风力发电系统变流器的直接功率控制策略

摘要 以永磁直驱型风力发电系统为研究对象，针对其变流器结构和控制策略进行了研究。通过选择最优双PWM“背靠背”变流拓扑结构，并采用直接功率控制策略进一步提高了风力发电系统的并网性能。建立了输出功率为10 kW的并网系统仿真模型，验证控制策略的正确性。结果表明，基于直接功率控制策略的“背靠背”变流拓扑具有结构合理、控制策略新颖的优点，在保证直流侧电压稳定的同时，电网电流谐波畸变率低、波形良好，能够实现单位功率因数并网，满足并网要求。

风能作为资源丰富的清洁能源使风力发电占据了重要地位，由于减少齿轮箱结构能够提高系统的可靠性，目前风电领域普遍选用永磁直驱型同步风力发电系统。为使机侧整流器和网侧逆变器能够独立控制，从而实现更多的功能和增强通用性，采用双PWM“背靠背”变流拓扑结构。风力发电系统的变流器主要指机侧的整流器和网侧的逆变器，通过对机侧整流器的控制来提高风能利用率，并且使输出的直流电压保持在恒定值;通过对网侧逆变器的控制来实现单位功率因数并网，输出稳定的高质量电能，从而提高电网的稳定性。为满足风电并网要求和提高整机的工作效率，其控制技术和策略成为主要研究方向。

随着电力电子技术的不断发展，新型的控制策略得以不断涌现，其中的直接功率控制技术(DPC)将交流侧瞬时有功、无功功率作为被控制量直接进行功率的闭环控制，相比矢量控制技术，无需复杂的坐标变换，算法和系统结构简单，并且可实现单位功率因数并网，具有良好的动态性能，发展潜力大。

1 变流器的拓扑结构和数学模型

双PWM“背靠背”全功率变流结构如图1所示，系统采用两个PWM变流器，该系统虽然结构复杂且需要的IGBT数量多，但具有较强的通用性，并且机侧整流器和网侧逆变器的控制方法、电路设计相似。由于机侧整流器和网侧逆变器由中间电容链接，彼此的控制是分离、独立的，所以中间环节可以被认为是一个稳定的直流电压源。通过对机侧整流器和网侧逆变器的控制使风电系统产生的电能高质量地并入电网中。

风电系统的变流器主要指机侧的整流器和网侧的逆变器，实质上，整流器和逆变器在电路结构和原理上是相同的，它既可以运行于整流模式，也可运行于有源逆变模式，当运行于整流模式时，是将永磁同步发电机产生的交流电变为直流电，当网侧逆变器运行于逆变模式时将电能向电网侧输送。三相电压型PWM变流器的主电路结构如图2所示。

为简化分析，通常假设电网电动势是正弦波且三相平稳，网侧滤波电感线性各相的数值都相等，开关管为无导通损耗的理想开关。电网三相电动势记作ea、eb、ec;电网三相输出电流记作ia、ib、ic，L为滤波电感;等效电阻的总值记为R;C是直流侧的电容;udc是直流侧的电压值。为方便分析开关状态，用Sa、Sb、Sc分别表示逆变器的3个桥臂;上桥臂导通下桥臂关断用“1”表示，反之用“0”表示。在两相静止αβ坐标系中，网侧电动势表示为eα、eβ;交流电流值表示为iα、iβ;开关函数表示为Sα、Sβ。

两相静止αβ坐标系下的三相电压型PWM变流器数学模型的方程可描述为

2 直接功率控制策略

为更好地提高风能利用率，优化并网的性能，机侧整流器和网侧逆变器都采用了直接功率控制策略。直接功率控制(DPC)通过实时对电网电压和电流检测，并将瞬时有功、无功功率值计算出来，然后通过与给定的有功功率和无功功率值比较，从而达到将瞬时功率控制在允许的范围内，进而实现把瞬时有功、无功电流控制在允许范围内。

2.1 直接功率控制策略原理

电压定向直接功率控制系统通过查找开关表来控制变流器，双环控制系统里的功率内环是用于对有功、无功功率进行直接控制，而直流电压外环的作用是为了稳定直流侧的电压，具体原理如图3所示。

(1)使用交流电压、电流传感器测得相电压ea、eb、ec和相电流ia、ib、ic，通过计算得出瞬时有功、无功功率p和q，同时将相电压转化成两相静止坐标系中的eα、eβ计算出扇区信号θn。

(2)直流侧通过电压闭环控制使直流母线电压跟踪指令值，并将直流母线电压误差经PI调节的输出与直流母线电压的乘积作为瞬时有功功率的给定值pref无功功率给定值qref设定为0。

(3)将p与pref进行做差比较得到的差值送入有功功率滞环比较器，再将q和qref的差值送入无功功率滞环比较器中，滞环比较器的输出就是状态信号Sp、Sq的值。

(4)根据Sp、Sq、θn进行矢量开关表的查找来选择所需的Sa、bS、Sc，用于驱动主电路的开关管。

2.2 直接功率控制策略实现过程

(1)瞬时功率计算。采用两相静止αβ坐标系下的数学模型，将检测到的三相电压ea、eb、ec和电流ia、ib、ic，经过C3s/2s矩阵变换得到eα、eβ和iα、iβ，计算出瞬时有功、无功功率。

(2)交流电压矢量扇区划分。为了确定电压矢量位于哪个扇区内，需要对扇区进行划分，这里采用将αβ平面扇区均匀地分为12个相等的部分，依次是θ1～θ12具体位置如图4所示，相角范围θn可以由式(2)确定

通过eα、eβ确定电压矢量Ur的相角θ=arctan(rβ/eα)确定其所在的区间。例如，θ=arctan(eβ/eα)=-30°～0°，说明电压矢量Ur位于θ1扇区。

(3)功率滞环比较器。可由软件编写或搭建施密特电路来实现，分为有功功率滞环比较器和无功功率滞环比较器两种，输入分别为瞬时有功、无功功率给定值，瞬时有功、无功功率差值△p，△q，比较器的输出为状态量Sp、Sq，他们表示有功、无功功率偏离给定值的状态;图5所示为功率滞环比较器的滞环特性，可得在不同输入情况下Sp和Sq的数值，其中，图5(a)为有功功率，图5(b)为无功功率，具体描述如下。

观察图5所示的有功、无功功率滞环比较器的滞环特性，可知：

值得注意的是，Hq的大小可影响逆变器谐波电流、平均开关频率和功率跟踪能力，可知有功、无功功率的滞环宽度很重要。

(4)开关矢量表的形成。Sa、Sb、Sc的取值构成了一个开关表，代表着系统所需的开关状态，从而驱动逆变器的开关动作，基本电压矢量U0～U7对瞬时功率变化的影响不同。为了能够选择合理的电压矢量，可以根据功率误差的值来判断电压矢量对瞬时有功功率和无功功率的影响。根据三相交流电压矢量的位置和滞环比较器的输出信号来定义开关表，已知基本电压矢量，也就已知开关状态Sa、Sb、Sc，而输出电压矢量U由Sa、Sb、Sc及udc决定。分析考虑输出电感等效电阻三相电压型变流器主回路，可得

式(5)中，当i(0)=i，当Ur选择U6(101)时，i将沿着U-Ur方向趋近ir，则确定SaSbSc=101，i在其他位置同样分析，得到开关表如表1所示。其中，设置的零空间矢量是为了减少开关通断次数。

表1列出了输出电压矢量U处于不同的扇区位置和不同的Sp、Sq时开关动作，如表1所示。

3 系统仿真

为验证系统运行的稳定性和控制策略的正确性，在Matlab/Simulink仿真环境下建立了输出功率为10 kW的风电系统仿真模型，其中，机侧整流器采用双闭环控制策略来保持直流电压的稳定，进而作为网侧逆变器的直流输入电压。网侧逆变器采用功率环进行单环控制，将输入的稳定直流电逆变成能够满足并网要求的交流电，下面对机侧整流器和网侧逆变器分别进行仿真分析。系统仿真参数如下：输出功率为10 kW;电网的输出线电压为380 V;也即相电压220 V;电源频率f=50 Hz;电感L=4 mH;等效电阻R=0.1 Ω;电容C=4700μF;负载电阻RL=36 Ω;直流母线电压udcr=600 V。

3.1 机侧整流器仿真分析

发电机发出的交流电首先经过整流变成直流电，为稳定直流侧电压采用电压外环、功率内环的双闭环控制策略，建立基于直接功率控制的机侧整流器仿真模型如图7所示。

由图8可知，相电压和相电流同相，处于单位功率因数的整流状态，具有较快的动态响应。由图9可知，直接电压稳定在给定参考值，具有较强的抗负载扰动能力，整流效果良好。

3.2 网侧逆变器仿真分析

建立基于直接功率控制的网侧逆变器仿真模型，如图10所示。

仿真得到网侧相电压、电流波形，由图11所示，可知电网侧电压和电流的相位是相反的，逆变器很好地工作于向电网传输电能有源逆变的状态，然后对单相电流进行一个周期内的THD分析波形如图12所示，相电流波形接近于正弦波，THD=3.20%谐波分量较低，可满足并网要求。瞬时有功功率和无功功率值如图13所示，瞬时有功功率在10 kW附近波动，瞬时无功功率在0值附近，调节能力强、波动小能够较好地跟踪给定值。

4 结束语

本文通过选择“背靠背”变流拓扑结构和采用直接功率控制策略进一步提升风电系统的并网效果。选用的网侧逆变器和电机侧整流器可以单独进行分析和研究，根据仿真可知，基于直接功率控制策略的变流器可以实现单位功率因数并网、网侧电流波形接近正弦波、谐波畸变小、直流电压能够保持恒定;采用直接功率控制策略的风电系统具有响应快、稳定性好、结构简单的优点。提高了电能质量和电网的稳定性，并且双侧电路的设计和控制方法类似易于DSP进行数字化控制，对风力发电技术的发展提供了参考。