基于混合型模糊PI控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器仿真研究

謝 崢，馬相女，徐騰騰

（1.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000；2.青島卷煙廠，山東 青島 266000）

0 引 言

伴隨著科技發(fā)展和環(huán)境的不斷惡化，全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重。風(fēng)能作為一種廣泛分布的“可再生能源”，被認(rèn)為是當(dāng)前最具發(fā)展空間的新能源技術(shù)之一。近年來，風(fēng)力發(fā)電得到了較快發(fā)展。在未來的發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電將會主導(dǎo)著世界各國的發(fā)電行業(yè)，其中變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)尤其是雙饋型變速恒頻（VSCF）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢而備受關(guān)注[1]。

目前，雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器多采用背靠背雙PWM電壓型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，本文將只對網(wǎng)側(cè)變流器模型進(jìn)行研究。

1 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)PWM變流器通常采用三相電壓型PWM變流器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖中，ea、eb、ec分別為電網(wǎng)a、b、c三相電壓；ia、ib、ic分別為PWM變流器交流側(cè)a、b、c三相電流；R、L為濾波電抗器的電阻和電感；Sa、Sb、Sc為變流器開關(guān)函數(shù)；C為直流側(cè)電容；Udc為直流側(cè)電壓；idc為主電路開關(guān)直流輸出電流；iL為直流側(cè)負(fù)載電流。基于d、q坐標(biāo)系下SVPWM變流器的數(shù)學(xué)模型為：

圖1 電壓型PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，Sd、Sq為dq坐標(biāo)系下變流器的開關(guān)函數(shù)；id、iq、ed、eq為dq坐標(biāo)系下PWM變流器交流側(cè)電流和電網(wǎng)電壓在d軸、q軸上的分量。

2 混合型模糊PI控制器的設(shè)計(jì)

混合型模糊PI控制器[4]的結(jié)構(gòu)如圖2所示。取e、ec為模糊控制器的輸入變量，其物理論域分別為 [-200，200]、[-1 615，1 615]；選取合適的量化因子，將其由物理論域定義到模糊論域，其范圍為[-6，6]；設(shè)計(jì)輸入變量e和ec的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}； 輸 出 Uf的 模 糊 論域?yàn)?[-1，1]，模糊子集為 {NVB，NB，NM，NS，NVS，NZ，ZO，PZ，PVS，PS，PM，PB，PVB}。經(jīng)過多次試驗(yàn)，隸屬度函數(shù)采用平滑的Gauss函數(shù)系統(tǒng)性能較好。

圖2 混合型模糊PI控制器結(jié)構(gòu)

3 混合型模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為了驗(yàn)證混合型模糊PI控制器在風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器中的應(yīng)用，將混合型模糊PI控制器引入控制系統(tǒng)。考慮到單一因素影響原則，只將其引入電流內(nèi)環(huán)控制，電壓外環(huán)用階躍響應(yīng)代替?；诨旌闲湍：齈I控制的網(wǎng)側(cè)SVPWM變流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。為了系統(tǒng)更清晰地了解網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中先不用階躍響應(yīng)代替，在仿真過程中代替即可。

通過給定指令電壓與直流側(cè)電容電壓Udc相比較的結(jié)果，經(jīng)外環(huán)PI控制得到電流內(nèi)環(huán)指令電流構(gòu)成SVPWM變流器的電壓外環(huán)。電流內(nèi)環(huán)將電壓外環(huán)輸出的電流指令與實(shí)際電流id相比較，經(jīng)模糊PI調(diào)節(jié)及解耦控制，得到變流器輸入端電壓d、q軸分量Usd、Usq，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)-靜止坐標(biāo)變換及SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）調(diào)制，最終得到SVPWM變流器開關(guān)器件觸發(fā)脈沖信號Sa、Sb和Sc，其中交流側(cè)電感電流的q軸分量Iq=0。將混合型模糊PI控制器引入電流內(nèi)環(huán)的控制策略，不僅較傳統(tǒng)PI控制策略響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小，而且較常規(guī)修正PI參數(shù)的模糊控制策略動態(tài)性能也更優(yōu)化，且在不同工況下系統(tǒng)性能也很穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性能。

圖3 網(wǎng)側(cè)SVPWM變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)仿真

根據(jù)圖3構(gòu)建基于混合型模糊PI控制的SVPWM變流器控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真模型，模型中電壓外環(huán)用階躍響應(yīng)代替。仿真模型參數(shù)為：直流電容參考電壓=1 050 V，電源線電壓有效值Um=690 V，直流側(cè)電容C=0.02 F，交流電感L=0.4 mH，開關(guān)頻率為2 kHz。交流側(cè)電感指令電流為給定的階躍響應(yīng)為：

交流側(cè)電感實(shí)測電流的d軸分量id和q軸分量iq對比響應(yīng)曲線分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4 混合模糊PI與傳統(tǒng)PI的id對比響應(yīng)曲線

圖5 混合模糊PI與傳統(tǒng)PI的iq對比響應(yīng)曲線

圖6 混合模糊PI與模糊PI的id對比響應(yīng)曲線

圖7 混合模糊PI與模糊PI的iq對比響應(yīng)曲線

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)PWM變流器啟動時(shí)，混合型模糊PI控制策略的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.001 s，超調(diào)量為1.60%，上升時(shí)間為0.002 s；而在階躍響應(yīng)狀態(tài)下，傳統(tǒng)PI控制策略的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.004 s，超調(diào)量為4%，上升時(shí)間為0.004 s；常規(guī)修正參數(shù)的模糊PI控制策略的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.003 s，超調(diào)量為3%，上升時(shí)間為0.003 s?？梢?，混合型模糊PI控制策略的響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，具有更加良好的動態(tài)性能。

為了驗(yàn)證混合型模糊PI控制器在不同工況下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且具有一定的抗干擾性能，給出了混合型模糊PI控制策略在不同工況下交流電感實(shí)測電流的d軸分量id和q軸分量iq在的仿真結(jié)果。

假設(shè)給定的階躍輸入為：

若其階躍響應(yīng)下的id和iq的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 交流側(cè)電感電流id響應(yīng)曲線

圖9 交流側(cè)電感電流iq響應(yīng)曲線

若假設(shè)給定的階躍輸入為：

則其階躍響應(yīng)下的id和iq的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

由仿真結(jié)果可知：在給定不同階躍輸入時(shí)或者從一種階躍輸入跳變到另一種階躍輸入時(shí)，混合型模糊PI控制器對階躍響應(yīng)跟蹤良好，性能穩(wěn)定，超調(diào)量小，響應(yīng)速度快，充分說明混合型模糊PI控制具有一定的抗干擾性能。

5 結(jié) 論

圖11 交流側(cè)電感電流iq響應(yīng)曲線

本文提出將混合型模糊PI控制器引入風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)的控制策略。在該混合模糊PI控制策略下，模糊控制規(guī)則較為簡單，計(jì)算量大為減少。研究結(jié)果表明，混合型模糊PI控制策略無論是較傳統(tǒng)PI控制策略還是較修正PI參數(shù)的模糊控制策略，其響應(yīng)速度都更快，超調(diào)量更小，動態(tài)性能有明顯優(yōu)化。不同工況下的仿真驗(yàn)證也表明，混合型模糊PI控制策略具有良好的抗干擾性能。

[1]阮春長，王宏華.基于模糊控制的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（5）：1-3.

[2] 范守婷，王 政.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器同步技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（24）：1-2.

[3] SU Hong-sheng，JING Li-xue，YUAN Chao，et al.Research on Direct Power Control of SVPWM Rectifier Based on Fuzzy PI Control[J].Power Sources，2012，10（3）：2-4.

[4] 任碧瑩，同向前，孫向東.具有限定功率運(yùn)行的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（2）：1-2.