風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的仿真研究

張賀軍，樸成澤

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206;2.鶴崗電業(yè)局 ，黑龍江鶴崗 154100)

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的仿真研究

張賀軍1，2，樸成澤2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206;2.鶴崗電業(yè)局 ，黑龍江鶴崗 154100)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)了一種單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)。分析和研究了該系統(tǒng)并網(wǎng)控制器的工作原理及其控制策略，利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

風(fēng)力發(fā)電;并網(wǎng)逆變器;電流跟蹤控制;仿真建模

0 引言

中國(guó)多數(shù)風(fēng)力發(fā)電是采用離網(wǎng)式，需采用蓄電池儲(chǔ)存風(fēng)能后再通過(guò)逆變器供給用戶使用。由于風(fēng)力發(fā)電存在著風(fēng)速變化或風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓變化較大、幅值較低且頻率變化等缺點(diǎn)，所以不能采取直接將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相連接并網(wǎng)，必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端增加一個(gè)電力電子裝置的功率接口，將電壓和頻率隨機(jī)變化的電能變換成頻率、相位符合電網(wǎng)要求的交流電能，再與公用電網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。因此，本文提出了單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)。同時(shí)采用MATLAB仿真軟件對(duì)系統(tǒng)控制方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 并網(wǎng)逆變器的控制方法

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓是三相交流電壓，所以系統(tǒng)采用交—直—交電能變換的形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)功能［1］。把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)不可控整流變成直流電壓。但整流后的直流電壓低，而且大范圍波動(dòng)，為了得到滿足并網(wǎng)逆變器要求的直流母線電壓，采用并網(wǎng)逆變器前級(jí)加BOOST升壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。這樣升壓后直流母線電壓便穩(wěn)定到350 V，經(jīng)H橋逆變和LCL濾波實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器按控制方式可分為4種，即電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制。以電流源為輸入的逆變器，其直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此并網(wǎng)逆變器均多采用以電壓源輸入為主的方式［3］。

逆變器與市電并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制，市電系統(tǒng)可視為容量無(wú)窮大的定值交流電壓源，如果并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，電壓源為并聯(lián)運(yùn)行方式，這種情況下要保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相移，控制系統(tǒng)的有功輸出與無(wú)功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制，可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，不易獲得優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制，那么只需要控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達(dá)到良好的并聯(lián)運(yùn)行的目的［4－5］。由于電流型并網(wǎng)控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此目前被廣泛地采用。

圖1 控制電路圖

為了減小電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對(duì)輸出電流和電壓的影響，提高回饋電能質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用電壓源輸入、電流型輸出的控制方式。

并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足以下兩個(gè)要求:

1)并網(wǎng)電流接近正弦，電流與電網(wǎng)電壓同相，使功率因數(shù)接近于1，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波含量。

2)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。在網(wǎng)側(cè)采用電流閉環(huán)控制，以達(dá)到電流的快速響應(yīng)，使并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位，且幅值保持正弦輸出，直流側(cè)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，以穩(wěn)定直流母線電壓。系統(tǒng)控制電路如圖1所示。

前級(jí)BOOST升壓環(huán)節(jié)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，直流輸出電壓經(jīng)A/D采樣后的值Vf與給定電壓V*

DC進(jìn)行比較，其差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，作為電流內(nèi)環(huán)的給定量i*1。電流內(nèi)環(huán)采用電流滯環(huán)控制，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制DC－DC變換器中開關(guān)通斷的PWM信號(hào)，從而保證直流側(cè)穩(wěn)定的電壓輸出。

后級(jí)網(wǎng)側(cè)逆變環(huán)節(jié)采用電流閉環(huán)方式并加入電壓前饋補(bǔ)償控制。通過(guò)同步鎖相技術(shù)，得到與電網(wǎng)電壓同步的單位正弦信號(hào)。此信號(hào)與電流指令峰值i*L相乘，得到并網(wǎng)交流電流的指令值i*Lf，將它與實(shí)際的并網(wǎng)逆變器輸出電流iLf相比較，差值通過(guò)PI控制器處理后與引入的電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償值相加，其值作為調(diào)制波信號(hào)，然后與三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，以產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，經(jīng)放大，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管器件的工作，使并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

2 并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的分析

并網(wǎng)逆變器的控制關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

由圖2可以推導(dǎo)其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為

式中:KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù)。

忽略各功率開關(guān)器件和死區(qū)時(shí)間的非線性影響，采用PWM控制方式的橋式逆變環(huán)節(jié)可近似為一個(gè)線性比例環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

式中:KPWM為逆變器放大倍數(shù)。

濾波電感的等效串聯(lián)電阻和濾波電容的串聯(lián)電阻，其值較小，為了減化模型，可以將其忽略。濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

式中:L=L2+L3;α =L2/L。

為了消除電網(wǎng)電壓的干擾，可以采取電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償方式，如圖3所示。

圖3 電壓前饋控制圖

帶前饋控制的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中KF為電網(wǎng)電壓前饋系數(shù)。

由式(5)可知，只要KF=1/GPWM(s)，可得

所以，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償后，可以從理論上完全消除電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真分析。對(duì)并網(wǎng)逆變器仿真主要分為BOOST升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)兩個(gè)部分來(lái)建立電路和控制系統(tǒng)仿真模型。

BOOST升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的系統(tǒng)仿真框圖如圖4所示。

圖4 BOOST升壓電路仿真模型

在圖4中，采用三相電源Three－Phase Source模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，升壓電感L1取值為6 mH，穩(wěn)壓濾波電容C2取值為2 200 uF。功率開關(guān)管MOSFET和二極管的各項(xiàng)參數(shù)按實(shí)際器件的值進(jìn)行設(shè)置。用Discret PI Controller模塊作為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，用Relay滯環(huán)模塊作為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器。圖5、圖6是風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓為70 V時(shí)，整流后的電壓波形和BOOST升壓后的直流電壓波形。

圖7、圖8是風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓為100 V時(shí)，整流后電壓波形和BOOST升壓后直流電壓波形。

從以上仿真圖形可以看出，風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電壓變化時(shí)，經(jīng)BOOST升壓后的直流輸出電壓基本保持不變，穩(wěn)定在350 V左右，從而為后級(jí)逆變電路提供了穩(wěn)定的直流輸入電壓，并且保證了低風(fēng)速情況下風(fēng)能的最大利用。

后級(jí)并網(wǎng)逆變的仿真模型如圖9所示。用模塊Universal Bridge作為逆變橋，功率器件選為MOSFET，并設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。濾波電感L2和L3分別為10 mH、5 mH，濾波電容C3為30 uF。利用AC Voltage sourse作為電網(wǎng)電壓，并利用Discrete 1－phase PLL模塊實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的同步鎖相，Zero－order Hold模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣保持。電流閉環(huán)控制為PI控制方式，用Discret PI Controller模塊作為調(diào)節(jié)器。PWM Generator為系統(tǒng)的PWM波形產(chǎn)生模塊，設(shè)置其內(nèi)部三角載波頻率為20 kHz。

圖9 并網(wǎng)逆變仿真模型

直流輸入電壓為350 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz。并網(wǎng)參考電流為10 A、20 A時(shí)的仿真波形如圖10和圖11所示。

圖10 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流10 A的波形

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的闡述及工作原理的分析，提出了單相并網(wǎng)逆變器的控制方案。同時(shí)利用仿真軟件Matlab/Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，完成了對(duì)主電路以及控制系統(tǒng)仿真模型的建立。仿真結(jié)果表明并網(wǎng)逆變器具有單位功率因數(shù)，輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。

圖11 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流20 A的波形

［1］胡順全.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器裝置［C］//全國(guó)電技術(shù)節(jié)能第九屆學(xué)術(shù)年會(huì):CECE’2007，2007－11－01，2007:187－189.

［2］黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］王全勝，宋建成.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究［J］.煤礦機(jī)電，2008，2010(6):38 －41.

［4］李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］許頗，張興，張崇巍，等.采用Z源變換器的小型風(fēng)力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(4):93 －97.

Simulation study of wind power grid－connection control

ZHANG Hejun1，2，PIAO Chengze2
(1.Electrical Engineering School of North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.Hegang Electric Power Bureau，Hegang 154100，China)

According to the strict demand for wind power grid－connection generation，this paper proposes the design of a single－phase grid－connection inverter control system，analyzes and studies its working principle and control strategy，and simulates it by Matlab/Simulink.Simulation result proves the feasibility of the control system.

wind power generation;grid－connection inverter;current tracking control;simulation modeling

TM614

A

1002－1663(2012)02－0096－04

2011－10－08

張賀軍(1973－)，男，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院在職研究生，主要從事輸配電生產(chǎn)管理工作。

(責(zé)任編輯 郭金光)