風力發電系統變流器的直接功率控制策略

摘要 以永磁直驅型風力發電系統為研究對象，針對其變流器結構和控制策略進行了研究。通過選擇最優雙PWM「背靠背」變流拓撲結構，並採用直接功率控制策略進一步提高了風力發電系統的併網性能。建立了輸出功率為10 kW的併網系統仿真模型，驗證控制策略的正確性。結果表明，基於直接功率控制策略的「背靠背」變流拓撲具有結構合理、控制策略新穎的優點，在保證直流側電壓穩定的同時，電網電流諧波畸變率低、波形良好，能夠實現單位功率因數併網，滿足併網要求。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306739.htm

風能作為資源豐富的清潔能源使風力發電佔據了重要地位，由於減少齒輪箱結構能夠提高系統的可靠性，目前風電領域普遍選用永磁直驅型同步風力發電系統。為使機側整流器和網側逆變器能夠獨立控制，從而實現更多的功能和增強通用性，採用雙PWM「背靠背」變流拓撲結構。風力發電系統的變流器主要指機側的整流器和網側的逆變器，通過對機側整流器的控制來提高風能利用率，並且使輸出的直流電壓保持在恆定值;通過對網側逆變器的控制來實現單位功率因數併網，輸出穩定的高質量電能，從而提高電網的穩定性。為滿足風電併網要求和提高整機的工作效率，其控制技術和策略成為主要研究方向。

隨著電力電子技術的不斷發展，新型的控制策略得以不斷湧現，其中的直接功率控制技術(DPC)將交流側瞬時有功、無功功率作為被控制量直接進行功率的閉環控制，相比矢量控制技術，無需複雜的坐標變換，算法和系統結構簡單，並且可實現單位功率因數併網，具有良好的動態性能，發展潛力大。

1 變流器的拓撲結構和數學模型

雙PWM「背靠背」全功率變流結構如圖1所示，系統採用兩個PWM變流器，該系統雖然結構複雜且需要的IGBT數量多，但具有較強的通用性，並且機側整流器和網側逆變器的控制方法、電路設計相似。由於機側整流器和網側逆變器由中間電容連結，彼此的控制是分離、獨立的，所以中間環節可以被認為是一個穩定的直流電壓源。通過對機側整流器和網側逆變器的控制使風電系統產生的電能高質量地併入電網中。

風電系統的變流器主要指機側的整流器和網側的逆變器，實質上，整流器和逆變器在電路結構和原理上是相同的，它既可以運行於整流模式，也可運行於有源逆變模式，當運行於整流模式時，是將永磁同步發電機產生的交流電變為直流電，當網側逆變器運行於逆變模式時將電能向電網側輸送。三相電壓型PWM變流器的主電路結構如圖2所示。

為簡化分析，通常假設電網電動勢是正弦波且三相平穩，網側濾波電感線性各相的數值都相等，開關管為無導通損耗的理想開關。電網三相電動勢記作ea、eb、ec;電網三相輸出電流記作ia、ib、ic，L為濾波電感;等效電阻的總值記為R;C是直流側的電容;udc是直流側的電壓值。為方便分析開關狀態，用Sa、Sb、Sc分別表示逆變器的3個橋臂;上橋臂導通下橋臂關斷用「1」表示，反之用「0」表示。在兩相靜止αβ坐標系中，網側電動勢表示為eα、eβ;交流電流值表示為iα、iβ;開關函數表示為Sα、Sβ。

兩相靜止αβ坐標系下的三相電壓型PWM變流器數學模型的方程可描述為

2 直接功率控制策略

為更好地提高風能利用率，優化併網的性能，機側整流器和網側逆變器都採用了直接功率控制策略。直接功率控制(DPC)通過實時對電網電壓和電流檢測，並將瞬時有功、無功功率值計算出來，然後通過與給定的有功功率和無功功率值比較，從而達到將瞬時功率控制在允許的範圍內，進而實現把瞬時有功、無功電流控制在允許範圍內。

2.1 直接功率控制策略原理

電壓定向直接功率控制系統通過查找開關表來控制變流器，雙環控制系統裡的功率內環是用於對有功、無功功率進行直接控制，而直流電壓外環的作用是為了穩定直流側的電壓，具體原理如圖3所示。

(1)使用交流電壓、電流傳感器測得相電壓ea、eb、ec和相電流ia、ib、ic，通過計算得出瞬時有功、無功功率p和q，同時將相電壓轉化成兩相靜止坐標系中的eα、eβ計算出扇區信號θn。

(2)直流側通過電壓閉環控制使直流母線電壓跟蹤指令值，並將直流母線電壓誤差經PI調節的輸出與直流母線電壓的乘積作為瞬時有功功率的給定值pref無功功率給定值qref設定為0。

(3)將p與pref進行做差比較得到的差值送入有功功率滯環比較器，再將q和qref的差值送入無功功率滯環比較器中，滯環比較器的輸出就是狀態信號Sp、Sq的值。

(4)根據Sp、Sq、θn進行矢量開關表的查找來選擇所需的Sa、bS、Sc，用於驅動主電路的開關管。

2.2 直接功率控制策略實現過程

(1)瞬時功率計算。採用兩相靜止αβ坐標系下的數學模型，將檢測到的三相電壓ea、eb、ec和電流ia、ib、ic，經過C3s/2s矩陣變換得到eα、eβ和iα、iβ，計算出瞬時有功、無功功率。

(2)交流電壓矢量扇區劃分。為了確定電壓矢量位於哪個扇區內，需要對扇區進行劃分，這裡採用將αβ平面扇區均勻地分為12個相等的部分，依次是θ1～θ12具體位置如圖4所示，相角範圍θn可以由式(2)確定

通過eα、eβ確定電壓矢量Ur的相角θ=arctan(rβ/eα)確定其所在的區間。例如，θ=arctan(eβ/eα)=-30°～0°，說明電壓矢量Ur位於θ1扇區。

(3)功率滯環比較器。可由軟體編寫或搭建施密特電路來實現，分為有功功率滯環比較器和無功功率滯環比較器兩種，輸入分別為瞬時有功、無功功率給定值，瞬時有功、無功功率差值△p，△q，比較器的輸出為狀態量Sp、Sq，他們表示有功、無功功率偏離給定值的狀態;圖5所示為功率滯環比較器的滯環特性，可得在不同輸入情況下Sp和Sq的數值，其中，圖5(a)為有功功率，圖5(b)為無功功率，具體描述如下。

觀察圖5所示的有功、無功功率滯環比較器的滯環特性，可知：

值得注意的是，Hq的大小可影響逆變器諧波電流、平均開關頻率和功率跟蹤能力，可知有功、無功功率的滯環寬度很重要。

(4)開關矢量表的形成。Sa、Sb、Sc的取值構成了一個開關表，代表著系統所需的開關狀態，從而驅動逆變器的開關動作，基本電壓矢量U0～U7對瞬時功率變化的影響不同。為了能夠選擇合理的電壓矢量，可以根據功率誤差的值來判斷電壓矢量對瞬時有功功率和無功功率的影響。根據三相交流電壓矢量的位置和滯環比較器的輸出信號來定義開關表，已知基本電壓矢量，也就已知開關狀態Sa、Sb、Sc，而輸出電壓矢量U由Sa、Sb、Sc及udc決定。分析考慮輸出電感等效電阻三相電壓型變流器主迴路，可得

式(5)中，當i(0)=i，當Ur選擇U6(101)時，i將沿著U-Ur方向趨近ir，則確定SaSbSc=101，i在其他位置同樣分析，得到開關表如表1所示。其中，設置的零空間矢量是為了減少開關通斷次數。

表1列出了輸出電壓矢量U處於不同的扇區位置和不同的Sp、Sq時開關動作，如表1所示。

3 系統仿真

為驗證系統運行的穩定性和控制策略的正確性，在Matlab/Simulink仿真環境下建立了輸出功率為10 kW的風電系統仿真模型，其中，機側整流器採用雙閉環控制策略來保持直流電壓的穩定，進而作為網側逆變器的直流輸入電壓。網側逆變器採用功率環進行單環控制，將輸入的穩定直流電逆變成能夠滿足併網要求的交流電，下面對機側整流器和網側逆變器分別進行仿真分析。系統仿真參數如下：輸出功率為10 kW;電網的輸出線電壓為380 V;也即相電壓220 V;電源頻率f=50 Hz;電感L=4 mH;等效電阻R=0.1 Ω;電容C=4700μF;負載電阻RL=36 Ω;直流母線電壓udcr=600 V。

3.1 機側整流器仿真分析

發電機發出的交流電首先經過整流變成直流電，為穩定直流側電壓採用電壓外環、功率內環的雙閉環控制策略，建立基於直接功率控制的機側整流器仿真模型如圖7所示。

由圖8可知，相電壓和相電流同相，處於單位功率因數的整流狀態，具有較快的動態響應。由圖9可知，直接電壓穩定在給定參考值，具有較強的抗負載擾動能力，整流效果良好。

3.2 網側逆變器仿真分析

建立基於直接功率控制的網側逆變器仿真模型，如圖10所示。

仿真得到網側相電壓、電流波形，由圖11所示，可知電網側電壓和電流的相位是相反的，逆變器很好地工作於向電網傳輸電能有源逆變的狀態，然後對單相電流進行一個周期內的THD分析波形如圖12所示，相電流波形接近於正弦波，THD=3.20%諧波分量較低，可滿足併網要求。瞬時有功功率和無功功率值如圖13所示，瞬時有功功率在10 kW附近波動，瞬時無功功率在0值附近，調節能力強、波動小能夠較好地跟蹤給定值。

4 結束語

本文通過選擇「背靠背」變流拓撲結構和採用直接功率控制策略進一步提升風電系統的併網效果。選用的網側逆變器和電機側整流器可以單獨進行分析和研究，根據仿真可知，基於直接功率控制策略的變流器可以實現單位功率因數併網、網側電流波形接近正弦波、諧波畸變小、直流電壓能夠保持恆定;採用直接功率控制策略的風電系統具有響應快、穩定性好、結構簡單的優點。提高了電能質量和電網的穩定性，並且雙側電路的設計和控制方法類似易於DSP進行數位化控制，對風力發電技術的發展提供了參考。