双馈风力发电系统变流器的研究与设计

翟进乾

摘   要：以双馈异步风力发电机为背景，在风速不断变化前提下，分析变流器的内部控制策略。以模糊PI控制策略为基础，引入Smith预估分析模型，采用PI调节，并对变流器控制策略进行优化，增强系统的稳定程度。通过PSCAD工具开展分析，当风速出现波动时，基于Smith预估模型自适应模糊PI策略能够提升变流器的运行特性，增强系统鲁棒性。

关键词：变流器;滑模控制;模糊自适应;PSCAD

中图分类号：TP29                                                   文献标识码：A

Abstract： This paper based on the background of Doubly-fed induction wind generator， under premise of the changing wind speed ，the control strategy of the converter is researched. Based on the fuzzy PI control method， this paper introduced the Smith predictive model， used fuzzy adaptive PI controller strategy to control the converter，optimized the method of converter control， improved the stability of system. PSCAD software is used to simulate， the simulation results show that， under the influence of the wing speed changes， using fuzzy adaptive PI control based on Smith prediction strategy can improve the effect of converter control， and improve the robustness of system.

Key words： converter;sliding mode control;fuzzy self-adaptive adjusting;PSCAD

近几年，新能源控制技术得到了广泛进步，风电相关研究领先于其它新能源领域，我国风电并网容量远大于世界各国。风电装机容量的增加，风电会改变电力系统的电能质量，例如：电压、频率、电网谐波等。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）变流器网侧输出电压为正弦波，并且具有較快的动态控制响应[1]，能够降低风电并网给电网带去的不良作用。伴随风速的持续变化，风机的桨叶会由于惯性产生改变，在直接功率手段基础上，设计了基于Smith预估自适应PI策略，对变流器控制策略有进一步提升，增强风电系统的稳定程度。

1   变流器的控制策略

研究PWM变流器控制方法已经上升为当今风力发电领域的热点，相继有新理论提出：直接电流法、直接功率法等。

1.1   机侧变流器的数学模型

双馈风力发电机稳定运行，其定子的电压对应的频率稳定为50Hz。电网的电压频率不发生变化，并网后定子的电动势为恒值，只有定子电流可控，因此，并网条件下发电机功率就能转化为对定子电流的控制。

对机侧变流器开展研究，需要考虑发电机等效模型，忽略定子电阻影响，可得发电机定子瞬时功率为：

双馈电机并网后，只有定子内部的电流大小可受控制，转换定子和转子电流，通过影响转子的电流能够实现控制发电机输出功率[1-3]。结合双馈电机模型，就能得到转子电压、电流两者的式子为：

近几年，新能源控制技术得到了广泛进步，风电相关研究领先于其它新能源领域，我国风电并网容量远大于世界各国。风电装机容量的增加，风电会改变电力系统的电能质量，例如：电压、频率、电网谐波等。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）变流器网侧输出电压为正弦波，并且具有较快的动态控制响应[1]，能够降低风电并网给电网带去的不良作用。伴随风速的持续变化，风机的桨叶会由于惯性产生改变，在直接功率手段基础上，设计了基于Smith预估自适应PI策略，对变流器控制策略有进一步提升，增强风电系统的稳定程度。

1   变流器的控制策略

研究PWM变流器控制方法已经上升为当今风力发电领域的热点，相继有新理论提出：直接电流法、直接功率法等。

1.1   机侧变流器的数学模型

双馈风力发电机稳定运行，其定子的电压对应的频率稳定为50Hz。电网的电压频率不发生变化，并网后定子的电动势为恒值，只有定子电流可控，因此，并网条件下发电机功率就能转化为对定子电流的控制。

对机侧变流器开展研究，需要考虑发电机等效模型，忽略定子电阻影响，可得发电机定子瞬时功率为：

由图6（a）可知，风机网侧电压实际测量值和额定值两者之间比值维持在1左右，表明发电机工作情况稳定，且当风力速度在5秒、10秒时出现约1秒的大幅度变化。图（d）表明，双馈电机电磁转矩图形变化是负数，表明发电机处于发电状态，当发电机刚运行以及风力变化较大时，电机转矩产生了明显波动。发电机频率如图6（f）所示，满足电能质量对于频率的要求，能够实现并网。

由上可知，添加含有Smith模型的PI策略，可以实现对变流器更为优化的控制，确保双馈风力发电保持优良的稳定特征，进一步提高电力系统电能质量。

3   结   论

当风速出现变化时，对双馈风力发电系统中变流器的控制策略进行分析，提出一个添加有Smith模型的PI策略的逻辑控制器，避免了非线性被控对象线性化过程中的不准确，提高了系统的鲁棒性，并在PSCAD软件平台上进行模型搭建与仿真，仿真结果表明：变流器在这种运行模式时，能够保证双馈风力发电机正常工作，保证风机输出的电能可以达到系统所要求的电能质量，进行并网。

参考文献

[1]    张崇巍，张兴. PWM整流器及其控制[M]. 北京： 机械工业出版社，2003.

[2]    刘中亮. 双馈变速恒频风力发电机P-Q解耦控制技术研究[D]. 沈阳： 沈阳工业大学，2011.

[3]    贺子倩. 变速恒频双馈风机发电系统改进直流功率控制策略[D]. 杭州： 浙江大学，2012.

[4]    李士勇. 模糊控制、神经控制和智能控制论[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[5]    王建辉，齐昕，顾树生.一类纯滞后系统模糊Smith控制策略的研究[J]. 控制与决策，1998（3）：141—145.

[6]    文定都，何玲. 基于Smith模糊PID控制算法的炉温控制系统[J]. 仪表技术与传感器，2009（4）：107—117.

[7]    风力发电机组规范[S]. 北京： 中国船级社，2008.