并网直驱风电系统控制的研究

摘 要：本文对基于永磁同步电机的并网直驱风电系统（DDWECS）的控制现状进行了研究，研究对象采用的是背靠背双PWM变流器，控制器采用基于旋转参考坐标系（RRF）的电流矢量控制法，最大风能捕获（MPE）则通过叶尖速比法实现。网侧的控制器方案得以提出并应用于直驱风电系统，该方法设计了基于静止参考坐标系（SRF）的比例复数积分控制器，电流内环调节网侧电流，直流电压外环调节直流母线电压。使用Matlab/Simulink对直驱风电系统和原型系统进行仿真后证明直驱风电系统对机侧和网侧良好的控制性能和效果。

关键词：电流矢量控制；并网直驱风电系统；比例复数积分控制

随着以风能为代表的可再生能源的快速发展，各种调速系统也广泛地应用于风电系统（WECS）。无齿轮直驱永磁同步电机由于其高可靠性和高效率的特点被视为一种理想的电机。直驱风电系统（DDWECS）通常采用拓扑结构为背靠背的全控电压源变换器（VSC）来实现风力机的最大风能捕获（MPE）并使电网侧的参数满足电网要求。

本文旨在研究磁场定向电流矢量控制技术，基于旋转坐标系的PCI控制直驱风电系统的网侧并对两侧控制器进行设计和分析。我们在Matlab/Simulink中进行系统仿真来测试效果，实验结果表明其对于改进型的DDWECS控制的可靠性和性能的优越性。

一、直驱风电系统的构成

直驱风电系统主要由风力机、永磁同步电机、背靠背变流器、滤波电感和一个绝缘变压器构成。直驱风电系统的控制系统细分为机侧控制子系统和网侧控制子系统。前者利用磁链定向的dq轴电流矢量控制目标实现风机的最大风能捕获，后者用基于旋转坐标系的PCI控制来维持直流母线电压稳定并调节功率因数。

二、机侧变换器的控制

（一）永磁同步电机的数学模型

该电机在dq旋转坐标系下的数学模型可以通过计算得到。

（二）电流矢量控制

机侧变换器的电流矢量控制包括快速电流内环和慢速外环。d轴电流只受Vsq的影响，同时q轴电流受Vsd的影响。因此电流内环得以解耦。内环的d轴和q轴电流都会调整风机的转速并调节d轴电流，使之为零来提高电机的效率。

d轴和q轴电流回路的解耦控制策略可通过改写Eq的公式得到。

（三）叶尖速比法实现最大风能捕获

风力机的输出功率可通过数学公式计算出。

（四）机侧控制器的设计

用方块图可以表示出机侧控制器d轴和q轴的电流回路，它们有相似的特性，也有相应的补偿系数。

根据已经过研究的直驱风电系统的参数，KP和Ki分别是4和978。从开环和闭环系统的方块图中可得出相位裕度大概是70°，带宽频率约为560Hz。机侧的内环稳定性很好，带宽充足所以可提高跟踪能力。

Kwp和Kwi分别等于0.36和3.57。从开环和闭环系统的伯德图中可得出相位裕度约为45°，闭环的带宽频率为8Hz。机侧的外环有很好的稳定性和比较窄的带宽可以消除扰动。

三、网侧变换器的控制

（一）基于旋转坐标系的网侧变换器的数学模型

对于网侧变换器，我们把三相电压源视为电压的公共连接点。在旋转坐标系下，电压方程可以通过计算得到。

（二）PCI内环控制器的设计

网侧电流内环参数中，K1为补偿系数，K为PWM增益，Rg和Lg分别为网侧电阻和电感。

闭环变压器在无干扰下模型可通过计算得到。

因此，当相角频率是Wg时补偿系数的稳态误差接近零。为获得更快的响应，带宽频率选为700Hz。从开闭环系统的伯德图可看出相位裕度接近90度，带宽频率大约为724Hz。显然，网侧电流内环稳定性好，但比较大的带宽增加了响应时间。

（三）直流电压外环控制器的设计

直流电压外环的参数已给出。包括直流电压补偿系数Hv，功率控制器和控制设备系数Kv（s）。从开环控制系统的伯德图可得出网测电压外环稳定性好，其相位裕度接近62度，开环剪切频率约为9.2Hz，小于功率控制回路的带宽。

四、仿真模型

为证明这种控制方法和策略的优越性，在Matlab/Simulink中搭建了直驱风电系统的模型，得到了风机功率系数的稳态和动态曲线。

在t=2.5之前，风速为6.2m/s，同步电机通过控制q轴电流实现最大风能捕获，输出功率为82W。在t=2.5s时，风速增加到9.5m/s，同步电机的参考速度由叶尖速比法进行修正，可以看出，电机的响应非常迅速，并在1s内到达目标值，同时通过控制机侧q轴电流实现了最大风能捕获。q轴电流迅速而平滑地跟踪参考值，在风速增加时展示出了很好的性能。PCI控制的网侧电流变换器能在一个周期内达到稳态，说明该方法动态性能优于PR法。在4s时，风速从9.5m/s降到7.8m/s，电机的转速，q轴电流，直流电压和网侧电流也得到成功地控制以实现最大风能捕获。仿真结果体现出控制方法的正确性和有效性。

五、试验

为证明提出的控制方法和并网直驱风电系统的表现，构建模型系统并进行试验。直径为1.5m的风机采用水平轴的结构，控制系统用的是TMS320F2812DSP，开关频率是5KHz。

相比于仿真模型，自然界的风速更变幻莫测。控制速度和跟踪能力相对来说要求更高。但结果表明直流电压波动在给定的范围内，网侧电流和電压也比较稳定，功率因数大概是0.976，总谐波失真为2.32%。结果表明PCI控制网侧的方法可以实现机组的单位功率因数运行并有效地抑制谐波。

六、结论

本文研究了直驱风电系统机侧和网侧变换器的控制策略，控制器的参数和表现均进行了详细的计算分析。在网侧，对比了PCI控制法和PR控制法并进行了仿真分析。结果表明PCI控制法响应更快。仿真模型和试验系统观察了控制器的运行表现，表明机侧的电流矢量控制可有效调整定子电流，继而改变永磁同步电机的转速来实现最大风能捕获，该方法动态和稳态特性均良好。网侧的电流内环直流电压外环的PCI控制有更好的动态响应，这种控制器能可靠应用于直驱风电系统。

参考文献：

[1]姚骏，廖勇.直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制[J].电网技术，2008，32（10）：11-15.

作者简介：王滨臣，东北电力大学电气工程学院。