基于PI参数优化的风电系统变流器的研究

　直驱型风力发电系统是一种新型的风力发电系统，它采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电， 通过功率变换电路将电能转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，系统效率大为提高，有效抑制了噪声干扰[1]。
　目前风力发电系统通常采用不控整流或二电平PWM整流电路，导致交流侧电压电流波形较差，功率因数不高，尤其对于交流侧发电机的稳定正常运行极为不利。因此，本文介绍了采用双PWM控制，机侧和网侧都采用双闭环的控制策略，并对内环和外环的PI控制器进行设计，通过ITAE寻找最优的比例系数和积分系数，使得系统达到很好的解耦效果，实现了高功率因数传递。
1 直驱风力发电系统电压源型基本结构
    电压源型的永磁电机直驱风力发电系统的电路拓扑结构[2]，采用大功率的电力电子器件绝缘双极型晶体管(IGBT)，是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流大，导通压降低的优点。因此在系统中采用基于IGBT的整流器和逆变器，其拓扑结构为普通的三相桥式结构。直流环节并联大电容，可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过系统的控制，将永磁电机发出的变频变幅值电压转化为可用的恒频电压，达到了俘获最大风能的目的。

    从式(5)可以看出kP、Ki的确定非常重要。因此PI控制器的参数采用最优控制器设计程序来选择控制器参数。该程序可以用OCD同时设计串级控制器的内环和外环，在Simulink中建立仿真模型，在该模型中定义内环的两个参数和外环的两个参数，并定义了误差的ITAE指标。启动OCD，在编辑框中写入四个参数，在时间栏写入终止时间2，然后生成目标函数Matlab文件，点击优化按钮，则可以得出ITAE最优化设计参数：机侧的内环ITAE最优设计参数为Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外环为Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。网侧的内环ITAE最优设计参数为Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外环为Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，这样即使是控制大时间延迟系统，也可以得到较好的效果。
3 机侧和网侧的控制策略
　风力发电系统采用双PWM变流器形式的控制器，它由网侧变流器和机侧变流器组成[6]。机侧采用速度外环和电流内环的双闭环控制策略；而网侧采用直流电压外环和电流内环的双闭环控制策略。
3.1 机侧PWM的控制策略
　根据永磁电机的矢量控制原理，通过转子磁场定向控制，将定子电流的合成矢量定向在永磁同步电机dq坐标系下的q轴上，使得id=0，从而实现发电机的有效控制。其中速度外环的参考转速ω*由最大功率追踪算法(MPPT)给出，根据发电机实际转速和输出有功功率变化得出一个最优ω*，与实际电机转速相比较，经过比例积分调节器得到有功电流的参考值i*q，无功参考电流i*d设为零，发电机的电磁转矩Te为：
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3.2 网侧控制策略
　对电网的控制目标有两个：(1)保持恒定的直流电压；(2)单位功率因数并网。为了实现上述控制目标，网侧控制策略为外环直流电压和无功电流iq的给定值，内环为电流环的双闭环控制策略。网侧输入有功功率和无功功率分别为：

　各电流、电压的输出值与指令值作差，通过PI调节后，在经过旋转地两相坐标变成静止的两相坐标，进入SVPWM形成各自的PWM控制信号。由于采用了SVPWM提高了直流电压的利用率。
4 仿真和实验结果
　利用前述的电压型背靠背变流器的数学模型和机侧、网侧的控制策略，很容易建立仿真模型，仿真模块主要有风力机和主回路负载模块、机侧变流器控制模块、网侧变流器控制模块、电压电流采样模块、坐标变换模块、电压电流PI调节模块和PWM波发生模块。
　在交直交变频器运行时，由于给定直流母线电压为400 V，从图2可以看出，在风速变化时，电压都基本上能较好地稳定在400 V，保持了直流连接电压为恒定值。由于采用了直流电压PI调节，克服负载扰动，实现了稳态无静差，系统响应速度快。图3为机侧三相交流电流波形，机侧三相交流电流基本上是正弦波。图4为机侧dq轴电流波形，可以看出机侧id基本维持在零附近，从而验证了id=0的控制策略，而iq随指令值的变化而变化。图5为网侧dq轴电流波形，网侧iq基本为零，从而验证了iq=0的控制策略，而id随指令值的变化而变化。图6为网侧a相电压电流波形，可以看出电压与电流频率为50 Hz，与电网频率完全同步，且它们的相位正好相差180°，且电流为正弦波形，由此可以得出系统向电网输送功率，实现了单位功率因数。

　在仿真研究的基础上，对系统的控制进行了实验验证。发电机三相交流电源经滤波电感送到整流器的三相桥臂，整流器的直流输出就是逆变器的直流侧输入电源，逆变器的交流侧直接接入电网，光电编码器实时检测永磁同步电机的转速。整流器和逆变器分别由DSP芯片TMS320F2S12(1)与TMS320F2812(2)控制，电压、电流传感器测出所需各部分的电压、电流值，送入DSP芯片，实现系统的控制策略。用两台上位机分别与两块DSP芯片进行通信，主要控制系统的启、停、监控，负责实时数据的接收、显示等任务，它是人机交互的中介。
　采用主电路和控制策略进行实验，实验参数设置如下：直流电容C为470×10-6 F，直流母线电压参考值设置为400 V，网侧电感L0=4．8×10-3 H，电阻R0=0．5 ?赘，机侧电感L=0.6×10-6 H。三相交流输入电压为100 V，采样频率f=2.5 kHz，由此得出的直流母线实验波形和仿真的直流母线电压的波形一致。而电网侧a相电压与逆变器a相电流波形也一致，都是反相，这就证明了系统运行单位功率因数，通过谐波电流分析电流THD为4.1%。
　本文采用电压源型背靠背变流器结构，仿真和实验结果表明，采用双PWM控制策略和优化的PI参数能够很好地控制网侧和机侧电流，同时有效地控制直流母线电压，使得输出电压纹波小、响应速度快。实验也表明控制策略和控制电路正确有效，能实现能量的双向传递，因此可运用于兆瓦级变频器的变流器控制研究。
参考文献
[1] 温春雪，张利宏，李建林，等.三电平PWM整流器用于直驱风力发电系统[J].高电压技术，2008(4)：191-195.
[2] 张子皿.直驱型风力发电系统变流控制技术的研究[D].北京：华北电力大学，2010.
[3] 梁英.风力发电系统中变流技术的研究[D].湖南：湖南大学，2009.
[4] 李正军.计算机控制系统[M].北京：机械工业出版社，2005.
[5] 张雪群，曾岳南，梁锦泽.高功率因数PWM整流器PI调节器的仿真研究[J].计算机仿真，2008，25(1).
[6] 李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，2008.