劉 波，金 昊

（東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用雙脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）變換器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)輸出功率將隨之改變，在常規(guī)控制過(guò)程中，雙PWM 變換器直流母線電壓會(huì)隨之出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中有效抑制雙PWM 變換器直流母線電壓波動(dòng)是雙PWM 變換器控制的關(guān)鍵[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]采用機(jī)側(cè)變換器電流前饋的控制方法，發(fā)電功率的變化通過(guò)前饋控制使網(wǎng)側(cè)變換器電流控制內(nèi)環(huán)給定值隨之改變，而不影響到直流母線電壓，但是采樣電流隨開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化不規(guī)則脈動(dòng)，采用低通濾波器又降低了控制的響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[5]通過(guò)將機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率直接前饋到網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率控制環(huán)輸入端，避開(kāi)了電壓環(huán)對(duì)功率的間接、滯后調(diào)節(jié)，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小了功率擾動(dòng)的干擾，有效抑制了直流母線電壓的波動(dòng)。經(jīng)深入分析，在功率前饋通道增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)可減小甚至完全消除功率擾動(dòng)對(duì)直流母線電壓的影響。為此，本文提出功率前饋補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)一步提高前饋控制效果。

1 雙PWM 變換器控制策略

基于雙PWM 變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于雙PWM 變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of permanent magnet direct driven wind power generation system based on back to back PWM converter

1.1 機(jī)側(cè)變換器的控制

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變換器的控制目標(biāo)是將永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的頻率和幅值不斷變化的電壓、電流，經(jīng)PWM 變換器轉(zhuǎn)化為電壓恒定的直流電，同時(shí)控制永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使其輸入電流為正弦波，并通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電流來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，確保風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中捕獲最大風(fēng)能[6]。

根據(jù)永磁同步電機(jī)的原理及矢量的等效坐標(biāo)變換，使電機(jī)定子電流合成矢量is定向于q 軸，則其d 軸電流分量將為零，即isd=0，機(jī)側(cè)變換器的整體控制如圖2左半部分所示。采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)角速度的參考值ω*是根據(jù)最大功率追蹤算法給定。

圖2 雙PWM 變換器負(fù)載功率前饋控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Load power feed forward control of dual PWM converter

1.2 網(wǎng)側(cè)變換器的控制

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定及變換器與電網(wǎng)之間的無(wú)功功率為零。由圖1可以看出，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行中永磁同步電機(jī) PMSG (Permanent Magnetic Synchronous Generator)輸出的瞬時(shí)有功功率Ps隨風(fēng)速變化并經(jīng)機(jī)側(cè)變換器饋入直流母線側(cè)，若忽略機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器功率損耗，機(jī)側(cè)變換器輸出功率Ps與發(fā)電機(jī)輸出功率相等，同理，直流側(cè)經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)之間的瞬時(shí)有功功率即為Pg；當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)Ps隨之變化，若Pg不能及時(shí)跟蹤其變化，多余的能量將由直流母線電容器所吸收或釋放，使直流電壓產(chǎn)生波動(dòng)[7]。

如果在風(fēng)速變化時(shí)能把發(fā)電機(jī)輸出的有功功率通過(guò)雙PWM 變換器及時(shí)饋入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率與電機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率動(dòng)態(tài)平衡，則可使機(jī)組運(yùn)行中直流側(cè)電容充放電功率波動(dòng)減小，維持直流母線電壓穩(wěn)定。因此，本文對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器采用直接功率控制，將發(fā)電機(jī)側(cè)瞬時(shí)有功功率Ps直接前饋于網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)有功功率控制回路給定值處，避開(kāi)了電壓外環(huán)對(duì)Pg的間接調(diào)節(jié)，使Pg及時(shí)跟蹤Ps的變化，抑制直流母線電壓的波動(dòng)，從而構(gòu)成了網(wǎng)側(cè)變換器直接功率前饋協(xié)調(diào)控制策略。

1.2.1 直接功率解耦控制

根據(jù)雙PWM 變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行原理，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制而言，可將機(jī)側(cè)變換器與PMSG視為一個(gè)整體且作為網(wǎng)側(cè)變換器負(fù)載，則網(wǎng)側(cè)變換器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-phase voltage source PWM converter

通過(guò)對(duì)其電路分析，可得網(wǎng)側(cè)變換器在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率數(shù)學(xué)模型為

式中：p、q為網(wǎng)側(cè)變換器瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率；pfz為負(fù)載瞬時(shí)功率；esd、esq為三相電網(wǎng)電壓ega、egb和egc的d、q 軸分量；urd、urq為網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓ura、urb和ucb的d、q 軸分量；ωe為網(wǎng)側(cè)電壓、電流角頻率。

根據(jù)式（1），采用PI 控制器控制有功功率、無(wú)功功率，考慮各自的耦合項(xiàng)，則可得出網(wǎng)側(cè)變換器有功功率和無(wú)功功率解耦控制器模型。

式中：Kpp、Kip分別表示有功功率控制環(huán)控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；Kqp、Kiq分別表示無(wú)功功率控制環(huán)控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；p*、q*表示有功功率、無(wú)功功率給定值。

綜合式（1）和式（2），便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器有功功率和無(wú)功功率的解耦控制[8-10]，控制回路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)變換器功率解耦控制回路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Power decoupling control of PWM converter

1.2.2 負(fù)載功率前饋控制

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)雙PWM 變換器直流母線電壓穩(wěn)定程度主要取決于網(wǎng)側(cè)變換器有功功率控制回路對(duì)負(fù)載功率擾動(dòng)的控制作用。為了使網(wǎng)側(cè)有功功率及時(shí)跟蹤負(fù)載有功功率的變化，有效抑制直流母線電壓波動(dòng)，將負(fù)載功率直接前饋于有功功率控制回路輸入端，指導(dǎo)網(wǎng)側(cè)變換器有功功率的調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)直流母線兩側(cè)瞬時(shí)功率平衡[5,11-15]。其控制原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器負(fù)載功率前饋控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Load power feed forward control of PWM converter

對(duì)電壓控制外環(huán)同樣采用 PI 控制器，則網(wǎng)側(cè)變換器直接功率前饋控制原理如圖2右半部分所示。瞬時(shí)無(wú)功功率給定值q*=0，控制網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。直接功率控制環(huán)取代了電流控制內(nèi)環(huán)、減少了坐標(biāo)變換次數(shù)，提高了控制運(yùn)算響應(yīng)速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖5中虛線箭頭方向表示功率前饋控制前向通道，根據(jù)控制原理可以得出功率前饋控制前向通道傳遞函數(shù)為

而擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為

根據(jù)擾動(dòng)通道與前饋控制通道的關(guān)系，結(jié)合前饋控制作用，負(fù)載功率擾動(dòng)的總傳遞函數(shù)為

由此可見(jiàn)，對(duì)負(fù)載功率擾動(dòng)的控制效果取決于傳遞函數(shù)G(s)，為了進(jìn)一步減小擾動(dòng)的影響，可以使負(fù)載功率擾動(dòng)的總體作用為零。為此，在功率前饋通道中增加一個(gè)環(huán)節(jié)Gf(s)，對(duì)功率前饋控制通道進(jìn)行補(bǔ)償，使前饋控制通道完全抵消負(fù)載功率的擾動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的負(fù)載功率前饋控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Load power feed forward compensation control

此時(shí)負(fù)載功率前饋控制通道傳遞函數(shù)為

則負(fù)載功率擾動(dòng)的總傳遞函數(shù)為

為完全消除擾動(dòng)影響，令

即

則

當(dāng)負(fù)載功率變動(dòng)時(shí)，Gf(s)環(huán)節(jié)對(duì)前饋控制通道進(jìn)行補(bǔ)償，能抵消負(fù)載功率擾動(dòng)對(duì)直流母線電壓的擾動(dòng)，進(jìn)一步減小由負(fù)載功率變化引起直流母線電壓的波動(dòng)。

2 對(duì)比仿真

為驗(yàn)證永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組雙PWM 變換器負(fù)載功率前饋補(bǔ)償控制策略的控制效果，本文采用Matlab/Simulink 軟件工具分別對(duì)不具有補(bǔ)償?shù)暮途哂醒a(bǔ)償?shù)膬煞N前饋控制策略在負(fù)載功率變化時(shí)的控制特性進(jìn)行對(duì)比仿真，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。在0.6 s 時(shí)使網(wǎng)側(cè)變換器負(fù)載突然增加100%（相對(duì)于風(fēng)速變化），由圖7可以看出，負(fù)載功率擾動(dòng)經(jīng)前饋補(bǔ)償控制，直流母線電壓跳躍峰值比無(wú)補(bǔ)償情況減小，且不產(chǎn)生震蕩，調(diào)節(jié)過(guò)程更加穩(wěn)定。

圖7 直流側(cè)電壓仿真波形Fig.7 DC voltage simulation waveforms

如圖8的仿真結(jié)果所示，負(fù)載突變時(shí)，網(wǎng)側(cè)A相電壓仍能夠保持與對(duì)應(yīng)相電流同相位，說(shuō)明這種前饋補(bǔ)償控制策略對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的無(wú)功功率調(diào)節(jié)沒(méi)有影響，并進(jìn)一步改善了直流母線電壓的穩(wěn)定控制效果。

圖8 A 相電壓電流仿真波形圖Fig.8 A simulation of the phase voltage and current waveforms

3 結(jié)論

（1）本文對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組雙PWM 變換器的網(wǎng)側(cè)變換器采用基于SVPWM 調(diào)制的直接功率控制，使開(kāi)關(guān)頻率固定，有利于硬件電路設(shè)計(jì)，減少了控制過(guò)程中的坐標(biāo)變換，提高了控制響應(yīng)速度。

（2）為減小風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中雙 PWM 變換器直流母線電壓波動(dòng)，提出對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率采用發(fā)電機(jī)側(cè)瞬時(shí)功率（負(fù)載功率）前饋控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙 PWM 變換器輸入輸出功率的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)大大加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效減小了直流母線電壓的波動(dòng)。

（3）在以上控制策略的基礎(chǔ)上，為加強(qiáng)前饋控制對(duì)負(fù)載功率的抵消作用，提出在負(fù)載功率前饋通道中加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了前饋控制效果。

（4）采用 Matlab/Simulink 仿真，結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

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