唐 美 ，穆星星

（1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.重慶文理學院 電子電氣工程學院，重慶 永川 402160）

近年來，隨著雙饋型發(fā)電機組在風電場并網(wǎng)系統(tǒng)中表現(xiàn)出的優(yōu)越性，而倍受關注，因此DFIG作為一種主流機型在風電場建設中被廣泛地運用。由于單臺DFIG的容量不斷增加，對并網(wǎng)提出了更高的要求。

風電并網(wǎng)問題已成為智能電網(wǎng)建設的重要挑戰(zhàn)之一[1]。因此，對并網(wǎng)關鍵技術的研究也成為了熱點和重點，變流器控制技術就是其中之一。

目前，國內(nèi)外風電研究人員已經(jīng)針對雙饋風力發(fā)電機組并網(wǎng)控制技術進行了許多相關的研究。其中，文獻[2-5]主要是針對DFIG風電系統(tǒng)控制策略以及轉子側勵磁變送器進行研究。文獻[6]分析并網(wǎng)型DFIG機組在定子磁鏈與電壓定向的矢量控制下的特性，并對變流器模型進行簡化處理來研究其對仿真結果的影響。文獻[7]研究了變流器坐標變換的具體變換過程，詳細分析了電壓型PWM整流器的拓撲結構和工作原理，并通過仿真研究電壓型PWM整流器控制特性。

本文主要是對DFIG網(wǎng)側變流器控制策略進行仿真研究，以Matlab/Simulink仿真軟件為平臺，建立其模型，并通過對模型的仿真結果進行分析，驗證基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制策略的可行性及有效性。

1 并網(wǎng)變換器基本理論

在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，從電路的拓撲結構分析，變流器通常分為兩種類型，電壓源型和電流源型。目前多數(shù)采用的是電壓源型PWM網(wǎng)側變流器，其拓撲結構如下圖1所示。圖中，Udc為直流側電壓，ea、eb和ec分別是系統(tǒng)三相電壓。

圖1 電壓源型網(wǎng)側變流器Fig.1 Grid-side voltage source converter

1.1 網(wǎng)側變流器數(shù)學模型

在變流器研究的過程中，為了研究方便將其數(shù)學模型進行簡化，并作出以下三點假設：

1）其中電感L為線性元件，且不考慮飽和；

2）變流器中功率開關管為理想開關，即其損耗可以用電阻R表示；

3）網(wǎng)側電動勢e為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢。在研究網(wǎng)側變流器數(shù)學模型之前，先設置其開關函數(shù)，

網(wǎng)側變流器的電壓方程可以表示為：

式中，p=d/dt為微分算子，uaN、ubN和ucN為變流器中橋臂的電壓，u0N為直流側負載端到電網(wǎng)三相中性點之間的電位值。從上圖1中對于直流側電容處，可由基爾霍夫電流定律（KCL）得到下式：

式中，iLd為流向負載端的電流。

綜合上式（1）和（2），可以將網(wǎng)側變流器在三相ABC坐標系下的數(shù)學模型表示如下：

上式（3）是以開關函數(shù)的形式來描述PWM變流器的數(shù)學模型，從式（3）可以得到，方程中的量均為時變的交流量，對于變流器控制系統(tǒng)的設計極為不便，因此需要對上式進行坐標變換，以實現(xiàn)對模型進行簡化，便于控制策略的實施。

對上式（3）進行坐標變換后，可以得到式（4）中網(wǎng)側PWM變流器在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型：

1.2 網(wǎng)側變流器控制策略

在DFIG并網(wǎng)風電系統(tǒng)中，網(wǎng)側變流器在保證直流母線電壓穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)交流側輸入電流正弦波動且功率因數(shù)可控。

由于網(wǎng)側變流器交流側電流控制方式的不同，其控制策略分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。本文通過對電壓進行矢量控制，采用一種基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制策略，其控制框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側變流器控制結構圖Fig.2 Structure diagram of the grid-side converter

由于在控制系統(tǒng)中d軸與q軸之間存在相互耦合關系，從圖2中可以看到，在電流內(nèi)環(huán)控制的PI控制器輸出端增加相應的前饋補償項ωLiq和ωLid，這樣就能夠對他們實現(xiàn)解耦控制。

在兩相坐標系中，電網(wǎng)與網(wǎng)側變流器之間的有功功率以及無功功率的關系，可表示為：

通過式（5）可以得到，對d軸電流分量id和q軸電流分量iq分別進行控制，就可以實現(xiàn)對網(wǎng)側變流器有功功率及無功功率進行單獨控制的目的。這對于研究逆變波形及直流母線電壓的穩(wěn)定性具有重要作用。

2 網(wǎng)側變流器仿真分析

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺進行仿真研究，仿真系統(tǒng)具體參數(shù)設置如下：直流側母線電壓為1 200 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，網(wǎng)側變流器額定功率為1.2 MW，電網(wǎng)電壓為690 V，開關頻率為5 kHz，直流側電容為36.8 mF，濾波電感為2.6 mH。為了便于對仿真結果進行對比分析，故在仿真研究中采取了標幺值的方法進行分析。由于網(wǎng)側變流器可以實現(xiàn)功率雙向流動，當變流器處于亞同步運行狀態(tài)時，網(wǎng)側變流器開始進行整流，將能量由電網(wǎng)端饋入變流器；當變流器運行處于超同步狀態(tài)時，變流器將能量饋入電網(wǎng)，此時變流器處于逆變狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了能量在網(wǎng)側變流器中雙向流動的目的。

3 仿真結果

在Matlab/Simulink中搭建模型進行仿真，從圖3和圖4中可以看到，系統(tǒng)運行在亞同步和超同步狀態(tài)下能夠實現(xiàn)很好的控制效果；而且，系統(tǒng)中直流側電壓夠達到穩(wěn)定的效果；另外，從圖6和圖7中可以看到，系統(tǒng)由整流到逆變及逆變到整流的運行狀態(tài)轉變的過程中，雖然有短暫的振蕩，但是在控制器的作用下，系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)運行狀態(tài)的轉變，達到預期的控制效果。仿真結果說明該控制策略的有效性，同時也證明了本文所采用的網(wǎng)側變流器的控制策略是可行的，能夠滿足系統(tǒng)運行的要求。

圖3 系統(tǒng)亞同步運行狀態(tài)Fig.3 Operation status of system sub-synchronous

圖4 系統(tǒng)超同步運行狀態(tài)Fig.4 Operation status of system super-synchronous

圖5 系統(tǒng)直流側電壓Fig.5 DC voltage of system

圖6 系統(tǒng)由亞同步運行狀態(tài)到超同步運行狀態(tài)Fig.6 From sub-synchronous to super-synchronous of systems

4 結 論

文中對雙饋型風力發(fā)電機組網(wǎng)側逆變器的基本工作原理進行了介紹，采用的是電壓源型逆變器的原理，在建立其數(shù)學模型的基礎上，分析其控制策略。同時也采用了一種基于前饋解耦控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的方法進行控制，在電流內(nèi)環(huán)控制的PI控制器上增加相應的前饋補償項以實現(xiàn)解耦控制的目的。

圖7 系統(tǒng)超同步由運行狀態(tài)到亞同步運行狀態(tài)Fig.7 From super-synchronous to sub-synchronous of systems

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