DFIG風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略仿真研究

唐 美 ，穆星星

（1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160）

近年來，隨著雙饋型發(fā)電機(jī)組在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中表現(xiàn)出的優(yōu)越性，而倍受關(guān)注，因此DFIG作為一種主流機(jī)型在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中被廣泛地運(yùn)用。由于單臺(tái)DFIG的容量不斷增加，對(duì)并網(wǎng)提出了更高的要求。

風(fēng)電并網(wǎng)問題已成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要挑戰(zhàn)之一[1]。因此，對(duì)并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究也成為了熱點(diǎn)和重點(diǎn)，變流器控制技術(shù)就是其中之一。

目前，國內(nèi)外風(fēng)電研究人員已經(jīng)針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行了許多相關(guān)的研究。其中，文獻(xiàn)[2-5]主要是針對(duì)DFIG風(fēng)電系統(tǒng)控制策略以及轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變送器進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]分析并網(wǎng)型DFIG機(jī)組在定子磁鏈與電壓定向的矢量控制下的特性，并對(duì)變流器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理來研究其對(duì)仿真結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[7]研究了變流器坐標(biāo)變換的具體變換過程，詳細(xì)分析了電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，并通過仿真研究電壓型PWM整流器控制特性。

本文主要是對(duì)DFIG網(wǎng)側(cè)變流器控制策略進(jìn)行仿真研究，以Matlab/Simulink仿真軟件為平臺(tái)，建立其模型，并通過對(duì)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制策略的可行性及有效性。

1 并網(wǎng)變換器基本理論

在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，變流器通常分為兩種類型，電壓源型和電流源型。目前多數(shù)采用的是電壓源型PWM網(wǎng)側(cè)變流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示。圖中，Udc為直流側(cè)電壓，ea、eb和ec分別是系統(tǒng)三相電壓。

圖1 電壓源型網(wǎng)側(cè)變流器Fig.1 Grid-side voltage source converter

1.1 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

在變流器研究的過程中，為了研究方便將其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并作出以下三點(diǎn)假設(shè)：

1）其中電感L為線性元件，且不考慮飽和；

2）變流器中功率開關(guān)管為理想開關(guān)，即其損耗可以用電阻R表示；

3）網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)e為三相平穩(wěn)的純正弦波電動(dòng)勢(shì)。在研究網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型之前，先設(shè)置其開關(guān)函數(shù)，

網(wǎng)側(cè)變流器的電壓方程可以表示為：

式中，p=d/dt為微分算子，uaN、ubN和ucN為變流器中橋臂的電壓，u0N為直流側(cè)負(fù)載端到電網(wǎng)三相中性點(diǎn)之間的電位值。從上圖1中對(duì)于直流側(cè)電容處，可由基爾霍夫電流定律（KCL）得到下式：

式中，iLd為流向負(fù)載端的電流。

綜合上式（1）和（2），可以將網(wǎng)側(cè)變流器在三相ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表示如下：

上式（3）是以開關(guān)函數(shù)的形式來描述PWM變流器的數(shù)學(xué)模型，從式（3）可以得到，方程中的量均為時(shí)變的交流量，對(duì)于變流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極為不便，因此需要對(duì)上式進(jìn)行坐標(biāo)變換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于控制策略的實(shí)施。

對(duì)上式（3）進(jìn)行坐標(biāo)變換后，可以得到式（4）中網(wǎng)側(cè)PWM變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

在DFIG并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)變流器在保證直流母線電壓穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電流正弦波動(dòng)且功率因數(shù)可控。

由于網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電流控制方式的不同，其控制策略分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。本文通過對(duì)電壓進(jìn)行矢量控制，采用一種基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制策略，其控制框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the grid-side converter

由于在控制系統(tǒng)中d軸與q軸之間存在相互耦合關(guān)系，從圖2中可以看到，在電流內(nèi)環(huán)控制的PI控制器輸出端增加相應(yīng)的前饋補(bǔ)償項(xiàng)ωLiq和ωLid，這樣就能夠?qū)λ麄儗?shí)現(xiàn)解耦控制。

在兩相坐標(biāo)系中，電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)變流器之間的有功功率以及無功功率的關(guān)系，可表示為：

通過式（5）可以得到，對(duì)d軸電流分量id和q軸電流分量iq分別進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器有功功率及無功功率進(jìn)行單獨(dú)控制的目的。這對(duì)于研究逆變波形及直流母線電壓的穩(wěn)定性具有重要作用。

2 網(wǎng)側(cè)變流器仿真分析

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真研究，仿真系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)母線電壓為1 200 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，網(wǎng)側(cè)變流器額定功率為1.2 MW，電網(wǎng)電壓為690 V，開關(guān)頻率為5 kHz，直流側(cè)電容為36.8 mF，濾波電感為2.6 mH。為了便于對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，故在仿真研究中采取了標(biāo)幺值的方法進(jìn)行分析。由于網(wǎng)側(cè)變流器可以實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，當(dāng)變流器處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器開始進(jìn)行整流，將能量由電網(wǎng)端饋入變流器；當(dāng)變流器運(yùn)行處于超同步狀態(tài)時(shí)，變流器將能量饋入電網(wǎng)，此時(shí)變流器處于逆變狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量在網(wǎng)側(cè)變流器中雙向流動(dòng)的目的。

3 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink中搭建模型進(jìn)行仿真，從圖3和圖4中可以看到，系統(tǒng)運(yùn)行在亞同步和超同步狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)很好的控制效果；而且，系統(tǒng)中直流側(cè)電壓夠達(dá)到穩(wěn)定的效果；另外，從圖6和圖7中可以看到，系統(tǒng)由整流到逆變及逆變到整流的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，雖然有短暫的振蕩，但是在控制器的作用下，系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，達(dá)到預(yù)期的控制效果。仿真結(jié)果說明該控制策略的有效性，同時(shí)也證明了本文所采用的網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略是可行的，能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

圖3 系統(tǒng)亞同步運(yùn)行狀態(tài)Fig.3 Operation status of system sub-synchronous

圖4 系統(tǒng)超同步運(yùn)行狀態(tài)Fig.4 Operation status of system super-synchronous

圖5 系統(tǒng)直流側(cè)電壓Fig.5 DC voltage of system

圖6 系統(tǒng)由亞同步運(yùn)行狀態(tài)到超同步運(yùn)行狀態(tài)Fig.6 From sub-synchronous to super-synchronous of systems

4 結(jié) 論

文中對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)逆變器的基本工作原理進(jìn)行了介紹，采用的是電壓源型逆變器的原理，在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析其控制策略。同時(shí)也采用了一種基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的方法進(jìn)行控制，在電流內(nèi)環(huán)控制的PI控制器上增加相應(yīng)的前饋補(bǔ)償項(xiàng)以實(shí)現(xiàn)解耦控制的目的。

圖7 系統(tǒng)超同步由運(yùn)行狀態(tài)到亞同步運(yùn)行狀態(tài)Fig.7 From super-synchronous to sub-synchronous of systems

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