直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器模糊控制方法的研究

林 軒，唐勇奇、2

(1．湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2．風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同中心，湘潭 411101)

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直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器模糊控制方法的研究

林 軒1，唐勇奇1、2

(1．湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2．風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同中心，湘潭 411101)

詳細(xì)分析并網(wǎng)逆變器的控制策略，針對(duì)傳統(tǒng)PI參數(shù)不能跟隨風(fēng)速實(shí)時(shí)變化，出現(xiàn)控制效果不佳的情況，研究采用模糊PI控制方法，該方法能夠根據(jù)風(fēng)速變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，提高并網(wǎng)逆變器對(duì)于外部干擾、參數(shù)變化的控制效果，使逆變器輸出的電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓，達(dá)到與電網(wǎng)電壓同頻同相和提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)效率和可靠性的目的，通過(guò)在Matlab/simulink仿真軟件上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方法的正確性.

風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；模糊PID控制；仿真建模

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組種類繁多，目前，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，受到廣泛研究者的關(guān)注，它代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的發(fā)展方向.本文針對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)存在的問(wèn)題，研究其并網(wǎng)控制策略.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)采用全功率變流控制技術(shù)，并網(wǎng)逆變技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，也是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一，越來(lái)越受到專家和學(xué)者的重視，而控制技術(shù)又決定了逆變器的性能，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)新的逆變技術(shù)，優(yōu)越成熟的逆變技術(shù)能夠保證逆變器良好的穩(wěn)定性和可靠性的實(shí)現(xiàn).本文對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變控制技術(shù)分析研究，在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出基于模糊PI電壓外環(huán)和PI電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，以空間電壓矢量(SVPWM)信號(hào)作為逆變器輸出的電流信號(hào)，使逆變器輸出電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓信號(hào)，提高風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)效率和可靠性.

作者通過(guò)對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其可行性及正確性.

1 PWM并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型[1，2]

圖1為直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).該交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由電機(jī)側(cè)不可控整流器和網(wǎng)側(cè)PWM逆變器組成.網(wǎng)側(cè)PWM逆變器可以根據(jù)機(jī)側(cè)整流器發(fā)出有功功率的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸(d軸按照電網(wǎng)電壓矢量定向)電流以及q軸電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)母線電壓控制，輸出有功、無(wú)功的解耦控制以及輸出并網(wǎng).

圖1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為分析直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)逆變器，現(xiàn)簡(jiǎn)化功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用電解電容代替并網(wǎng)逆變器直流側(cè)，用三相電壓源代替電網(wǎng)，如圖2所示.

圖2 并網(wǎng)逆變器原理圖

由圖2得，并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示.

(1)

式(1)中L為網(wǎng)側(cè)的濾波電感；R為等效電阻； ia、ib、ic為網(wǎng)側(cè)的并網(wǎng)電流；ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓；ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的相電壓.

在此使用等功率變換原則簡(jiǎn)化該數(shù)學(xué)模型，將三相abc靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，得：

(2)

式(2)中，id和iq分別為d軸和q 軸電流分量；ω為電網(wǎng)電角速度；ed和eq分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d軸和q軸電壓；ud和uq分別為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出端d軸和q軸電壓分量.

經(jīng)坐標(biāo)變換后，并網(wǎng)逆變器中的交流量全部轉(zhuǎn)化為直流量，從而使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化.

2 網(wǎng)側(cè)逆變器的控制策略

網(wǎng)側(cè)逆變器功率控制框圖如圖3所示.

圖3 網(wǎng)側(cè)逆變器功率控制框圖

該控制框圖中共三個(gè)反饋控制環(huán)：兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)(實(shí)現(xiàn)dq軸電流id和iq的準(zhǔn)確控制)與一個(gè)直流電壓外環(huán)(用以控制直流母線電壓Udc).在電壓定向控制下，靜止abc坐標(biāo)系下的三相電流ia、ib、ic被變換為旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的兩相電流id和iq，id和iq分別為三相線電流中的有功和無(wú)功分量.對(duì)這兩個(gè)分量分別進(jìn)行控制，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率獨(dú)立控制的一種有效方法[3,4].

為實(shí)現(xiàn)電壓定向矢量控制，將電網(wǎng)電壓矢量定在d軸上，即ed=em，eq=0(em為電網(wǎng)電壓幅值).由此可以計(jì)算系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率為：

(3)

式(3)中，id和iq分別為電網(wǎng)側(cè)逆變器有功和無(wú)功電流分量.控制id和iq可實(shí)現(xiàn)Pg和Qg的獨(dú)立控制.因此網(wǎng)側(cè)逆變器采用雙閉環(huán)控制策略，即外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，利用電壓外環(huán)PI控制器的輸出作為網(wǎng)側(cè)逆變器有功電流分量給定值id*；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，跟蹤電壓外環(huán)輸出的有功電流指令id*以及設(shè)定的無(wú)功電流指令iq*實(shí)現(xiàn)電流控制.因此，根據(jù)并網(wǎng)側(cè)電壓和電流反饋的信息，經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)PI控制器，保證發(fā)電機(jī)輸出的有功功率經(jīng)網(wǎng)側(cè)逆變器饋入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功功率控制和最大化地利用風(fēng)能，達(dá)到提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)效率和系統(tǒng)可靠性的目的[5].

2.1 改進(jìn)的電壓外環(huán)

為更好地維持直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定，已知母線電壓給定的情況下，PI調(diào)節(jié)中增加一個(gè)直流側(cè)電壓反饋，實(shí)現(xiàn)精確控制.傳統(tǒng)的PI控制因其參數(shù)固定，對(duì)于線性系統(tǒng)控制效果較好，當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)擾動(dòng)等非線性狀況時(shí)，PI參數(shù)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，會(huì)減弱控制效果甚至出現(xiàn)嚴(yán)重情況.因此，本文基于模糊PI控制能根據(jù)外部環(huán)境擾動(dòng)進(jìn)行PI參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，將模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器，達(dá)到精確控制的目的.因此，電壓外環(huán)采用模糊PI控制器，其輸出提高電流內(nèi)環(huán)有功電流給定的精確性，使逆變器輸出電流快速平穩(wěn)地跟蹤電網(wǎng)電網(wǎng)，提高網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)效率[6].

圖4 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

圖4為模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，其組成部分包括：模糊化，將輸入的清晰量轉(zhuǎn)換成模糊量；知識(shí)庫(kù)，包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)；模糊推理，形成模糊規(guī)則庫(kù)的過(guò)程；清晰化，把模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)換成清晰量.

本文的模糊控制器以電壓偏差eu和電壓偏差變化△eu作為輸入量，PI參數(shù)作為輸出量.電壓偏差eu和電壓偏差變化△eu的隸屬集合分別為圖5、圖6所示.

圖5 電壓偏差的隸屬集合

圖6 電壓偏差變化的隸屬集合

輸出量PI的隸屬度集合如圖7所示.

圖7 PI參數(shù)隸屬集合

其模糊規(guī)則為：if：Rieu=Ai，△eu=Bi，thenki=Ii，kp=Pi，其中Ai、Bi、Ii、Ai為模糊隸屬集合.

其模糊推理如表1、表2所示.

表1Kp模糊規(guī)則表

表2 Ki模糊規(guī)則表

模糊PI控制器模塊圖如圖8所示.

圖8 模糊PI控制器模塊圖

2.2 電流內(nèi)環(huán)

圖9 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

由式(2)可知逆變器d、q軸電流之間存在相互耦合的變量，id、iq既受到ud、uq的影響，還受到耦合電壓ωLiq、-ωLid以及電網(wǎng)電壓em的影響，因此會(huì)增加控制器的設(shè)計(jì)難度，并影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.為解決該問(wèn)題，采用解耦的方法對(duì)id、iq分別進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制[7，8]，再加上電壓補(bǔ)償項(xiàng)Ed=ωLiq+ed和Eq= -ωLid+eq，根據(jù)電流內(nèi)環(huán)控制圖(如圖9所示)得其控制電壓vd、vq的表達(dá)式為:

(4)

式(4)中Kp、Ki分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù).

將式(4)帶入到式(2)中，且在式(2)中令Rid+ud=vd，Riq+uq=vq，可得到：

(5)

式(5)表明，d軸網(wǎng)側(cè)電流id的微分方程中只含有d軸分量，實(shí)現(xiàn)解耦控制；對(duì)于q軸電流iq，也同樣實(shí)現(xiàn)解耦控制.解耦控制使PI控制器設(shè)計(jì)容易，系統(tǒng)更加容易穩(wěn)定.得到的控制電壓分量ud、uq，經(jīng)過(guò)Park反變換和SVPWM即得網(wǎng)側(cè)逆變器的控制信號(hào)，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)逆變器的有效控制[9][10].

3 仿真研究

通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的研究，在Matlab/Simulink下搭建仿真模型.如圖所示，其中仿真模型中給定部分條件為永磁同步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為4，給定轉(zhuǎn)矩為-10 kN·m，等效電阻為28 Ω，直流側(cè)電容為0.02 F, 直流側(cè)額定電壓為310 V，網(wǎng)側(cè)線電壓有效值為120 V，50 Hz，網(wǎng)側(cè)濾波電感為1 mH，每相等效電阻為0.5 Ω.

在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，導(dǎo)致直流側(cè)的母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，下面進(jìn)行直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的研究.

假設(shè)用給定轉(zhuǎn)矩的變化來(lái)模擬外界風(fēng)速的變化，在0.5 s時(shí)將原給定轉(zhuǎn)矩增大到-15 kN·m，傳統(tǒng)PI控制下直流母線電壓如圖10所示，模糊方法控制下直流母線電壓如圖11所示.通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，模糊PI控制下的直流母線電壓在風(fēng)速突變情況下，經(jīng)模糊PI控制器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能夠快速做出反應(yīng)，使直流側(cè)電壓值趨于穩(wěn)定.

圖10 傳統(tǒng)PI控制下直流母線電壓波形

圖11 模糊PI控制直流母線電壓波形

圖12和圖13分別為傳統(tǒng)PI和模糊PI控制一相并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的波形情況.通過(guò)比較可得，在電網(wǎng)電壓幅值保持一致時(shí)，模糊方法控制下的電流跟蹤效果更佳，且幅值更大，說(shuō)明其并網(wǎng)電能質(zhì)量更高.

圖12 傳統(tǒng)PI控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形

圖13 模糊PI控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形

圖14和圖15分別為傳統(tǒng)PI和模糊PI控制下網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率和有功功率的波形情況(黃線表示有功功率，紫線表示無(wú)功功率).通過(guò)仿真波形可以看出，在風(fēng)速突然變化時(shí)，電機(jī)的輸出功率會(huì)變化，模糊PI控制方法通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)控制，能夠快速調(diào)整傳輸功率，保證能量守恒，使網(wǎng)側(cè)的無(wú)功功率始終為0，使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài).

圖14 傳統(tǒng)PI控制網(wǎng)側(cè)有功功率Pg和無(wú)功功率Qg

圖15 模糊PI控制網(wǎng)側(cè)有功功率Pg和無(wú)功功率Qg

4 結(jié) 論

通過(guò)理論推導(dǎo)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)逆變器的模糊控制方法，搭建仿真模型進(jìn)行仿真并對(duì)波形分析，提高并網(wǎng)逆變器對(duì)外部干擾和參數(shù)變化控制的效果，最后論證理論的正確性和控制系統(tǒng)的可行性.

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Wind Power Grid Connected Inverter

The Fuzzy Control Method of Direct Drive Permanent Synchronous

LIN Xuan1,TANG Yong-qi1,2

(1.College of Elect. and Informationl Engineering，Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China; 2.The Cooperatine Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion,Xiangtan 411101, China)

The detailed analysis of controlling strateyg of grid connected inverter is conducted in this paper.The traditional PI parameter does not change in real time with alteration of wind speed and presents ineffective controlling situation.The fuzzy PI control method is studied in this paper.It can adjust parameter in real time according to the change of wind speed and improve the control effect of grid connected inverter for external disturbances and parameter variations.The output current of inverter can track the grid voltage fast,achieve synchron ization with the grid voltage and improve wind power grid efficiency and reliability.Finally,this method is simulated by the software of Matlab/Simulink and the theoretical correctness is verified.

wind power generation;grid-connected inverter;fuzzy PID controlling;simulation modeling

2014-09-15

湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CX2014B439)；湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新平臺(tái)資助項(xiàng)目(11K018)；湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011GK3143).

林 軒(1991-)，男，碩士研究生，研究方向:風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù).

TM315

A

1671-119X(2015)01-0005-05