和无功功率波动较大。

由图8可见，采用HC－DPC和SVM P－DPC策略，当有功功率发生突变时，GSC瞬时有功功率Pg均能快速跟随给定值，且无功功率基本不变。

由图9可见，当负载改变瞬时，2种控制策略直流母线电压Udc随负载变化稍有波动，但经很短时间，Udc即可达到稳定值，说明采用HC-DPC和SVM P-DPC策略时，Udc均有较强的抗负载扰动能力；GSC交流侧有功功率Pg随着负载的改变而改变，但Qg保持不变。

5 结论

本文对双馈风力发电系统网侧变换器提出HC-DPC与SVM P-DPC两种策略。通过实验分析得出结论如下。

（1）两种策略均能实现有功、无功功率解耦及直流母线电压恒定的控制目标。

（2）与HC-DPC相比，SVM P-DPC有固定开关频率，系统具有良好的动、静态控制性能。

综上所述，SVM P-DPC策略对三相电压源变换器具有实际的应用价值。

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