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双馈风力发电机网侧PWM变换器控制系统设计.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.74M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第35卷第1期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016年1月 Vol.35 No.1 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Jan. 2016 收稿日期：2015-03-14 基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2014MS0527） 作者简介：吴振奎（1972-），男，甘肃 庄浪人，博士，副教授，主要从事微电网能量管理与保护方面的研究. 本文编校：朱艳华 吴振奎,刘平,马林.双馈风力发电机网侧PWM变换器控制系统设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(1):59-64. doi:10.11956/j.issn. 1008-0562.2016.01.012 WU Zhenkui,LIU Ping, MA Lin.Design of DFIG grid-side PWM converter control system[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2016,35(1):59-64. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.01.012 双馈风力发电机网侧PWM变换器控制系统设计 吴振奎，刘 平，马 林 （内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010） 摘 要：为保证双馈风力发电机组中网侧变换器直流环节电压的稳定及功率因数可调，以TMS320F2812 DSP为控制核心，利用智能功率模块及其驱动电路、直流电容等器件建立交-直-交双PWM变换器.通过对网侧PWM变换器在两相同步旋转d-q坐标系下数学模型的分析，确定基于电网电压定向及前馈解耦的控制策略，并详细给出了PI参数具体计算公式.研究结果表明：在不同工况下保证系统运行过程中直流环节电压的稳定、功率因数可调及变换器可以实现能量的双向流动，验证了系统控制策略及调节器参数计算方法的可行性. 关键词：风力发电；PWM变换器；PI调节器；双闭环；解耦 中图分类号：TM 461；TM 464 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2016)01-0059-06 Design of DFIG grid-side PWM converter control system WU Zhenkui, LIU Ping, MA Lin (Information Engineering College, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China) Abstract: In order to ensure the stability of the DC-link voltage of the grid side converter and the power factor adjustable in the wind turbine generator system, this paper used the IPM and its drive circuit the DC capacitors and other components，and built the AC - DC - AC double PWM converter. By analyzing mathematical model of two-phase synchronous rotating d-q coordinate system, this paper determined the control strategies in grid voltage oriented and feedforward decoupling, and provided the PI parameters formula in details. The results of study show that under the different working conditions, the design ensures the stability of the DC-link voltage and power factor adjustable during operation and Two-way flow of the converter’s energy. The feasibility of control system design and the PI regulator parameters design method is verified. Key words: wind power generation; PWM Converter; PI regulator; double closed-loop; decoupling 0 引言 近年来，“绿色”电力深受人们关注，而双馈风力发电机组中网侧PWM变换器的控制，是保障风电系统向电网输送电能质量的关键[1].实施电网电压定向矢量控制策略，可以对功率因数进行控制，使双馈风力发电机组柔性无冲击并入电网，向用户提供优质的电能[2].本文在d-q旋转坐标系下对网侧PWM变换器建立数学建模[3-6]，为实现单位功率因数控制及直流电容电压的稳定，对网侧变换器实施双闭环控制，并对其PI调节器参数计算公式进行推导.尽管PI调节器是目前工程上较为常用的校正装置，但是在双闭环PWM变换器系统中PI调节器的具体设计及参数的整定并没有深入研究，本文详细给出设计及推导，并通过Matlab中simulink组件的仿真和实验结果来确定PI参数和整个系统设计的合理性. 1 网侧PWM变换器数学建模 三相VSR的结构见图1.图1中，ea、eb、ec为等效的电网三相电压；L为网侧滤波电感；R为L的等效电阻；ia，ib，ic为电网侧三相输入电流；udc为变换器输出直流电压. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 60 + 图1 网侧变换器结构示意 Fig.1 grid-side converter topology 在两相同步旋转d-q坐标系下，变换器的数学模型[7]为 dcdcdcLddddd33d22ddqddqqdqqddqqiLRiLisuetiLRiLisuetuCsisiitωω⎧=−+−+⎪⎪⎪=−−−+⎨⎪⎪=−⎪⎩， （1） 式中，id、iq分别为变换器交流侧电流的d轴、q轴分量；sd、sq分别为变换器桥臂开关函数的d轴、q轴分量；ed为变换器交流侧电压的d轴分量；iL为变换器直流侧负载电流；ω为d-q坐标系的同步旋转角速度. 为简化数学模型，采用电网电压定向，将d轴与电网电压矢量Es重合，则 s0dqeEe=⎧⎪⎨=⎪⎩ . （2） 经过电网电压定向后，式（1）简化为 sddddddqdqqdqiLRiLiEutiLRiLiutωω⎧=−++−⎪⎪⎨⎪=−−−⎪⎩ ， （3） 式中，ud、uq分别为变换器交流侧电压的d-q轴分量，ud=sdudc，uq=squdc. 从式（3）中可以看出，影响输入电流id、iq的变量很多，因此，要利用相应的方法来消除输入电流间的交叉耦合及扰动.将式（3）改为 s'ddd'qqquuuEuuu⎧=−++⎪⎨=−+⎪⎩ΔΔ， （4） 式中，'dddddddq'qsqiuLRitiuLRit⎧=+⎪⎪⎨⎪=+⎪⎩；s11.dqqdΔuLiΔuLiωω=⎧⎪⎨=⎪⎩ 这种前馈解耦控制方式能够有效的解除交叉耦合及扰动.其核心便是利用开环控制的方式将便于检测到的干扰信号（电网电压Es）和交叉耦合项（ω1Lid、ω1Liq）作为理想的整流器终端输入电压与整流器模型中的电网电压和交叉耦合项进行对消，此方法不会改变系统特性，但是可以有效的消除耦合及扰动. +*du*qu*αu*βu*dibuαucuauβu'du*dcu++dcuaicibiαiβidiqiuθsE+++*qidtdduΔquΔdiqi'qu 图2 基于电网电压定向的网侧变换器控制原理 Fig.2 based on orientation of grid voltage grid side converter control schematic 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第1期 吴振奎，等：双馈风力发电机网侧PWM变换器控制系统设计 61 2 控制系统的设计 图2为基于电网电压定向的网侧变换器控制原理图.从图2中可以看出，根据不同的控制目标，将控制系统分为两个部分：电流内环和电压外环.对电压外环的控制，能够稳定直流电容电压.将检测到的直流电压udc变送到DSP处理器中，udc与设定电压的差值经过调节后，其值id*作为内环电流的输入指令，id*的大小与有功功率成正比，而变换器工作在整流模式或者逆变模式由id*的符号来判定. 2.1 电流内环控制系统设计 考虑到两电流内环的对称特性，下面单独对d 轴电流PI调节器的设计作详细分析，具体原理见图3，其中Ts为电流采样周期，IPM装置的延迟时间设定为1/2Ts. iddis10.51Ts+s11Ts+P1sKsττ+*di1/1RLsR+ 图3 电流内环传递函数结构 Fig.3 structure of inner current loop transfer function 电流内环开环传递函数为 Ps1111.511sRGsKLsTssRττ+=⋅⋅++（） ， （5） 式中，Kp为电流内环比例系数；τ为电流内环积分时间常数. 为将系统校正为典型的I型系统，可将其零极点对消，令τ=L/R ，因此，式（5）校正后为 'Ps/(1.51)KRGssTsτ=+（） . （6） 具体参数可以利用二阶系统的“最佳整定”设置参数[8]，即参数关系KT=0.5，其中K=Kp/τR，T=1.5Ts，阻尼比ξ=0.707，此时略有超调（σ=4.3%）.根据不同的工艺要求可有不同的最佳参数选择，因此，此处参数的选择更确切的说只能是折中，不能算“最佳”.综上所述，根据式（6）可以求得电流环PI参数为 PSPIS33LKTKRKTτ⎧=⎪⎪⎨⎪==⎪⎩ . （7） 电流内环闭环传递函数为 2SPP11.51sTRRssKKφττ=++（）. （8） 式（8）中可以忽略小高阶项，最终可化简为 SP11311sRTssKφτ≈=++（）. （9） 式（9）表明，校正后的PI调节器是一个典型的I型系统，其惯性环节时间常数约为3Ts.当时间常数值很小时，电流环的动态响应将非常快速. 2.2 电压外环控制系统设计 网侧PWM变换器电容电压稳定的关键在于对电压外环的处理.同样，电压外环选用PI调节器.电压偏差经过调节输出电流指令i*d，内环电流以此作为给定，控制规律为 **IddcdcP()uuKiuuKs=−+（）. （10） 此外，由调制比m及开关函数的基波初相角θ得到如下关系式[9]： dc0.75cosdimiθ≈. （11） 由于调制比m=ud/udc，则m≤1.综上所述，电压外环控制框图见图4. 图4 网侧变换器电压外环结构 Fig.4 external voltage loop structure of grid-side converter s131Ts+u11Ts+P(1)uuuKssττ+*dcUdcUdci1sCdi*di中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 62 Tu为电压外环采样周期，控制结构中存在时变环节（0.75mcosθ），由于调制比不大于1，可以用0.75代替整个时变环节，这种近似可以进一步将复杂系统简单化.将小时间常数3Ts、Tu进行合并，可以得到时间常数近似为TΣ=Tu+3Ts的惯性环节.根据以上分析可以将图4化简为图5. uPuu(1)Kssττ+0.751TsΣ+*didci1sCdcU*dcU 图5 网侧变换器电压外环简化结构 Fig.5 external voltage loop simplified structure of grid-side converter 电压环开环传递函数为 ()uPuuu2(0.75/)(1)(1)KCsGssTsττΣ+=+. （12） 电容电压的稳定需要电压外环有较强的抗干扰性能.而式（13）这种典型的Ⅱ型系统可以满足系统需要较好的抗干扰性能这一要求. 21()(1KsGssTsτ+=+（））. （13） 引入中频带宽变量h=τ/T，得出电压环中频带宽hu，根据“振荡指标法”[10]可以求得K的计算式为 uu2212hhKThTτΣ+==， . （14） 由式（12）～式（14）可得 uPu22uu0.7512()KhChTτΣ+=. （15） 考虑到系统的抗干扰性和跟随性等因素，普遍选择中频带宽hu=τ/T=5，则电压外环PI调节器具体参数的计算公式为 uusuPus55(3)45(3)TTTCKTTτΣ==+⎧⎪⎨=⎪+⎩ . （16） 3 系统仿真和实验 通过前文的理论分析，在基于电网电压定向及前馈解耦控制策略下，将整个系统相关部分模块封装处理，建立仿真模型对系统进行仿真.仿真参数见表1. 表1 仿真参数 Tab.1 simulation parameters 电网线电压/V 电网频率/Hz 进线电感/mh 进线电阻/Ω 直流电容/μF开关频率/kHz 电容参考电压Udc*/V 阻性负载/Ω 380 50 6 0.2 4 700 1.98 600 100 为在整流或者逆变过程中，使功率因数为1，可以设q轴电流分量给定值*qi=0.结合以上参数并根据PI调节器参数计算公式，求得电流环PI调节器的参数：KP=3.96，KI=132；电压环PI调节器参数：Kup=1.86，KuI=184.在此基础上根据系统实际调试的结果，在确保系统稳定的前提下，局部调整PI参数，以满足系统所需的动、静态性能. 图6为反电势为0 V、负载电阻为100 Ω时，电网A相电压（缩小10倍）和A相电流的波形.图7为直流电容电压的波形. 由图6可以看出电网电流约在0.2 s后与电网电压同相位，且电流波形近似为正弦波，网侧变换器工作在整流状态，能量流动方向为电网流入变换器.图7中直流母线电压在经过超调后在0.2 s时迅速达到电压给定值，并且能够很好的保持在给定值，达到了直流电压稳定的控制目标. 考虑到对系统动态性能的检验，仿真在0.6 s时利用simulink的Breaker在直流侧并联一个45 Ω的电阻性负载，得到仿真波形见图8和图9. 图6 电网A相电压（缩小10倍）和A相电流 Fig.6 grid phase voltage A（reduce 10 times） and phase current A UaIa00.050.10.15 0.2 0.250.3仿真时间/s 0-50-100-15050100150200电压Ua/V；电流Ia/A中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第1期 吴振奎，等：双馈风力发电机网侧PWM变换器控制系统设计 63 图7 直流母线电压 Fig.7 DC bus voltage 图8 负载变化时直流母线电压 Fig.8 DC bus voltage when load changes 图9 负载变化时电网A相电压和A相电流 Fig.9 grid phase voltage A and phase current A when load changes 从图8中可以看到，由于电阻性负载的突然并入，使得直流电容电压有一个跌落的趋势，跌落的幅值约有50 V左右，直流电容电压在0.9 s时回到正常状态，这个过程约0.3 s.图9中由于负载增大使电网A相电流迅速增大.通过以上仿真分析，可以看到控制系统具备优秀的动态性能. 为验证网侧PWM变换器能够实现能量的双向流动，令反电动势在0.3 s时由0V突变成850 V，仿真波形见图10. 图10中，未加入反电势时，变换器运行在整流状态，其功率因数为1. 在0.3 s时加入反电势后，经过约0.05 s一个很短的调整时间，变换器运行在逆变状态，其功率因数为-1.此时功率流向与之前相反，达到了变换器能量双向流动的目的. 图10 网侧PWM变换器整流到逆变过程 Fig.10 grid-side PWM converter rectifier to inverter 在以上仿真基础上搭建实验平台，本实验利用TMS320F2812 DSP作为控制核心，通过svpwm波形驱动功率器件—智能功率模块（IPM）.实验参数与上文仿真参数相同，并需要与双馈感应发电机（DFIG）及电机侧变换器进行联调.DFIG铭牌参数见表2. 表2 DFIG参数 Tab.1 DFIG parameters 额定 功率/ kW额定电压/ V额定 电流/ A额定 转速 /(转·min-1) 频率/Hz 转子额定电压/V转子 额定电流/A 7.5 380 18 948 50 259 18 DFIG运行于亚同步状态时，转子所需要的能量是由直流电容电压提供的，这样会导致直流电容电压有下降的趋势，为使电容电压不跌落，此时系统在相应的控制策略下，变换器工作在整流模式.电网相电压、相电流见图11. 图11 整流状态时相电压和相电流 Fig.11 phase voltage and phase current in rectifier DFIG运行在超同步状态时，转子将能量释放到直流环节，网侧变换器工作于逆变状态将直流环节的电能回馈到电网，为防止直流电容电压升高，变换器受控工作在逆变模式.此时，电网相电压、相电流见图12. Ua Ia 仿真时间/s 500.20.250.30.35 0.4 0.45-50电压Ua/V；电流Ia/A00.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8仿真时间/s -20-40 020 40电压Ua/V；电流Ia/A Ua Ia 0.5 0.6 0.6 0.8 0.9 1 1.1仿真时间/s 560 540 580 600620 直流侧电压Udc /V 80000.2 0.4 0.6 0.8 1.0200400600直流侧电压Udc/V 仿真时间/s 电压Ua/V；电流Ia/A 时间/ms 20 40 50 60 30 10 70 80 90 100 0200 100 300 -200 -100 -300 UaIa 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 64 图12 逆变状态时相电压和相电流 Fig.12 phase voltage and phase current in inverter 由图11和图12可知，DFIG运行于亚同步状态时，变换器的输入电压、电流的波形相位相同，变换器工作在整流状态，能量由电网流入变换器；运行于超同步状态时，输入电压、电流相位相反，变换器工作在逆变模式，实现了能量的双向流动.网侧变换器可以在整流和逆变之间切换，达到电容电压稳定的控制目标.电流波形近似正弦波，系统可以在功率因数接近于1或者-1的状态下并网运行.达到控制要求. 4 结论 （1）本文对网侧变换器进行数学建模，并通过分析，确定了电网电压定向及前馈解耦控制策略. （2）根据电流内环和电压外环传递函数具体结构，详细分析了PI参数的整定方法，利用计算出的PI参数及相关控制策略，建立了Matlab仿真模型和以DSP为核心的实验平台. （3）对以上仿真及实验结果进行分析，结果表明系统在运行的过程中能够控制直流电容电压的稳定，在不同工况下网侧PWM变换器能够实现能量的双向流动，向电网提供了功率因数可控、电流波形近似为正弦波的“清洁”能源.证明了控制系统设计的正确性及可行性. 参考文献： [1] 张建平,丁权飞,胡丹梅,等.ESA对DFIG风电场并网系统静态电压稳定性影响[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(8):1 118- 1 124. ZHANG Jianping,DING Quanfei,HU Danmei,et al.Static voltage stability of power systems including wind farm equipped with DFIG based on ESA[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2013,32(8):1 118-1 124. [2] 张继红,吴振奎,李含善.交流励磁变速恒频风力发电机并网控制及仿真[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(4):588-591. ZHANG Jihong,WU Zhenkui,LI Hanshan.Grid connection control and simulation of AC excitation variable-speed constant-frequency wind power generator[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2011,30(4):588-591. [3] 徐世周,刘毅.基于定子磁链定向的变速恒频双馈风力发电系统仿真研究[J].变频器世界,2011(3):49-53. XU Shizhou,LIU Yi.The simulation research of variable speed constant frequency for doubly fed wind power generation system based on stator flux oriented[J].The World of Inverter,2011(3):49-53. [4] 卫志农,于小勇.基于自抗扰控制的双馈发电机无速度传感器控制[J].电力自动化设备,2011,31(1):15-18. WEI Zhinong,YU Xiaoyong.Speed sensorless control of DFIG based on ADRC[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(1):15-18. [5] 田明,贺诚.双馈电机PI自适应无传感器矢量控制系统研究[J].西安科技大学学报,2013,33(1):107-111. TIAN Ming,HE Cheng.Research on sensorless vector control based on PI adaptive system of double-fed induction motor[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2013,33(1):107-111. [6] J W PARK,K W LEE,H J LEE.Control of active power in a doubly-fed induction generator taking into account the rotor side apparent power[J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004(3):2 060-2 064. [7] WU R,DEWAN S B,SLEMON G R.Analysis of an ac to dc voltage source converter using PWM with phase and amplitude control[J].IEEE Trans.Ind.Appl,1991,27:355-364． [8] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007. CHEN Boshi.Automation Control System by PowerDriving[M].Beijing: China Machine Press,2007. [9] 张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003. ZHANG Congwei,ZHANG Xing.PWM Rectifier and Its Control[M]. Beijing:China Machine Press,2003. [10] 王孝武.现代控制理论基础[M].北京:机械工业出版社,1998. WANG Xiaowu.Fundamentals of Modern Control Theory［M］.Beijing: China Machine Press,1998. 时间/ms 电压/V；电流/A20 40 50 60 30 10 70 80 90 100 0 200 100 300 -200 -100 -300 Ua Ia 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
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