網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的改進

李春亞 王文超

摘 要：在傳統(tǒng)的矢量控制策略下，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生階躍變化時變流器直流母線電壓會產(chǎn)生劇烈波動，從而影響整個風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對該問題，文章對直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略進行改進，提出了基于模糊理論的自整定PI控制策略。為了驗證該控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了容量為2MW的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)模型，在階躍風(fēng)速情況下進行系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明模糊PI控制策略能夠有效的減小直流側(cè)母線電壓的波動。

關(guān)鍵詞：逆變器；控制策略；模糊控制

中圖分類號：TM46 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0019-02

Abstract： Under the traditional vector control strategy， when the wind speed changes step by step， the DC bus voltage of the converter will fluctuate violently， which will affect the stable operation of the whole wind power system. In order to solve this problem， this paper improves the control strategy of grid-side converter in direct-drive wind power system， and proposes a self-tuning PI control strategy based on fuzzy theory. In order to verify the effectiveness of the control strategy， a model of direct-drive wind power system with capacity of 2MW is established under Matlab/Simulink environment， and the system simulation is carried out under the condition of step wind speed. The results show that the fuzzy PI control strategy can effectively reduce the DC side voltage fluctuations.

Keywords： inverter； control strategy； fuzzy control

引言

近年來，隨著環(huán)境污染的加重及能源緊缺問題的凸顯，作為清潔能源的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，風(fēng)能的開發(fā)利用及風(fēng)電機組的控制成為各國學(xué)者的研究熱點。目前，兆瓦級風(fēng)電機組的主流機型為直驅(qū)式和雙饋式兩種[1]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁直驅(qū)風(fēng)電機組將成為風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。風(fēng)電機組單臺容量的增加，這對并網(wǎng)也提出的更高的要求，并網(wǎng)技術(shù)的研究成為風(fēng)電控制技術(shù)研究的重點。無論是哪種機組，發(fā)出電能都需要通過網(wǎng)側(cè)變流器逆變并網(wǎng)。

本文主要是以直驅(qū)風(fēng)電機組為研究對象，在分析網(wǎng)側(cè)變流器運行原理及數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)。在階躍風(fēng)速下，保證并網(wǎng)電能的質(zhì)量，針對直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和有無功功率的解耦控制這兩個目標(biāo)進行仿真驗證。

1 逆變器數(shù)學(xué)模型

在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

（1）

式中，ugd、ugq為交流側(cè)電壓d軸和q軸分量；igd、igq為交流側(cè)電流d軸和q軸分量；ed、eq為電網(wǎng)電壓d軸和q軸分量；？棕g為電網(wǎng)同步電角速度。

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略分析

網(wǎng)側(cè)變流器作為風(fēng)電機組重要部件，其主要作用是在保證并網(wǎng)電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定的控制。本文采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，采用雙閉環(huán)控制，原理如圖1所示[2]。

由于采用電網(wǎng)電壓定向，則ugq=0，電網(wǎng)電壓有無功功率可表示為：

通過上式可以得到對dq軸電流單獨控制，就能實現(xiàn)有無功功率的解耦控制的目的。

由于dq軸的耦合關(guān)系，通過內(nèi)環(huán)PI輸出增加前饋補償項-ωgLgigq+Vgd和-ωgLgigd，實現(xiàn)dq軸的解耦控制。

3 控制策略的改進

由于風(fēng)電系統(tǒng)的強耦合性，風(fēng)速的不穩(wěn)定性等原因，固定的PI參數(shù)無法適應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。當(dāng)風(fēng)速突變時，會導(dǎo)致超調(diào)過大。針對這些問題，本文提出外環(huán)控制器將模糊控制與PI控制器相結(jié)合的策略，內(nèi)環(huán)仍采用PI控制，以實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的良好控制性能。

3.1 輸入輸出變量的選取

將參考電壓Udcref和實側(cè)電壓Udc的偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，外環(huán)PI參數(shù)變化量ΔKp和ΔKi作為輸出，則外環(huán)PI控制器參數(shù)修正為：

其中，Kp′和Ki′為原PI參數(shù)，Kp和Ki為整定后的PI參數(shù)。

3.2 模糊控制規(guī)則的制定

根據(jù)仿真結(jié)果可以得到直流側(cè)參考電壓和實測電壓偏差的基本論域為[-500，500]，單位是V，電壓偏差變化率的基本論域為[-2000，2000]，輸出ΔKp的基本論域為[-2，2]，ΔKi的基本論域為[-20，20]。對應(yīng)的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，NB采用Z型隸屬函數(shù)，PB采用S型隸屬函數(shù)，其他均為三角形隸屬函數(shù)。采用“if…then…”語句描述模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則表如表1所示。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 PI控制仿真結(jié)果分析

仿真時間設(shè)定為2s，在1s時風(fēng)速由8m/s突變成額定風(fēng)速12m/s，仿真結(jié)果如下所示。

圖2-4為網(wǎng)側(cè)變流器控制仿真曲線。圖2和圖3表明基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略實現(xiàn)有無功功率的解耦控制，當(dāng)風(fēng)速達到額定風(fēng)速時，有功功率輸出達到額定功率2MW，無功功率維持在零附近。當(dāng)風(fēng)電機組啟動及風(fēng)速發(fā)生階躍時，經(jīng)過一段時間調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓能恢復(fù)到1500V，并網(wǎng)電流諧波THD=1.22%，滿足國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定THD值小于5%的要求。仿真結(jié)果表明基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略的可行性。

4.2 模糊PI控制效果分析

風(fēng)電機組啟動時，直流側(cè)電壓超調(diào)量由44.4%下降到24.1%；風(fēng)速突變?yōu)?2m/s時，超調(diào)由17.7%下降到15.3%，調(diào)整時間減小了0.005s；風(fēng)能利用系數(shù)控制效果也優(yōu)于PI控制器，仿真結(jié)果證實了模糊PI控制策略的有效性，增強了機組抗干擾能力。

5 結(jié)束語

本文介紹了直驅(qū)風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型及控制原理，針對由于數(shù)學(xué)模型的非線性及風(fēng)電機組工作環(huán)境的不穩(wěn)定性，固定的PI參數(shù)無法很好的適應(yīng)工況變化。因此，本文將模糊控制與PI控制相結(jié)合，根據(jù)輸入變化實時整定PI參數(shù)。仿真結(jié)果表明，在風(fēng)速發(fā)生階躍跳變時，模糊PI控制器穩(wěn)定性和響應(yīng)速度優(yōu)于PI控制，克服了傳統(tǒng)PI控制器的缺點，控制效果良好。

參考文獻：

[1]姚興佳，郭飛，郭永庫.基于模糊PID雙饋風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器綜合控制研究[J].可再生能源，2013，31（12）：30-34.

[2]劉軍，吳瓊.永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究[J].控制工程，2015，22（01）：20-24.