基于小型风电系统电流源型逆变器的控制研究

第４５卷第８期　２０１１年８月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　基于小型风电系统电流源型逆变器的控制研究　茆美琴，徐　斌，张邵波，刘福炎　（教育部光伏系统工程研究中心，合肥工业大学能源研究所，安徽合肥２３０００９）　摘要：当电流源型逆变器应用于分布式发电并网风电系统时，由于直流侧电流波动较大，传统的控制算法在实　际应用时难以满足对高质量并网电流的要求。针对一种基于高电感永磁同步电机（ＰＭＳＧ）的小型直驱风力发　电系统中电流源型逆变器．提出一种闭环动态控制策略来控制并网电流的波形和幅值，在理论上对该控制策　略进行了详细地分析，并通过实验进行验证。结果表明，在直流电流波动较大的情况下，该控制策略能使逆变　器输出电流ＴＨＤ较低同时其幅值能准确地跟踪指令。　关键词：风力发电；电流源型逆变器；闭环控制　中图分类号：ＴＭ６１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２０１　１）０８－００７８－０３　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｓｍａｌｌ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＳＩ　ＭＡ０　Ｍｅｉ—ｑｉｎ，ＸＵ　Ｂｉｎ。ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｏ—ｂｏ，ＬＩＵ　Ｆｕ—ｙａｎ　（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｎ　￡　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＣ　ｉｎｐｕｔ　ｅｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ（ＣＳＩ）ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｉｎ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａ・　ｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｉｎ　ａ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＩ　ｉｓ　ｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔＯ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｌｏｓｅｄ—　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｏｔｈ　ｗａｖｅ　ｆｏｒｍ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ＣＳＩ　ｆｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｆｏｒ　ＣＳＩ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ￣ｅｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｉｇｈ—ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｇｒａｎｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＰＲＣ　（Ｎｏ．２００７ＤＦＡＯ５Ｚ２４０）　１　引　言　风电作为当前最经济、最有实用价值的可再　生能源形式之一，已成为一门专业技术。针对小型　由于没有直流电感，因此，波动较大，并导致并网　电流畸变．使得传统控制方法在实际应用中难以　满足要求ｌ３１。　为解决上述问题．提出了基于实时占空比计　算的开环控制算法来控制并网电流。但该方法在　风力发电并网系统的设计要求和现有小型并网发　电拓扑所存在的问题，文献［１】提出一种基于高电　感ＰＭＳＧ的小型直驱风力发电系统的新型电流源　实际应用中计算复杂．同时．滤波器参数的不确定　导致并网电流幅值与指令存在误差。并且抗扰动　性较差【４】．因此。这里提出了一种闭环动态控制策　略，并在理论上对该控制策略进行了详细分析。最　逆变器拓扑．该拓扑具有如下优点［２１：输出电流容　易控制：易于实现过流和短路保护．工作更加稳定　可靠：高电感电机具有电压提升作用，可允许直流　侧供电电压较低，从而扩大了可利用风速范围：省　去了中间直流环节的储能电感．有利于减小变流　后通过实验进行了验证。　２　控制策略　图１为新型电流源型小型风力系统拓扑。　器装置体积，降低风力发电系统成本。在风电并网　系统中．并网电流最大ＴＨＤ应小于５％．但在实际　系统中高电感电机和不控整流组成的直流电流源　基金项目：国家科技部国际合作项目（２ｏ０７ＤＦＡＯ５Ｚ２４０）　定稿日期：２０１ｌ一０６—１５　作者简介：茆美琴（１９６１一），女，安徽芜湖人，教授，研究方　向为电力电子技术与可再生能源发电。　７８　Ｉ　图１　新型电流源型小型风电系统拓扑　基于小型风电系统电流源型逆变器的控制研究　图２为在图１基础上提出的一种改进型拓扑　结构。通过分析发现，适当进行控制即可实现图１　所示的拓扑功能，同时省去１个可控开关和１个　快恢复二极管，降低了成本。图１中。单开关管ｖ　ＶＴ２，ＶＴ４开关频率为５　ｋＨｚ，则Ｍ的表达式为：　甄　式中：　，　分别为电网电压和电流的有效值；　为ＶＴ２，　作为１个斩流开关，根据正弦调制，将不可控整流　桥输出的恒定直流电流斩成一系列脉冲单元．其　基波为全波整流正弦波．输出脉冲通过Ｈ桥完成　工频翻转。将电网电压作为参考，根据电网电压过　ＶＴ４的开关频率。　实际应用时，　的表达式对调制度计算复杂。　且滤波器参数的不确定性导致逆变器输出的实际　并网电流与指令存在误差。同时。开环控制具有一　些固有缺陷。因此。这里提出了如图３所示的闭环　零检测来控制单开关管和Ｈ桥开通次序。电路的　工作状态：①ＶＴ５开通，电流源短路，ｃ向电网放电　控制策略，将实际并网电流反馈与指令电流　比　同时给滤波电感　充电．当电容电压下降到与电　网电压相等时，Ｃ，Ｌ一起向电网提供电流；②ｖ１ｒ５　关断，直流侧电流给Ｃ充电。并向电网供电。经过　分析发现，在电网电压正半周，ＶＴ５的作用可由图２　中ＶＴ。，ＶＴ２来实现，在负半周可由ＶＴ３，ＶＴ４来实　现。据此，图２工作原理：电网电压正半周，开通　ＶＴ。，ＶＴ２相当于图１状态１；ＶＴ。保持开通，ＶＴ２关　断同时开通ＶＴ４相当于图１状态２；电网电压负半　周，开通ＶＴ３，ＶＴ４相当于图ｌ状态１；ＶＴ３保持开　通，ＶＴ４关断同时开通ＶＴ２相当于图１状态２。通　过该控制方式可使图２的拓扑实现图１的功能。　ｌ　Ｅ　Ｅ　０　【ＶＤ３】　ＶＤ５】　：ＶＴ监　Ｖ　Ｅ　ｌ　。　Ｉｌ　　ｃ牛电网（　ｌ　、　ｒ　、　，　Ｉ　【ＶＤ６　ＶＤ２ｊ　ＶＴ２ＪＥ　ｖＴ４ＪＥ　图２　改进的系统拓扑　实际中．直流电流存在明显波动，若采用传统　ＳＰＷＭ调制ＶＴ２。ＶＴ４，会导致并网电流含有很多谐　波且幅值不能得到有效控制。文献【５］提出基于实　时占空比计算的开环控制算法，其原理是在一个　ＰＷＭ周期内，脉冲高度随直流侧电流，ｄｃ波动而变　化。控制开关的占空比。从而控制脉冲宽度使其面　积与ＳＰＷＭ等效。意即每个ＰＷＭ开关周期可根据　实测　来动态计算占空比。在开关频率较高时，实　时占空比可表示为调制度　的函数ｄ（ｔ）＝Ｍｓｉｍｏｔ。　所以只要动态调整　就能改变所需占空比。　为了获得　的表达式。假定：①开关管的通　态压降忽略不计；②ＶＴ。，ＶＴ２开通或ＶＴ３，ＶＴ４开　通，Ｈ桥的直流侧输入电压　＝０；电网电压正半　周ＶＴ２或负半周ＶＴ４关断时，　＝　；③一个电网　周期所用开关管的损耗忽略不计，从而直流侧输　入功率等于输入电网功率，设定电网周期２０　ｍｓ，　较来调整参与调制度计算的指令　，从而消除　稳态误差同时也增加了系统稳定性．故Ｍ的表达　式可简化为：Ｍ＝２４７Ｉ￣　／（２４８１￣）。　图３系统控制框图　对于一个实际系统，可根据给定电网电流、采　样得到的实际并网电流以及每个开关周期的直流　电流，预算出下一个ＰＷＭ开关周期的　。而对于　风力发电系统，其所能提供的能量取决于风力机　吸收风能的大小。将指令电流和反馈的实际并网　电流比较进行ＰＩ调节得到　，同时采样直流电　流．进行调制度计算。以实现对整个系统的控制。　３实验结果及分析　对额定功率为６００　Ｗ的高电感ＰＭＳＧ（定子　绕组三角形连接）进行实验，利用ＰＮ＝５．５　ｋＷ，　＝　３８０　Ｖ．ｆＮ＝５ｏ　Ｈｚ的三相异步电机（定子绕组三角　形连接）作为原动机来模拟风轮机。ＰＭＳＧ参数：　额定转速６００　ｒ・ｍｉｎ～，等效励磁磁链０．２４　Ｗｂ，每相　电感１０　ｍＨ，Ｒ。＝０．６５　Ｑ，　－－－４。系统参数：网侧滤波　电容２０　Ｆ，滤波电感１　ｍＨ，开关频率５　ｋＨｚ，Ｋｐ＝ｌ，　ＫＩ＝０．６。电网电压５Ｏ　Ｖ，频率５Ｏ　Ｈｚ，控制器采用　ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ。由于电机输出电压较小，故　网侧通过调压器接电网。　图４示出发电机转速为３００　ｒ・ｍｉｎ～，电网电　压为５０　Ｖ时。并网指令电流幅值设定为５　Ａ的　，并网电流ｉ　和电网电压“　的实验波形。由　图４ａ可知，该控制策略在　波动较大的情况下　７９　第４５卷第８期　２０１１年８月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　分析其运行特性．提出了一种简单易行的闭环动　态控制策略来控制并网电流的波形和幅值，在理　论上对该控制策略进行了详细分析，并通过实验　进行了验证。结果表明，在直流电流波动较大的情　况下，该控制策略能使逆变器输出电流ＴＨＤ较　低。同时其幅值能准确地跟踪指令。　参考文献　ｔ／（】０ｍｓ／格）Ｌ／（１　０ｍＳ／｝吾）　【１】Ｗｈａｌｅｙ　Ｄ　Ｍ，Ｇ　Ｅｒｔａｓｇｉｎ，Ｗ　Ｌ　Ｓｏｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｌｏｗ．．ｃｏｓｔ　Ｇｒｉｄ．．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｓｍａｌ１．．ｓｃａｌｅ　（ａ）商流电话　和并　电流　（ｂ）并州电流和电删电雁　图４实验波形　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ．ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＰＭ　图５为发电机转速为４００　ｒ・ｍｉｎ，电网电压　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ａ］．ＩＥＥＥ　３２ｎｄ．Ａｎｎｕａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓ—　为５０　Ｖ时，指令电流由５　Ａ突变至７　Ａ时，ｉ　与　ｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｃ］．Ｆｒａｎｃｅ，２００６：４２９７－４３０２．　“　波形。可见，该控制可在电流受到扰动后经过　［２ｌ　Ｗｈａｌｅｙ　Ｄ　Ｍ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｗｉｔｃｈｅｄ—ｍｏｄｅ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｆｏｒ　两个电网周期跟踪给定电流．超调约为１０％，且保　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ—ｓｃａｌｅ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ａ】．Ｆｏｒｔｉｅｔｈ　ＩＡＳ　Ａｎｎ・　ｕａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔ￣Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．Ｈｏｎｇ　持电压电流基本同相位。　Ｋｏｎｇ，２００５：２８４９—２８５６．　【３】Ｈｉｒａｃｈｉ，Ｋ　Ｙｏｓｈｉｔｓｕｇｕ，Ｊ　Ｇａｍａｇｅ，ｅｔ　ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｃｏｎｔｍｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｎ　Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｐｕｌｓｅ　Ａｒｅａ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ［Ａ１．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｒｉ－　ｖｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．１９９７：５０８－５１２．　【４】　陈伯时．电力拖动自动控制系统（第３版）【Ｍ】．北京：　机械工业出版社．２００３．　【５］　Ｍａｏ　Ｍｅｉｑｉｎ，Ｌａｉ　Ｊｉｄｏｎｇ．Ａ　Ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｓｍａｌｌ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＳＩ［Ａ］．２ｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎ—　ｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ【Ｃ】．２０１０：１０３－１０６．　（上接第６９页）　ＶＳＣＦ控制的有效性．为其在ＶＳＣＦ风力发电领域　的开发应用提供了参考依据。　参考文献　【１】张小兰，廖勇．无刷双馈变速恒频风力发电机控制　ＳａｍｎＩｅ　Ｔｉｉｎｅ　（ａ）　ｒｄ步发屯状：冬转速　技术［Ｊ］．武汉大学学报，２０１０，４３（２）：２５７—２６０．　［２］王琦，陈小虎，纪延超，等．基于双同步坐标的无刷　霎　双馈风力发电系统的最大风能追踪控制【Ｊ】．电网技　三蓦　ｊ　术，２００７，３１（３）：８２—８７．　［３】张凤阁，王惠军，佟宁泽，等．新型无刷双馈变速恒频　ｔ／（２００　ｍｓ／格）ｔ／（１　００　ｍｓ／格）　风力发电系统的建模和数字仿真［Ｊ］．太阳能学报，　（ｂ）控制绕组线电Ｊ｝ｉ与棚ｉ乜流　（ｃ）功率绕组相｝　ｊ相电流　图４实验波形　２００５，１０（５）：６６０—６６４．　ｆ４】Ｊ　Ｐｏｚａ，Ｅ　Ｏｙａｒｂｉｄｅ，Ｄ　Ｒｏｙｅ，ｅｔ　ａ１．Ｕｎｉｉｆｅｄ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｒａｍｅ　６　结　论　ｄｑ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　Ｄｏｕｂｌｙ　Ｆｅｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ【ｈｉ．　此处在分析ＢＤＦＧ结构原理以及数学模型的　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＩＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ【Ｃ］．２００６，　基础上，在开环状态下对其变速恒频的发电控制　１５３（５）：７２６—７３４．　进行了仿真与实验研究。通过调节发电机的控制　【５］张贞飞，何凤有，邓园，等．变速恒频无刷双馈发电　绕组进行交流励磁，实现变速恒频控制技术。同　机开环动态仿真［Ｊ］．微特电机，２００９，８：３６—３８．　［６】邓先明．无刷双馈电机的电磁分析与设计应用【Ｍ】．北　时，实验结果证实了基于双三电平变流器ＢＤＦＧ　京：机械工业出版社．２００９．　８０