雙PWM全功率變流器機側(cè)控制策略研究

王林+夏婷+趙青+王銀杰

摘 要： 雙脈寬調(diào)制（PWM）全功率變流器機側(cè)的開關(guān)頻率低，其電流諧波含量高，且同步電機反電動勢中產(chǎn)生了大量諧波.為了降低發(fā)電機的銅鐵損耗，降低系統(tǒng)成本，弱化網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計的難度，抑制機側(cè)諧波具有重要意義.傳統(tǒng)比例積分（PI）調(diào)節(jié)器難以抑制直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)機側(cè)諧波，針對這一現(xiàn)象，提出將PI與準比例諧振（PR）調(diào)節(jié)器聯(lián)合，形成新型的調(diào)節(jié)器，并在轉(zhuǎn)子定向的旋轉(zhuǎn)坐標系下對定子電流特定次諧波進行了抑制.運用PSCAD/EMTDC軟件進行了仿真驗證，結(jié)果表明：采用經(jīng)典PI控制時，機側(cè)電流諧波含量為17.28%；采用新型調(diào)節(jié)器時，機側(cè)電流諧波含量為5.86%.同時，通過分析實驗結(jié)果驗證了該機側(cè)控制策略的可行性，可有效地抑制機側(cè)諧波.

關(guān)鍵詞： PI調(diào)節(jié)器； 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機； 機側(cè)諧波； 準PR調(diào)節(jié)器； PSCAD/EMTDC軟件

中圖分類號： TM 393 文獻標志碼： A

Study on the Motorside Control Strategy of

Dual PWM Full Power Converter

Abstract： The switching frequency of dual pulse width modulation （PWM） converter with full power in motorside was low.Its current harmonic content was high.Furthermore， a large number of harmonics were generated in the back EMF of synchronous motor.It was very important to restrain the harmonics of the motor side to reduce the copper loss， the iron loss， the system cost and the difficulty of the filter design of the network side.It was difficult for the traditional PI controller to restrain the harmonics of directdriven wind turbine with permanent magnet synchronous generator （DPMSG）.Therefore， a new control strategy of the motorside converter was proposed based on the combination of proportional integral（PI） regulator and quasi proportional resonant（PR） regulator to suppress the specific harmonic of stator current in the rotor oriented rotating coordinate.The simulation was conducted with the software PSCAD/EMTDC.The current harmonic content of the motorside was 17.28% with traditional PI controller， while it was 5.86% with the proposed controller.The feasibility of the motorside control strategy was validated by the experimental results.

Keywords： PI controller； DPMSG； harmonic current of motorside； PR controller； the software PSCAD/EMTDC

在雙脈寬調(diào)制（PWM）全功率變流的直驅(qū)風(fēng)永磁發(fā)電系統(tǒng)中，機側(cè)整流裝置是最大諧波的產(chǎn)生源，形成諧波污染.機側(cè)PWM變流器開關(guān)頻率低，其電流諧波含量高，且同步電機反電動勢中產(chǎn)生了大量諧波.發(fā)電機組并入電網(wǎng)后，將對電網(wǎng)造成諧波污染.大量諧波也會增加發(fā)電機組銅耗和鐵耗，造成發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩脈動效率降低，對發(fā)電機造成嚴重的后果.因此，需要對雙PWM全功率變流器的機側(cè)變流器進行諧波抑制，以提高直驅(qū)風(fēng)永磁發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量[1-3].

永磁同步發(fā)電機（PMSG）的輸出諧波與系統(tǒng)運行狀態(tài)有關(guān)，空載時電壓諧波含量較高，額定負載諧波含量較低，與電機本體設(shè)計的每極每相槽數(shù)也密切相關(guān)[1]，同時機側(cè)變流開關(guān)頻率也是導(dǎo)致機側(cè)諧波產(chǎn)生的原因.大量機側(cè)諧波會增加電機的銅耗和鐵耗，造成轉(zhuǎn)矩脈動較大，降低機組轉(zhuǎn)換效率.通過優(yōu)化每極每相槽數(shù)減少機側(cè)諧波產(chǎn)生，可取得一定效果，但不具有諧波抑制功能[1，4-5].通過添加機側(cè)并聯(lián)電力濾波器消除機側(cè)諧波的效果明顯，但同時也增加了系統(tǒng)成本[6-7]；消除特定次諧波效果較佳，但消除諧波單一，頻率自適應(yīng)性差[7].

本文中直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用背靠背型拓補結(jié)構(gòu)，采用準比例諧振（PR）調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)比例積分（PI）控制相結(jié)合形成具有定子電流諧波抑制作用的新型控制結(jié)構(gòu)，從而有效消除機側(cè)諧波，降低發(fā)電機的銅耗和鐵耗，降低系統(tǒng)成本，弱化網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計的難度.

1 雙PWM型風(fēng)電系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)與機側(cè)變流器控制原理

雙PWM型風(fēng)電系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)如圖1所示，PMSG輸出功率經(jīng)機側(cè)變流器整流濾波和穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，通過網(wǎng)側(cè)逆變器和隔離變壓器并入電網(wǎng).機側(cè)采用轉(zhuǎn)子磁場定向，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和無功控制；網(wǎng)側(cè)采用VOC（電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略），實現(xiàn)逆變并網(wǎng)控制.endprint

以機側(cè)諧波抑制為主要研究對象，研究機側(cè)的控制結(jié)構(gòu)對諧波的抑制.機側(cè)變流器傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：iA、iB、iC分別為機側(cè)三相電流；id、iq分別為定子電

流d、q軸分量，iq、id均為無功電流的設(shè)定值；Vd、Vq分別為定子電壓d、q軸分量；ψ為永磁體磁鏈；ω為角速度；L為電感.

2 機側(cè)諧波分析

實驗采用2.2 kW永磁風(fēng)力發(fā)電機，額定電壓為110 V，額定電流為18.5 A，實驗轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，機側(cè)電流波形及諧波分布如圖3所示.諧波主要成分為3、5、7次諧波.大量的諧波使發(fā)電機的銅耗和鐵耗增加，縮短了發(fā)電機的使用壽命，同時也增加了網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)的設(shè)計難度.

在經(jīng)典的雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于PI調(diào)節(jié)器僅對直流信號實現(xiàn)無靜差控制，難以實現(xiàn)對交流信號的穩(wěn)態(tài)無靜差控制.在進行永磁發(fā)電機側(cè)諧波抑制時，若采用經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)，必須首先獲得諧波信號，并將其轉(zhuǎn)換至角速度為nω0（ω0為帶寬調(diào)節(jié)系數(shù)）的旋轉(zhuǎn)坐標系下，分別對諧波信號進行多次派克變換、PI調(diào)節(jié)以及反派克變換，這增加了機側(cè)濾波的復(fù)雜性.

當機側(cè)電流中含有的K次諧波，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下是分別以K-1次正序諧波和K+1次負序諧波形式存在，因此，針對永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(cè)諧波問題，提出了將傳統(tǒng)PI控制與有源濾波器中準PR調(diào)節(jié)器相結(jié)合的抑制方案.

3 機側(cè)諧波電流控制策略

PI調(diào)節(jié)器在控制直流量時，直流頻率為0，PI調(diào)節(jié)器在頻率為0處獲得的增益為無窮大，但對于交流信號，其頻率不為0，PI控制無法獲得無窮增益，因而無法實現(xiàn)交流信號的無靜差控制.采用準PR調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)相結(jié)合可形成新的調(diào)節(jié)器，有

式中：K為諧波增益；ω為基波角頻；根據(jù)系統(tǒng)濾波要求進行設(shè)計；Ki為比例系數(shù)；KP為積分系數(shù).

由圖3可知，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機定子電流輸出中奇次諧波含量較高.如果發(fā)電機定子電流反饋控制信號中含有諧波，將會使永磁發(fā)電的銅耗和鐵耗增加，造成轉(zhuǎn)矩脈動較大，進而系統(tǒng)諧波含量更高.因此，本文在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標下引入式（2），將其與傳統(tǒng)PI控制相結(jié)合，形成具有諧波抑制作用的機側(cè)控制策略.調(diào)節(jié)器控制圖如圖4所示，調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如式（3）所示.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基頻隨風(fēng)速變化而變化，新的機側(cè)控制策略對交流信號的無靜差控制取決于基波角頻率ω的獲取.

準PR調(diào)節(jié)器的伯德圖如圖5所示，其參數(shù)為ω0 =10，K分別取10 000、15 000、20 000.設(shè)計調(diào)節(jié)器時，應(yīng)先設(shè)計PI參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，根據(jù)實際諧波分析和調(diào)試經(jīng)驗選取K和ω0.

4 機側(cè)諧波電流控制策略

運用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)及其控制仿真軟件，驗證本文所提出的控制方法的有效性.具體仿真參數(shù)為：發(fā)電機額定功率為0.01 MW，額定電壓為1 000 V；實驗風(fēng)速為11 m·s-1；噪聲風(fēng)速5 m·s-1；斜坡風(fēng)速2 m·s-1.由于系統(tǒng)中永磁風(fēng)力發(fā)電機為理想條件下的數(shù)學(xué)模型，在仿真時需自行添加諧波電流，PSCAD/EMTDC軟件的元件庫中包含諧波模塊，但是其頻率呈階梯變化，且添加的為特定次諧波，因此需自行建立模型.仿真時主要添加了2、3、5、11、13次諧波.傳統(tǒng)PI控制及新的控制策略下的仿真結(jié)果分別如圖6、7所示.從仿真結(jié)果可以看出：傳統(tǒng)PI控制下電流諧波含量較高，為17.28%；采用PI和準PR調(diào)節(jié)器相結(jié)合的方式進行調(diào)節(jié)器設(shè)計時，較好地抑制了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機定子諧波電流，諧波含量為5.86%.

5 實驗分析

為了驗證控制效果，采用額定功率為2.2 kW，額定電壓為110 V的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機進行實驗.實驗平臺設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，示波器型號為Tek1012B，高壓差分探頭為Tek公司的P5200，電流鉗為Tek公司的A622.對永磁風(fēng)力發(fā)電機進行分組實驗，對傳統(tǒng)PI控制及PI和準PR調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制方式進行對比分析.

圖8（a）為傳統(tǒng)PI控制下機側(cè)電流波形及相應(yīng)頻率分析波形.由實驗波形可知，機側(cè)電流波形中3、5、11、13次諧波含量較高.傳統(tǒng)PI控制無法消除上述奇次諧波，無法實現(xiàn)對交流量的無靜差控制.

圖8（b）為PI與準PR調(diào)節(jié)器結(jié)合形成的新的控制策略下的實驗波形.由實驗結(jié)果可以看出，永磁風(fēng)力發(fā)電機的定子輸出電流波形中諧波含量與圖8（a）相比明顯得到抑制.通過以上實驗對比分析，說明PI與帶通濾波函數(shù)結(jié)合形成的新的控制策略能夠較好地抑制直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的定子電流諧波.

6 結(jié) 論

本文以2 kW永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究載體，通過對機側(cè)輸出諧波進行分析，提出了在旋轉(zhuǎn)坐標系下電流諧波抑制控制策略，分析了濾波原理.實驗結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)PI控制時，機側(cè)電流諧波含量為17.28%；采用新型調(diào)節(jié)器時，機側(cè)電流諧波含量為5.86%，驗證了所提出的控制策略的有效性.

參考文獻：

[1] 張岳，王鳳翔.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機性能研究[J].電機與控制學(xué)報，2009，13（1）：78-82.

[2] 王銀杰，胡國文，王林.風(fēng)光互補智能充電控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].能源研究與信息，2012，28（4）：196-201.

[3] 王銀杰，胡國文，王林.風(fēng)光互補系統(tǒng)多階段充電控制策略研究[J].能源研究與信息，2014，30（3）：178-181.

[4] 謝若初.直接驅(qū)動式永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.

[5] 王承煦，張源.風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國電力出版社，2003.

[6] 粟梅，孫堯，覃恒思，等.矩陣變換器輸入濾波器的多目標優(yōu)化設(shè)計[[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（1）：70-75.

[7] ZMOOD D N，HOLMES D G，BODE G.Frequency domain analysis of three phase linear current regulators[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37（2）：601-610.endprint