張小平，李 慶，劉德順

(1.湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電新型并網(wǎng)變換器控制策略研究

張小平1，李 慶1，劉德順2

(1.湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

Buck-B oo st矩陣變換器（BBMC）因具有優(yōu)良的電氣特性而適于作為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)變換器，并就相應(yīng)的并網(wǎng)控制策略進(jìn)行研究。闡述了該變換器的基本工作原理，建立了其網(wǎng)側(cè)變換器基于局部平均值的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出了以電網(wǎng)電壓為參考的雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略，并利用MA T LAB對(duì)其控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：無論BBMC輸入側(cè)電壓與頻率如何變化，其輸出電壓都能準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓的變化，且直接輸出高品質(zhì)的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，諧波含量小，從而達(dá)到了并網(wǎng)控制的基本要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

Buck-B oo st矩陣變換器；直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)控制；仿真

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因具有機(jī)組壽命長、維護(hù)方便、運(yùn)行效率高等系列優(yōu)點(diǎn)而成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的主流[1-3]，而作為其中連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并網(wǎng)變換器更是成為研究的重點(diǎn)[4]。目前在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多的并網(wǎng)變換器有“背靠背雙PWM變流器”及“不可控整流+Boost升壓+PWM逆變”等方案[5]，它們雖各具有不同的特點(diǎn)，但同時(shí)也都存在體積大、成本高等不足。文獻(xiàn) [6]提出的一種新型Buck-Boost矩陣變換器(BBMC)除具有上述并網(wǎng)變換器的一般電氣特性外，還具有電壓傳輸比任意可調(diào)、控制簡單、體積小及質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因而適于作為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)變換器。文中闡述了該變換器的基本構(gòu)成與工作原理，研究了將其作為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變換器的并網(wǎng)控制策略，并利用MATLAB對(duì)其控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明了該控制策略的有效性和可行性。

1 BBMC基本原理簡介

三相-三相BBMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上分為整流級(jí)和逆變級(jí)兩部分，其中整流級(jí)為一個(gè)3/2相矩陣變換器，它將三相輸入交流整流成PWM調(diào)制的直流電壓；逆變級(jí)則為一個(gè)三相Buck-Boost逆變器，它由三個(gè)電流可雙向流動(dòng)的Buck-BoostDC-DC變換器組成，其特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)占空比，可實(shí)現(xiàn)其交流輸出電壓的任意調(diào)節(jié)，且直接輸出高品質(zhì)的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)。

圖1 三相-三相BBMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 BBMC并網(wǎng)控制策略

以BBMC為并網(wǎng)變換器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。圖中BBMC作為全功率并網(wǎng)變換器將永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的幅值和頻率隨風(fēng)速變化的交流電變換為三相恒幅恒頻交流電連接到電網(wǎng)。考慮到并網(wǎng)變換器輸出電壓須與電網(wǎng)電壓保持一致時(shí)才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)[7]，因此該控制系統(tǒng)擬直接采用電網(wǎng)電壓信號(hào)作為其參考輸入，通過構(gòu)建以并網(wǎng)變換器中電容電壓與電感電流為控制變量的雙閉環(huán)控制模型，使這兩個(gè)控制變量均按確定的參考值變化，由此可在并網(wǎng)變換器輸出端獲得與電網(wǎng)電壓基本一致的輸出電壓，從而達(dá)到并網(wǎng)控制的基本要求。

圖2 以BBMC為并網(wǎng)變換器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)BBMC網(wǎng)側(cè)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于局部平均值的概念，建立其數(shù)學(xué)模型(以第一相為例，其它兩相相同)[8]：

式中：uC1和iC1分別為電容C1的電壓和電流；uL1和iL1分別為電感L1的電壓和電流為直流側(cè)電壓；i1為輸出電流；d1為占空比。

基于上述數(shù)學(xué)模型構(gòu)建以電感電流和電容電壓為控制變量的雙閉環(huán)控制模型，其中以電感電流為控制內(nèi)環(huán)，電容電壓為控制外環(huán)。

電感電流控制內(nèi)環(huán)如圖3所示，它以式(1)為其數(shù)學(xué)模型，該控制環(huán)因?qū)崿F(xiàn)了對(duì)電感電流的直接控制而達(dá)到了提高系統(tǒng)可靠性的目的。其基本工作原理是：將電感電流參考值iL1ref與其實(shí)際值iL1進(jìn)行比較，其偏差經(jīng)PID控制后得電感電壓參考值uL1ref，由式(1)得：

通過式（3）即可求得占空比d1，將d1經(jīng)限幅后作用于Buck-Boost變換器，控制其功率開關(guān)T1和T2的導(dǎo)通時(shí)間，從

圖3 電感電流控制內(nèi)環(huán)原理框圖

而調(diào)節(jié)電感電流使其按參考值變化。其中電感電流參考值iL1ref由電容電壓控制外環(huán)確定。

電容電壓控制外環(huán)如圖4所示，它以式(2)為數(shù)學(xué)模型，由式（2）得：

圖4 電容電壓控制外環(huán)原理框圖

其中d1可由下式近似表示：

則由式（4）和（5）可得：

該控制環(huán)的基本工作原理是：將電容電壓參考值uC1ref與其實(shí)際值uC1的偏差經(jīng)PID控制的電容電流的參考值iC1ref，由式（6）即可求得電感電流參考值iL1ref，將該參考值經(jīng)限幅后作用于控制內(nèi)環(huán)，再通過內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)占空比d1，使電感電流和電容電壓按確定的參考值變化，由此可在并網(wǎng)變換器輸出端獲得所需的輸出電壓。其中電容電壓的參考值由電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)變換后得到，研究發(fā)現(xiàn)，以電網(wǎng)電壓信號(hào)幅值的1.5倍作為直流偏置，再與該信號(hào)疊加所得到的信號(hào)作為電容電壓的參考值，效果較好。電網(wǎng)電壓的幅值由下列公式求得：

式中：ua、ub及uc分別為電網(wǎng)三相電壓；uα和uβ分別為電網(wǎng)靜止坐標(biāo)系下的α和β軸電壓；um為電網(wǎng)電壓幅值。

3 仿真分析

針對(duì)以BBMC為并網(wǎng)變換器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法采用MATLAB進(jìn)行仿真分析[9-10]。假設(shè)三相輸入電源、電網(wǎng)、功率開關(guān)、電感及電容等均為理想元件。仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入電源與電網(wǎng)采用三相對(duì)稱電壓源代替；BBMC逆變級(jí)電感與電容分別?。篖i=450μH、Ci=100μF，其中i=1～3；電壓控制環(huán)PID控制器參數(shù)?。簁P=5.5、kI=8×10－4、kD=1× 10－5；電流控制環(huán)PID控制器參數(shù)?。簁p=50、kI=1.24×10－4、kD=9×10－6；PWM開關(guān)頻率取20 kHz；仿真分穩(wěn)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩種情況進(jìn)行。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)分析在于驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤情況。任取電網(wǎng)電壓分別為690 V/50Hz和600 V/50Hz(對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)電壓的幅值/頻率)，仿真波形如圖5～8所示（只列出電網(wǎng)電壓為690 V/50Hz對(duì)應(yīng)的波形）。其中圖5為三相輸入電壓波形，為模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓隨風(fēng)速變化的情況，輸入電壓采用3個(gè)不同的電壓源代替（由開關(guān)切換），分別取311 V/35 Hz、380 V/50 Hz及220 V/25 Hz（切換時(shí)間為t=0.02 s和0.04 s）；圖6為BBMC直流側(cè)電壓波形；圖7和圖8分別為電網(wǎng)電壓和BBMC輸出電壓的波形。仿真結(jié)果見表1，其中ηTHD表示總諧波失真度。

圖5 三相輸入電壓波形

圖6 BBMC直流側(cè)電壓波形

圖7 電網(wǎng)三相電壓波形

圖8 BBMC三相輸出電壓波形

表1 調(diào)節(jié)輸出電壓的仿真結(jié)果

3.2 動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析在于驗(yàn)證當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，BBMC輸出電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤情況。設(shè)電網(wǎng)電壓頻率為50 Hz，電壓幅值在t=0.02 s時(shí)由690 V突變至500 V，然后在t=0.04 s時(shí)又突變至590 V。仿真波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 電網(wǎng)三相電壓波形

圖10 BBMC三相輸出電壓波形

3.3 仿真結(jié)果分析

從仿真波形及表1可見：（1）針對(duì)以BBMC為并網(wǎng)變換器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，在穩(wěn)態(tài)時(shí)能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)變換器輸出電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確跟蹤，其輸出電壓的幅值與電網(wǎng)電壓的偏差保持在0.5%以內(nèi)，頻率和相位與電網(wǎng)電壓基本保持一致，符合并網(wǎng)控制的基本要求；（2）當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，并網(wǎng)變換器輸出電壓與電網(wǎng)電壓基本保持一致；（3）BBMC直接輸出高品質(zhì)的三相對(duì)稱正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，波形失真度小，由仿真結(jié)果可見，其總諧波失真度ηTHD均在0.5%以下。

4 結(jié)論

針對(duì)以BBMC為并網(wǎng)變換器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，研究采用雙閉環(huán)控制策略。介紹了該控制策略的基本原理，根據(jù)該并網(wǎng)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究了雙閉環(huán)控制策略的具體設(shè)計(jì)方法，并利用MATLAB對(duì)該控制策略的效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：無論BBMC輸入側(cè)或網(wǎng)側(cè)電壓如何變化，BBMC輸出電壓都能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確跟蹤，且直接輸出高品質(zhì)的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)，諧波含量小，從而達(dá)到了并網(wǎng)控制的基本要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Study of controlstrategy for direct-drivew ind power system based on anovelgrid-connected converter

ZHANG Xiao-ping1,LIQing1,LIU De-shun2
(1.Engineering Research Center of Advanced M ining Equipment,M inistry of Education,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance forMechanical Equipment,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China)

The Buck-Boost matrix converter(BBMC)with a series of excellent electrical characteristics is suitable to be taken as a grid-connected converter for direct-drive wind power system.The grid-connected control strategy was put forward in this paper.The basic principle of this converter was elaborated and the mathematical model of its grid side converter was established based on the local mean value concept.On the basis of which,the double-loop grid-connected control strategy was proposed with the grid voltage as the reference,and the validity of this control strategy was tested by means of MATLAB.The results show that the output voltage of BBMC can accurately track the variation of the grid voltage despite of the changeable input voltage and frequency.Moreover,a normal sine wave with less harmonic distortion can be directly gotten without filtering.So the basic requirements of grid-connected control were achieved,which is of certain practical importance.

Buck-Boost matrix converter;direct-drive wind power system;grid-connected control;simulation

T M 46

A

1002-087 X(2013)11-2012-04

2013-04-30

湖南省自然科學(xué)湘潭聯(lián)合基金（10JJ9007）；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012GK3099）；湖南省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目（2010XK6066）；湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目（2011-TP4005-4）

張小平（1966—），男，湖南省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。