风电并网变换器直接功率控制策略

第４５卷第８期　２０１１年８月　电力电子技术　

Ｐｏｗｅｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．８　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

风电并网变换器直接功率控制策略　金明凤。，赵　为　，杨淑英　，张　兴　（１．合肥工业大学，电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９；　２．阳光电源股份有限公司。安徽合肥２３００８８）　

摘要：针对直驱型永磁同步风力发电机背靠背驱动变换器中的网侧变换器，对直接功率控制策略进行了研究。　相对于常规矢量控制策略而言，引入直接功率控制策略不仅能够提高变换器的动态响应特性．而且对参数变　化具有较好的鲁棒性。在建立三相电压型并网逆变器静止坐标系下数学模型的基础上，阐述了并网逆变器直　接功率控制机理，论述了并网逆变器直接功率控制的设计过程。搭建３　ｋＷ仿真和实验平台进行相应实验研　究，结果验证了直接功率控制设计的正确性。　关键词：变换器；并网；风力发电；直接功率控制　中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２０１１）０８—００６６—０２　

Ｄｉｒｅｃｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｗｉｎｄ．ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＪＩＮ　Ｍｉｎｇ—ｆｅｎｇ　，ＺＨＡＯ　Ｗｅｉ　，ＹＡＮＧ　Ｓｈｕ—ｙｉｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇ　（１．Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｃｋ　ｔｏ　ｂａｃｋ　ｄｒｉｖｅ　ｃｏｎ—　ｖｅｒｔｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ・ｄｒｉｖｅｎ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｗｉｎｄ—ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎ－　ｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｒｏｂｕｓｔ　ｆｏｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｇ　ｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎ—　ｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒ—　ｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ　３　ｋＷ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｅｘ－　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｇｎｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ；ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５１０７７０３４）　

１　引　言　２　并网逆变器直接功率控制系统　随着电力电子技术和永磁同步电机制造技术　的发展，在变速恒频风力发电技术中，采用ＰＭＳＭ　的直驱系统能量损失少。维护成本低．成为变速恒　频风力发电极具潜力的主流技术之一。　直驱永磁同步风力发电机组中的驱动变换器　通常采用网侧变换器和机侧变换器组成的背靠背　变换器，这里对网侧变换器的控制策略展开研究。　类似于直接转矩控制（ＤＴＣ），直接功率控制　（ＤＰＣ）是通过对逆变器输出有功、无功进行观测　计算，与给定值比较后选择适当的空间电压矢量，　实现对功率的直接控制。ＤＰＣ系统算法简单，动态　响应快，鲁棒性好，具有良好的开发和应用前景【”。　基金项目：国家科学自然基金（５１０７７０３４）　定稿日期：２０１１—０６—１５　作者简介：金明凤（１９８７一），女，江苏宿迁人，硕士研究生．　研究方向为风力发电变流技术。　６６　２．１　三相电压型并网逆变器的数学模型　图１示出三相电压型ＰＷＭ并网逆变器主电　路拓扑结构。Ｓ　为逆变器开关管ＶＳ　的开关函数，　ｋ＝ａ，ｂ，Ｃ，当Ｓｋ＝１时，上桥臂开通，下桥臂关断；当　Ｓｋ＝０时，上桥臂关断，下桥臂开通【２１。　，ｄｃ　

Ｎ　图１　三相电压型ＰＷＭ逆变器并网拓扑结构　

根据图１可得三相电压型并网逆变器在两相　静止Ｏ／，　坐标系下的数学模型为：　ｅ￣＝Ｌｄｉｄｄｔ＋ｕ　，　ｅｌｊ＝Ｌｄｉｆｌｄｔ＋ｕａ　（１）　式中：ｅ　，　，‰，　分别为ｅ　，　在０ｆ，卢轴的分量；　，　为　在　，卢轴的分量；电流方向选取流向功率管为正方向　风电开网变流器直接功率控制策略　２．２并网逆变器直接功率控制原理　并网逆变器矢量控制策略中，有功功率Ｐ、无　功功率Ｑ是通过ｄ．ｑ坐标系下相关电流的闭环　控制实现的。为获得功率的快速响应，借鉴了电机　控制中ＤＴＣ的思路，即ＤＰＣ。其思路为：首先检测　计算瞬时有功、无功功率Ｐ，Ｑ，将其与给定功率　，　Ｑ　比较。偏差值△Ｐ，ＡＱ通过滞环比较器得到开　关信号．ｓ　，｜ｓ。，结合空间电压矢量位置查询开关表　确定Ｊｓ　，Ｊｓ　，５　。系统结构如图２所示【３＿　。　图２系统结构框图　电　网　２．２．１　功率滞环比较器　基于　，　坐标系的并网逆变器Ｐ＿一（ｅｊ　＋ｅ　），　Ｑ＝一（ｅ　一ｅ　），其中负号表示Ｐ，Ｑ的方向为流向　电网。功率滞环比较器的输入为ＡＰ，ＡＱ，输出为开　关信号Ｌｓ　和Ｓ。。滞环比较器的滞环宽度为２　，　２Ｈ　，值得注意的是：滞环宽度的选取直接影响并网　逆变器输出电流的ＴＨＤ、平均开关频率和瞬时功　率的跟踪能力。当　，　增大时，逆变器平均开关　频率随即降低．而谐波电流增大，功率跟踪能力下　降，因此　，　的选取需折中考虑，通常约为功率　给定值的５％｝５】，图３示出滞环比较器滞环特性。　Ｈ　Ｐ　ＨＰ　—ＨＱ　ＨＱ　（ａ）有功滞环比较器　（ｂ）无功滞环比较器　图３滞环比较器滞环特性　Ｓ　，Ｓ。仅有１或０这２种状态。滞环比较器的　滞环特性如下：当ＡＰ＞Ｈｐ时，ＳＰ＝１；当一ＨＰ＜ＡＰ＜Ｈｅ　时，ｄＡＰ／ｄｔ＜０，ＳＰ＝１；当ＡＰ＜一ＨＰ时，５Ｐ：Ｏ；当一ＨＰ＜　ＡＰ＜Ｈ　时，ｄＡＰ／ｄｔ＞Ｏ，Ｓｅ＝Ｏ。无功功率滞环比较器　的滞环特性同上。　２．２．２　电压矢量扇区划分及开关表　系统空间电压矢量由８个矢量组成，即　～　，其中　～　为非零矢量，　，　为零矢量。６　个非零矢量将Ｏｔ，卢平面平均分为６个区域，再平　分得到１２个扇区，如图４ａ所示。扇区号用ｎ表　示．ｎ可根据ｅ　，ｅａ判断。不同电压矢量对Ｐ，Ｑ影　响不同，需选择合适的电压矢量对Ｐ，Ｑ进行调　节。开关表通过ｓＰ，Ｓ。及电网电压矢量位置来确　定ＤＰＣ控制所需的开关状态．ｓ　，从而决定桥臂输　出电压矢量　，。　由并网逆变器的数学模型可得电流矢量为：　１　ｆ　，＝Ｊ（０）＋÷』　（口一Ｕ　）ｄｔ　（１）　

Ｌ　ｕ　式中：ｅ为电网电压矢量；ｆ（０）为初始时刻电流矢量。　

在一个采样周期７’内　一　不变，而此时参考　电流矢量为，，ｒ由　，Ｑ　确定，则式（１）可改写为：　Ｊ＝Ｊ（ｏ）＋Ｔ（ｅ－ｕ　）　＝ｒ　（２）　由上式可知．在　内为了使Ｊ跟踪Ｊ’，则必须　使逆变器输出合适的ｕ，，使Ｉ（０）沿ｅ－ｕ，方向变化　得到的Ｊ跟踪，。如图４ｂ所示，设ｅ在０。：区域　内，若，滞后并小于ｒ，此时Ｐ—Ｐ＞Ｈ　，Ｑ　一Ｑ＞Ｈｏ，　由滞环特性得：Ｓｅ＝Ｓ。＝１。此情况下，Ｕ　可使，沿ｅ—　Ｕ，矢量方向趋近于，的有　（ｏｍ）和　（１０１），鉴　于　的跟踪时间快于　，故选择　，从而使Ｉ（ｏ）　沿Ｐ一　矢量方向变化得到的Ｊ趋近于ｒ，Ｐ，ｐ趋　近于　，Ｑ’，从而确定Ｓａ￣＝Ｏ０１。　Ｊ　８　

’　。　１０　Ｉ　、　１　

１５　Ｕ３　；（　

／　Ｕｏ＼　瀚‘‘　

——　Ｕｓ　

（ａ）电压矢量扇区划分　（ｂ）Ｈ　ｒ矢量选取示意图　图４　电压矢量扇区划分　

同理对ｅ处于其他扇区及对应的滞环输出结　果Ｓ　，ＳＱ进行分析，即可得到开关表。　

３直接功率控制系统仿真与实验　３．１　直接功率控制系统仿真研究　这里对上述理论进行仿真研究，相关参数：　Ｕ￣＝２００　Ｖ，Ｌ＝Ｉ　ｍＨ，交流输出相电压峰值Ｕ￣＝５０　Ｖ。　图５ａ为当Ｐ阶跃变化时，Ｐ，Ｑ的仿真波形，图５ｂ　为输出电流波形。　

｝２　嘉　立０．８　；０．４　０　２Ｏ　《ｌ　０　：　０　１　０　

４０　６０　８０　１００　～０　ｔｉｍＳ　（ａ）瞬时功率　

２０　４０　６Ｏ　８Ｏ　ｌＯＯ　，，ｍＳ　（ｂ）输出电流　

图５　ＤＰＣ系统仿真波形　

（下转第８８页）　６７　第４５卷第８期　２０１１年８月　电力电子技术　

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．８　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

子电阻为２．５７　Ｑ，定、转子漏感皆为１　１　ｍＨ，互感　为２３４　ｍＨ，实验中并网前转速为１　２５０　ｒ・ｍｉｎ～。　图３示出定子电压１１，。、定子电流ｉ　和电网电压　的实验波形。　

Ａ　Ａ　Ａ　：　１　

ｔ／ｆ１０　ｍｓ／格１　（ａ）”ｓ和“ｇ相何『叫步过　及　波形　

萋萋　丢善　＾＾土／＼一／＾＼一　

Ｖ　Ｖ　Ｖ＼／　

ｔ／（２０　ｍｓ／格）ｔ／（】０　ｍｓ／格）　（ｂ）并网过渡过　Ⅳ　，“ｇ　（ｃ）并Ｉ叫时刻Ⅳ…ｉ　

图３空载并网实验波形　

由图３ａ可知，　经几个周波后快速实现与ｕ　同相位。由图３ｂ可知，并网前　和ｕ　两者在幅　值、频率和相位上基本相同，满足并网条件，实现并　网。由图３ｃ可知，在并网瞬间ｉ　对电网冲击小，过　渡平稳．是软并网。　

６　结　论　根据变速恒频风力发电的工作原理，研究了　一种基于电网电压定向的双馈风力发电机空载并　网控制策略。采用一种新型软件锁相环技术，并在　实验平台上进行研究。实验结果表明，该控制策略　可迅速控制发电机定子电压满足并网条件，对电　网冲击较小，实现了双馈发电机的平滑并网。