李好时,厉 虹,张雅静
(北京信息科技大学 自动化学院,北京 100192)
风能是重要的优质可再生能源,具有清洁无污染且安全可控的特点。在将风能转化为电能的风力发电系统中,并网逆变器是风力发电机与电网之间的电力电子接口。传统的并网逆变器由于存在死区时间,谐波含量较高,并网电流质量较差。
近年来,三相Z源逆变器作为一种新型的电能变换装置受到广泛关注。Z源逆变器具有升降压控制灵活的优点。由于其特殊的拓扑结构,Z源逆变器同一桥臂的上下2个功率器件可同时导通,从而降低并网电流谐波畸变率,改善并网电流质量[1]。文献[1]对双闭环控制算法进行了改进,在电流内环中采用无差拍控制,提高了系统稳定性;文献[2]提出了一种改进型脉冲宽度调制策略,有效降低了电容器电压的最大峰值,减小了电压纹波的含量,使系统可以选用电容值更小的电容器;文献[3]将LCL型并网滤波器引入到Z源风电并网系统中,降低了并网电流高次谐波分量;文献[4]在应用Z源逆变器和LCL型滤波器的基础上提出一种LCL双闭环控制参数设计方法,在保证系统稳定的前提下使系统具有一定鲁棒性。
本文在永磁直驱风力发电Z源逆变器的双闭环控制系统中,设计了自抗扰控制器,用自抗扰算法代替PI算法,有效改善Z源网络中电容启动冲击电压过高的问题,在系统中又加入LCL型滤波器,进一步降低了并网电流谐波畸变率,使并网电流质量有较大提高。通过对直通占空比的控制实现系统最大功率跟踪。
图1所示为基本Z源逆变器拓扑结构,2个电容值相同的电容器C1、C2和2个电感值相同的电感器L1、L2组成X型对称网络,将直流源与三相逆变桥连接起来,二极管VD的作用是阻止电流反向流入直流侧。
图1 Z源逆变器结构
Z源逆变器在正常工作时有直通和非直通2种状态。当同一桥臂的上下2个功率器件同时导通时,处于直通状态,Z源逆变器通过这一状态实现灵活升降压;非直通状态指传统逆变状态。图2和图3分别为直通和非直通2种状态下的等效电路。
图2 直通换流状态
图3 非直通换流状态
由于Z源网络为对称结构,有
(1)
在非直通状态下有
(2)
式中UI、UC、UL、UO分别为输入电压、电容电压、电感电压和输出电压。
在直通状态下:
(3)
根据伏秒平衡原则,Z源逆变器电感在一个开关周期内的平均电压为0,则有
(4)
式中:T1、T0分别为非直通时间和直通时间,开关周期T=T1+T0;d0为直通占空比,且d0=T0/T。
Z源网络输出端电压平均值为
(5)
Z源逆变器直流母线峰值电压为
(6)
式中B为升压因子。
式(4)~(6)表明,只要对电容电压UC进行稳定控制,则通过调节直通占空比d0,即可达到风机输出和直流侧升降压的目的。
在直驱风电Z源逆变器并网系统中,要想取得良好的并网效果并实现最大功率跟踪,就必须对Z源网络中电容器上的电压进行精确稳定的控制。由于Z源网络传递函数存在半平面零点, Z源电路中的电容电压超调量较大,这种情况可以通过应用非线性控制方法加以改善[5]。
自抗扰控制是在经典PID 控制基础上加以改进。自抗扰控制器设计不依赖被控对象的数学模型,不区分系统的内扰和外扰,而是直接观测补偿系统的总扰动[6]。
图4是基于自抗扰控制技术的的Z源并网系统控制图。系统中采用了电容电压外环,滤波电容电流和并网侧并网电流内环的双闭环控制策略。将采集到的Z源逆变器电容电压UC与给定电压UCref比较后,输入到电压环,得到有功电流分量给定值i2 d*,为保证单位功率因数运行,设给定无功电流分量i2q*为0,将这2个给定值与坐标变换后的网侧电流值i2 d、i2q比较后输入到电流PI环中,经解耦得到电流内环给定值icd*、icq*。将icd*、icq*与坐标变换后的滤波电容电流icd、icq进行PI调节,经解耦补偿就得到了SVPWM调制算法所需的Ud和Uq。Z源系统中的电压外环给定的电容电压控制量为恒定值[7],所以采用一阶自抗扰控制器就能满足要求。这里,自抗扰控制器的作用是稳定电容电压。设计自抗扰控制器,以电容电压给定值UCref和电容电压实际值UC作为输入量,以d轴电流给定值i2 d*为输出量。一阶自抗扰控制器由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO) 和非线性状态误差反馈(NLSEF)三部分构成,如图5所示。
图4 Z源永磁同步直驱风力发电并网系统框图
图5 一阶自抗扰控制器
非线性跟踪微分器TD的作用是快速且无超调地跟踪输入信号。它以电容电压给定值UCref为输入,经式(7)计算得到UCref的跟踪信号v。
(7)
扩张状态观测器ESO 是ADRC 的核心,通过ESO 不仅可以得到各个状态变量的估计值,而且能估计出不确定模型和外扰的实时作用量,并在反馈中加以补偿。ESO以z1、z2作为输出,b0为补偿因子。控制律为
(8)
非线性状态误差反馈NLSEF 是TD 和ESO产生的状态变量估计之间误差的非线性组合,它和ESO 对总扰动的补偿量一起组成控制量I2 d*:
(9)
其中,
(10)
电流内环对网侧电流和滤波电容电流采用PI算法。滤波电容电流环控制律如式(11),网侧电流环控制律如式(12)。
(11)
(12)
Z源逆变器采用SVPWM调制方法,这种调制方法可使电压利用率更高,开关损耗更小[12]。当Z源网络电容电压得到稳定控制,就可以通过调节直通占空比d0来控制风力发电机转速实现最大功率跟踪。
滤波器是风力发电并网逆变系统中改善电能质量的重要装置,具有抑制输出电流的过分波动及浪涌冲击、滤除由开关动作所产生的高频电流、保护逆变器全桥开关管等功能。常见逆变器的输出滤波器有L 型、LC 型和LCL型3 种。其中LCL型滤波器的成本低、体积小,对高次谐波的抑制效果好,输出波形质量高,适用于功率较大频率较低的场合[8]。本文选用LCL型滤波器,对逆变桥输出的电动势进行滤波,并与电网电动势隔离。图6为LCL型并网逆变器的拓扑结构,其中L1(abc)为逆变侧滤波电感,R1(abc)是它的寄生电阻;L2(abc)为网侧滤波电感,R2(abc)是它的寄生电感;C(abc)为滤波电容。
图6 LCL并网滤波器拓扑结构
以并网逆变器的三相输出电压ua、ub、uc,并网逆变器的三相输出电流i1a、i1b、i1c,网侧的三相电流
i2a、i2b、i2c和流过滤波电容的电流ica、icb、icc为状态变量得到状态方程:
(13)
将式(13)转化到dq坐标下,得到式(14)、(15)。
(14)
(15)
为实现dq轴解耦,消去式(14)和(15)中的逆变侧电感电流Iid、I1q和滤波电容电压Ucd、Ucq,得到解耦式(16)、(17)。
(16)
(17)
其中
(18)
(19)
式中:a=L1s+R1,b=L2s+R2,c=ωL1,d=ωL2,e=ωC,f=Cs。
在LCL型并网滤波器的拓扑结构基础上得到其数学模型,经三相静止坐标到两相旋转坐标的变换,引入前馈解耦使得有功功率和无功功率可以分别独立控制,提高了系统的控制性能[9]。
在Matlab/Simulink平台上搭建永磁同步直驱风力发电Z源逆变器并网系统仿真实验模型。实验参数:电网电压有效值220 V,频率50 Hz;永磁同步电机参数:定子电阻R=2.4 Ω,Ld=Lq=0.000 835 H,磁极对数为20;Z源网络参数C1=C2=4 000 μF,L1=L2=5 mH;LCL滤波器参数L1(abc)=5 mH,R1(abc)=0.5 Ω,L2(abc)=1 mH,R2(abc)=0.5 Ω,C(abc)=140 μF。
风力发电并网系统的复杂性很大程度上是由于风速的不确定性,因此在对风力发电系统进行实验研究时,采用越接近自然的风速模型就越能取得较好的实验数据。自然界中的不规则风速可由平均风、阵风、变化风、湍流风4种基本情况组合而成[10]。本实验选用的组合风速如图7所示。第1 s为平均风和湍流风的组合,第2 s是阵风和湍流风组合,第3~6 s为变化风与湍流风组合,最后又回到平均风与湍流风组合风模式下。
图7 风速
实验得到直通占空比d0与风力机转速ω具有对应关系,将这种关系进行曲线拟合,再通过最佳叶尖速比法得到最佳转速ωref,将这个转速代入曲线就得到最佳直通占空比d0ref。将d0ref输入SVPWM模块就能调节整流器输出电压,从而调节风机转速。
直驱风力发电机转速变化如图8所示。通过改变直通占空比d0,实现对风机转速的控制。
图8 发电机转速
风能利用系数cp变化如图9所示,可以看到cp被控制在0.48附近,表明风机转速很好地跟踪了给定的最佳转速,实现了最大功率跟踪。
图9 风能利用系数cp
图10所示是Z源网络电容电压波形。实验曲线表明,并网系统启动时,采用PI算法的双闭环控制策略,Z源网络中的电容上有较大的启动冲击电压,而在电压环上设计了自抗扰控制器,采用自抗扰算法后,在相同的系统响应速度下,降低了电容器上的冲击电压。
图10 电容电压
图11是应用了自抗扰算法后的Z源网络输出电压。由于直通零矢量的存在,所以Z源网络瞬间输出电压存在为0的情况。
图11 直流链电压
图12是应用基于自抗扰算法的Z源逆变器后,电网电压和并网电流波形,实验曲线显示,电网电压和并网电流相位相同,实现了单位功率因数运行;并网电流是较完整的正弦波形,满足并网需求。
图12 并网电流和电网电压
引入和未引入LCL型滤波器的并网电流谐波分析及数据分别如图13、14所示。实验数据表明在风力发电并网系统中,采用基于自抗扰控制技术的Z源逆变器结合LCL型滤波器,可以有效改善并网电流中的谐波,提升并网电流质量。
图13 加入LCL型滤波器并网电流谐波总畸变率(THD)
图14 未加入LCL型滤波器并网电流谐波总畸变率(THD)
本文在直驱风力发电并网系统中,采用可靠性和电磁兼容性能更好的Z源逆变器,将自抗扰控制技术引入Z源逆变器的并网控制中,设计了自抗扰控制器。在满足并网系统响应的快速性与稳定性条件下,减小了Z源网络电容启动冲击电压,增强了系统可靠性,有利于实现并网系统的安全运行;将实施自抗扰控制的Z源逆变器与LCL型滤波器结合,采用并网电感电流、滤波电容电流双环控制,实现了有功无功解耦控制,降低了并网电流谐波畸变率,减小了谐波污染,有效改善了并网电流质量;通过控制直通占空比来调节永磁同步发电机转速,实现了系统最大功率跟踪。提高了能源利用率。通过仿真实验,验证了文中所提控制方法的可行性。