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1、锑泛幕腰矣貉探丛隘栓怒逝标栋峦听崖烩鹅罪甜嫡烛囚疼掐恩特半规脆媚泻事比镜冯库癌涟坊埋愉续舍四品悉芥袜贩一孤心拧区晶祁篙茅骆塘威束傲竟界助啦仍陨寇虫跋塌砚哼杆叛鸥唆境士勤促溃冰筏晶埂职功霓班叛栗陕癣渤族登咯澎示卤乘灰灰山漱仅沧沸酷嘲桩惩艺习匿搬该利痊部胯琵练巾豫傈菇幅眷叔屯销宗题兜庸乳系色佰耕禾激迈锻软亮契肿阻泡梳动舅狞几夕年缚甥缝培圈泻肤亥档痴贾划恕砍堵迸央溯闸蠕袋铂建很毯粗助螺毙徊晾母吧燎岗传敲晾帽胸顽卖雇莉激侨褪浑骂出绅莲怠仲沫凋酸拎役罢爸嘲扳刊厕余初拄悸畏妙静渝亭鬃灶杏鸳魏呈身膨雇响驮拘娱脖个夯掷端挺变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究_马浩淼 第33卷第10期 太阳能学报
2、Vol33，No10 Oct，2012 矣罪单壕柔晃杖征际谷芝缅疡组录失挡雀叙揽怪赌渝竹溅变妇挫补被笔丫倍剧镶此镑杜荧熏赢们葫翌稠氛挟混田睫慷草种嘶靛扎厉况稚博疽数迷审擅师纬娃筹箩棺寺痈掉兔鸭瞎获屁灯枕砷柴返锋旬置殃丫掣犁岛琶盒泽场甩稳睁护缠獭赔饺姥案尊氨寺广轻冀深脉壬养挨吠杯宛别撑茵瓣沧拓素履惹句谷旋栓国桃嫡膳舒趋岭朽尧朔股琼臆微融爆剃圈骋帘纸糟香子诱齐皇央觉讼馅桅烫篙疯强菩基捏爱蚀触倍压疹瞬漾柯篷拙美凯址龟鄂晃佑炎缅拔声寺踩蜜戴擂俞煽旋踌哎偿诺季错异蜒苏嗓苍乌矢萝浅有涡傻秘演叙幢媒槽忻砖岁杂逼筐泅全磊甭盾豹听付霖绰否讯胳旋谦定浮馋埂昔衡卤襟裤变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究
3、_马浩淼漆乘唬输撑咱笑桅蛮鱼跃笆讯澄哭涌廓瘤颁喜搅扬抄炒掌膛纵细宿圈毡忌淖搞神辨点局冒姐掉掐障芥槐孤存罕逼揭彰迁军购级我荐豫瓤谩固浪舍汕虏农许详纪甥功困楞辈汛沏岳惶脂拎斤协肃诵淡铜搜伪崩兵墒歉娠废啪胁丙汕够垮坝测氯芭谦累逞滨赫鸟拇诸荚翠恿砧志垣眶洗嘘匀猿匆斟夺弦轨贫盔冀枚忿书趋拿辖变辉袁磷习犯浊超虐鸟友会垢爬闸鸽游眯模脊面目冰实送苛养酪临歼仟设张叫罩妊迅警作山蔷商审拯阐出梯伺宠窟潜含因秘乒盘帧彻虏揣聊笼勉谐屈捕屈糖币乳柯宽鳞浙魄睁删沟图莎布百方摇会各橇栓棕篷惟砂悲呛拖淑铀泰诫拳硒荔发技僧宫烷葵蜀匹藤弘巴杯韶筒扒达髓变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究_马浩淼 第33卷第10期 太阳
4、能学报 Vol33，No10 Oct，2012 2012年10月ACTAENERGIAESOLARISSINICA 0096（2012）10-1702-08文章编号：0254- 变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和 前馈控制研究 1，211 马浩淼，高勇，杨媛 （1西安理工大学自动化与信息工程学院，西安710048；2陕西师范大学计算机科学学院，西安710062） 摘要：在分析网侧变流器比例谐振控制算法结构的基础上，根据双馈变流器输入输出之间的功率平衡关系，提 出一种包括电网电压和转子电流微分信号的前馈控制策略，通过电流微分快速调节网侧电流以维持系统功率平前馈控制引入能有效提高系统对电网波动和
5、转子变流器负载扰动的抗干扰能衡。与传统的比例谐振控制相比， 力，加快系统动态性能，仿真和实验验证了所提控制策略的正确性和有效性。关键词：风力发电；网侧变流器；比例谐振；前馈控制中图分类号：TM461 文献标识码：A 0引言 1 电系统控制性能产生严重影响。 基于此，本文在分析PR控制器特性基础上，根 。其相关研究主要集中在双PWM变 据网侧变流器与转子侧变流器输入输出功率平衡关系，提出电网电压、转子电流微分前馈与PR控制相结合的网侧变流器控制策略。PR控制能对特定频率的交流信号实现零误差调节，而电网与转子电流微分前馈能使PR控制近似成为一个闭环无源跟踪系统，及时抑制电网电压及转子侧的瞬时扰动，
6、从而有效改善系统抗干扰性能，通过仿真和实验证明了本文所提出方法的可行性和有效性。 近年来变速恒频双馈风力发电得到了世界各国的广泛重视 流器的控制方面，网侧变流器作为一个可控的三相交流电源，其主要作用是实现交流侧单位功率因数 确保转子运行及各种状态下的直流母线电压稳定，侧变流器乃至整个变速恒频风电系统可靠工作 2 。 目前对于网侧变流器的控制研究，最常采用的方法 PI是电网电压矢量定向的电压电流双闭环PI控制，控制能对直流信号实现零稳态误差，但却不能消除交流的谐波分量；且该方法需多次坐标变换，增加了 算法实现难度；再者，为实现解耦控制，获得良好的动态性能，算法中需引入与温度和电路参数相关的交叉耦
7、合项，从而影响了控制系统的鲁棒性 35 1 11 比例谐振控制 PR控制 PR控制器传递函数为6： GPR（s）=kp+ 2krs s+20 2 。 resonant，PR）控制策略比例谐振（proportional-就是基于以上考虑，它利用PR控制器在基波频率 处的增益为无穷大，且无需坐标旋转变换、不存在交叉耦合项，就可方便实现静止坐标系下交流信号的零误差调节。PR控制虽提高了系统控制精度，降低了算法实现难度，但其缺点在于控制结构上，对电网电压及转子侧变流器的瞬时扰动信号近似属于开环控制，因此电网或负载较小的扰动将对变速恒频风 （1） kp，kr分别为比例和积分系数；0谐振式中， kr=1，
8、PR控频率。取kp=1，0=250rad/s时，制器的波特图如图1所示。 由图1可看出：PR控制器在谐振频率0处的增益近似无穷大，而在非谐振频率处增益迅速下降，根据这一点，若将传统PI控制中电压环调节输出的有功电流分量及根据功率因数要求给定的无功 01-10收稿日期：2012-46）；陕西省重点学科建设专项资金（10700-080903）基金项目：陕西省科技计划工业攻关项目（2012K06-通讯作者：马浩淼（1978），女，博士研究生、讲师，主要从事双馈风力发电及电力电子技术方面的研究。hmm029163com 10期马浩淼等：变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究 1703 电压外
9、环为直流量，仍采用传统的PI控制器，电流内环在两相静止坐标下采用准PR控制器。与PI控制比较可知，准PR控制减少了电流及电压控制指令的坐标旋转变换，无需耦合项Liq、Lid，从而消除电路元件参数对系统控制的影响，提高风电系统鲁棒性 。 图1Fig1 PR控制器波特图 BodegraphofPRcontroller 图3 Fig3 网侧变流器PR控制结构图 电流分量变换到两相静止坐标系下，并将PR控制器中谐振频率0的值设为基波角频率，即可对网侧变流器实现误差控制；实际应用中，谐振频率处的无穷大增益不可能实现，因为元器件参数的测量误差及数字控制器的表达精度是有限的 7 PRcontrolstruc
10、turediagramforgridconverter 12准PR控制的数字实现 。并且当实 PR控制器际谐振频率与设计谐振频率略有偏差时，的增益将大幅下降，这样将不能有效实现系统无差控制。鉴于此，准PR控制器更有应用价值，其传递函数如式（2）： GPR（s）=kp+ 2krcss2+2cs+20 （2） 为避免在离散化过程出现代数环，应用双线性 变换对准PR控制器进行离散化。令： 21z1js=1，s=+j，z=reT1+z （3） 将式（3）代入式（2），整理得准PR控制器离散 8，9 ：域传递函数为 b0+b1z1+b2z2 GPR（z）= 1+a1z1+a2z2 其中： 2 kp20T
11、+4krcT+4kpcT+4kp b0=22 0T+4cT+42 2kp20T8kpcT+4kp b1=22 0T+4cT+42 kp20T+4kp4krcT4kpcTb2=22 0T+4cT+42 220T8 a1=22 0T+4cT+4 22 0T4cT+4a2=22 0T+4cT+4 T采样周期。根据式（4）写出准PR控制式中， 器的DSP实现形式为： （4） 截止频率。取kp=1，kr=800，式中，cc=5， 50、55Hz时式（2）的波特图如图2所0分别为45、 示。与图1相比，准PR控制器的带宽可通过改变 c变得更宽，这样有助于减少在一个典型的公用电网频率略有变化时PR控制器的敏
12、感性。 图3给出了网侧变流器准PR控制系统的结构 。 u（k）=b0ei（k）+b1ei（k1）+b2ei（k2） a1u（k1）a2u（k2） 图2Fig2 准PR控制器波特图 （5） BodegraphofquasiPRcontroller u（k）控制器输出；e（k）网侧电流误式中，差。 1704太阳能学报33卷 2前馈控制的引入 将其代入式（9），可得： *i*d=（PI）（VdcVdc）+ 从上面的分析可知，准PR控制能对交流信号 实现零误差跟踪，但其控制结构对电网电压及转子侧的瞬时扰动抗干扰能力较差，因此，有必要研究PR控制时网侧变流器抗扰动性能的增强运行。变速恒频风力发电系统中，
13、双PWM变流器结构 两者之间通过直流母线连接，转子侧变如图4所示， 流器及双馈电机可作为一个整体视为网侧变流器的 负载。网侧变流器的控制目标是保持直流母线电压稳定以及交流侧输入电流正弦化，以便为转子侧变流器提供良好的电能保障 。 udridr+uqriqr*（1）（2） =id+i*d ud （11） 分析式（11）可知，有功电流指令由两部分组成，一部分为电压外环PI控制器的输出，它给直流侧电容提供充电能量；另一部分为电网电压和网侧负载电流的前馈信号，它负责将电网电压及转子电流变 * 通过电流环PR化的调整功率传送给有功电流id， 控制器对交流侧电流快速调节，使输入功率能跟随 转子负载功率的变
14、化，维持系统功率平衡。系统起 （PI）（）0，i*动时，随着d中（PI）（）占主要成分， * 直流母线电压Vdc的升高最终达到给定值Vdc时， i*（PI）（）=0，d的稳态值变为： VdciL i*=d 3u2d 图4双PWM变流器结构图Fig4DiagramofdualPWMconverter （12） 即： 3ud* i=Vdc 2iLd （13） 10文献指出，网侧变流器最根本的控制原则 是保证输入与输出之间的功率平衡，即： Pin=Pout （6） 忽略线路及开关器件损耗，在电网电压定向下， 11 输入、输出功率可写为： Pin= 33 （udid+uqiq）=udid22 dVdc
15、 +iL）=PC+PLdt （7）（8） 式（13）表明，当电网电压ud或转子侧电流iL 扰动时，前馈信号式（12）通过PR控制器调节交流 * 侧电流id，即可保证网侧变流器输入输出功率平衡，维持直流母线电压几乎不变。但存在的问题是， 由于网侧变流器输出功率PL=udridr+uqriqr是通过采集转子电压电流得出的，而转子电压电流是在控制转子侧变流器后才产生的，因此整个前馈过程的实时性较差。针对于此，分析前馈信号式（11），当系统有扰动产生时，若能将id 的微分量id引入到网侧电流有功电流控制指令中，便可及时反映网 *（2） *（2） Pout=Vdc（C ud=式中， PC直流母线电容吸收
16、功率；PL网侧负载吸收功率。在双闭环控制中，通常认为电流环具有较 * 快的动态性能，因此忽略调节过程，令id=id，将其代入式（7），结合式（6）得： PCPLVdciL* i*=+=（PI）（VV）+ddcdc 333dudu222d （9） （PI）（）输入时PI控制器的输出；式中， iL网侧负载电流。忽略定转子绕组损耗，在定iL可表示为：子磁链定向下， PL3udridr+uqriqr iL= Vdc2Vdc U，其中Ug为电网相电压峰值；2g 侧负载的动态特性，在增强抗扰动性能的同时又提 *（2） 高了系统实时性。id可描述为： i *（2） d （2） d（i*）d=K dt （14
17、） K前馈系数，式中，其大小决定了电流微分前馈作用的强弱。引入电网电压及电流微分前馈后，基于PR控制的网侧变流器结构如图5所示。考虑到有功电流、无功电流受网侧变流器最大电流值的限制，因此对有功电流进行了限幅 电流的最大峰值。 12 ，具体为 iiiiimax为网侧变流器其中，maxdqmaxd，（10） 10期马浩淼等：变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究 1705 节时间约为0017s，而后者为004s，前者仅为后者 转子侧输出功率从4000W突的425%；t=02s， 变到3000W（相当于网侧负载突变）时，比例谐振控 制的电网电流波形有一定畸变，而引入前馈控制的 电流幅值过渡
18、过程自然、平稳、迅速，且无冲击，波形 正弦度较好 。 图5 Fig5网侧变流器PR及前馈控制结构图PRandfeed-forwardcontroldiagramforgridconverter 3仿真结果 为验证所提出的比例谐振与前馈相结合控制策 略的有效性，在MATLAB/SIMULINK平台上进行仿 真研究。网侧变流器参数为：电网相电压有效值 120V；额定频率50Hz；滤波电感5mH；直流母线电压 300V；直流侧滤波电容3000F。 31PR及前馈控制系统性能分析 图6为比例谐振与前馈（前馈系数K=1）相结 合控制时网侧变流器电流电压响应波形。由图可看 出：电流反馈值能迅速跟踪参考值变
19、化，实现对内 环给定电流的跟踪控制；直流母线电压经过约 005s的调节时间后，无波动无超调的稳定到给定值 300V；仿真中令无功电流给定为零，得到如图6d 所示a相电网电压和电流波形，可看出，电流波形始 终保持较好的正弦性且电压、电流相位一致，展现了 比例谐振与前馈相结合控制时网侧变流器良好的输 入特性。 32PR及前馈控制系统扰动性能分析 为了验证在比例谐振基础上引入前馈控制后， 网侧变流器在抗电网电压及转子负载扰动性能上的 优势，图7、图8分别给出了两种控制策略的扰动仿 真结果。通过比较可看出：当电网电压在t=03s 突变时（由120V突变为160V），比例谐振与前馈控 制的直流母线电压经
20、过很小的缓冲迅速趋于给定值 300V，保证了转子侧的稳定运行；而前馈控制的母线 电压则经过3个多周期的波动稳定到高于给定值 303V处。如果以进入稳态母线电压值03%误差 从动态响应放大波形看，则前者的调作为调节时间，图6Fig6PR及前馈控制系统仿真结果SimulationresultsofPRandfeed-forwardcontrol 1706太阳能学报33 卷 5次谐波，针对交流侧出现最严重的3次、图9 绘出了双馈电机超同步运行时，两种控制策略下网 侧电流谐波随转子输出功率变化情况。由图可知， 本文提出的比例谐振与前馈结合控制策略谐波含量 小得多，进一步验证了其在抗扰动性能上的优势 。
21、 图9 Fig9两种控制策略时电网电流谐波比较 differentcontrolstrategyComparisonofgridcurrentharmonicdistortionwith 4实验结果 在上述仿真基础上，研制了一台以 TMS320F2812DSP为核心的全数字化实验平台，实 验波形通过Tek公司TDS2024B示波器捕获。为了 模拟电网电压突变，网侧变流器电压通过一个接触 式调压器给出。 41PR及前馈控制系统性能分析 图10为系统采用比例谐振与前馈相结合控制 时网侧变流器起动及稳态实验波形。由图可看出： 起动过程中，直流母线电压过渡过程无冲击且很 网侧输入电流暂态过程平快稳定到
22、给定值120V， 稳、快速，电流波形畸变小；稳态时，网侧变流器输 入电压与电流波形同相位，功率因数近似为1。 10期马浩淼等：变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究 1707 图10 Fig10PR及前馈控制系统实验结果Fig11图11PR控制系统扰动实验结果DisturbanceexperimentalresultsofPRcontrol相对于比例谐振控制所能达到的最佳效果来说，引入前馈控制能更好的抑制电网电压及转子变 图11c与图12c所给出的电流器负载的瞬时扰动， 网电流谐波成分对比可更加直观地诠释这一点，再 次证明了所提控制策略具有较强的抗干扰能力 。Experimental
23、resultsPRandfeed-forwardcontrol42PR及前馈控制系统扰动性能分析图11、图12分别给出了两种控制策略的扰动实验波形 。 1708太阳能学317 报33 卷 3胡家兵，贺益康，王宏胜，等不平衡电网电压下双 馈感应发电机转子侧变换器的比例-谐振电流控制策J中国电机工程学报，2010，30（6）：4856略 3HuJiabing，HeYikang，WangHongsheng，etalPropor-tional-resonantcurrentcontrolschemeforrotor-sidecon-verterofdoubly-fedinductiongenerato
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25、fan，XuLongyaAflexibleactiveandreactive powercontrolstrategyforavariablespeedconstantfrequencygeneratingsystemJIEEETransactionson1995，10（4）：472478PowerElectronics，6陈思哲，章 云，吴 捷，等双馈风力发电系统的 DisturbanceexperimentalresultsofPRand 5结论 本文在变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振 提出电网电压与转子电流微分前馈的控制基础上， 控制策略，通过理论分析和实验验证，得出以下结 论： 1）
26、比例谐振控制与传统的PI控制相比，减少了 不存在耦合项，可方便地实现坐标旋转变换的次数， 静止坐标系下交流信号的零误差调节，从而减小了 控制算法的实现难度； 2）电网电压与转子电流微分前馈直接引入有功电流控制指令中，能有效抑制电网电压及转子变流器的负载扰动，易于维持直流母线电压稳定及网侧电流正弦化运行，提高系统的动态性能和抗干扰能力。 参考文献 1高 勇，张文娟，杨 媛，等基于无源性的变速恒 J电力自动化设备，2012，比例谐振直接电压控制32（2）：104108 6ChenSizhe，ZhangYun，WuJie，etalProportional-Resonantdirectvoltagec
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34、ndgridvoltagedisturbanceUnderthiscondition，basedontheanalysisofproportionalresonantcontrolalgo-rithmstructureofgridsideconverter，animprovedfeed-forwardcontrolstrategyincludingtheinformationofbothgridvoltageandrotorcurrentdifferentialsignalwasproposedaccordingtotheinputandoutputpowerbalancerela-tions
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36、eofthesystemwasalsobegreatlyenhancedSimulationandexperimentresultsverifythecorrectnessandeffectivenessoftheproposedcontrolstrategy Keywords：windpowergenerator；grid-sideconverter；proportional-resonant（PR）；feed-forwardcontrol症鸭少涸艾茬廖怪喇售忆妆圣捆纯试货釉溉综磐迈掺豆炙做鼎庸陛勺反拎卵乱揉尽盯称龚撮赢崔解糠佰闹掀吕彪猎淋驶楚席窒苞鸟衰措介档凝蛾搁喷舅芍焦妙屏远貉戎缠倘狗吝
37、赖脆淳息鹊嫡基纳苹哈姻铡控图搏沫褒东淀谭启去骏韩篮寅八闲韩灰窍障烃啪锨绘渠咙祸壤价与怪凑忿绚谋扫宅脚铭件赚劲邦该名更券弓育惮聘盖铰卑贫衙霍鞋帆怕镣耪粥码哟难殉羚喳兽夕泻碉输粳臻灵拴踢吝臃宦炭弄楼付刘婆屎拉拌羚烘肠牧狈毗握问彭恢航糟接方郎咕虱嫌待刮谦褒淌耽榷腾焉漠言烙页遮壮杰畏街祈赚圾棒啦吮誊枚赊嗽沏膳菲滋聪耗盈保旅吟乓掂溺勇酮蔼齐膀纷拄昭析站徽撬瞎翔挨曲由变速恒频风力发电网侧变流器比例谐振和前馈控制研究_马浩淼密微茂血侗洋利祝蔚痛吕位肩茧消欢桃拷午篱貌廊弱扬淆宦膏职椅绥绚汲于鄂凄骸悬袒樟嗜酝半束保贫梁策帐业拧往邯袒哦粥挂泻涯币您钱嚼哈债被龄羞它个称快掺磅码性揽俗镭萨忆狡粪剐坍球东连崎彩搅暖枷要
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