高晗瓔，紀(jì)文東，宋宏明，申 娟

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150080)

我國(guó)的風(fēng)能發(fā)展?jié)摿艽?，風(fēng)力發(fā)電可使風(fēng)能得到最大程度的利用.并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿暮诵募夹g(shù)，因此針對(duì)此控制技術(shù)的研究越來(lái)越受到人們的重視[1－2].

由于外界風(fēng)速不是穩(wěn)定不變的，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓會(huì)隨著風(fēng)速的大小而變化，所以必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能不符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不能直接接入電網(wǎng)，應(yīng)該在兩者之間接入一個(gè)智能控制變換器，將風(fēng)機(jī)發(fā)出的不規(guī)則的電能轉(zhuǎn)換成國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的交流電能后，再源源不斷地向電網(wǎng)供電.

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變換器進(jìn)行分析研究，在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了控制策略，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模擬器件的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電不穩(wěn)定，所以采用交—直—交的變換方式并上電網(wǎng).即三相交流電經(jīng)過(guò)不可控整流橋轉(zhuǎn)換成直流電壓，但由于電壓值波動(dòng)較大，本文采用變換器[3]，將直流電升壓至并網(wǎng)逆變器所要求的直流母線(xiàn)電壓350 V，經(jīng)H橋逆變，再經(jīng)濾波后并上電網(wǎng)[4].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 并網(wǎng)逆變器控制策略分析

并網(wǎng)逆變器按輸入方式可分為電流源輸入和電壓源輸入，前者控制方式需要提供穩(wěn)定的電流源，人們往往會(huì)利用電感通直阻交的特性，在逆變前端串聯(lián)一個(gè)大電感，但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)能力變差.因此以電壓源為輸入方式的并網(wǎng)逆變器最受歡迎[5].

逆變器網(wǎng)側(cè)輸出控制有電壓控制和電流控制，電網(wǎng)可視為一個(gè)定值電壓源，控制方式如果采用前者，則相當(dāng)于兩個(gè)電壓源并聯(lián)運(yùn)行，要使其正常運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)來(lái)調(diào)整逆變器輸出電壓保持與電網(wǎng)同步，但存在逆變器輸出電壓大小不易受控、鎖相回路的響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)等問(wèn)題.控制方式如果采用后者，則只要在逆變器輸出電流的頻率和相位控制上，保證跟蹤電網(wǎng)電壓，即可同電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行[6－7].因此電流型并網(wǎng)控制方法相對(duì)容易實(shí)現(xiàn).

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)快、便于控制的目的，使逆變器輸出電流和電壓最大限度地不受到電網(wǎng)的干擾，本設(shè)計(jì)采用以電壓源輸入、電流型控制輸出的方式.并網(wǎng)逆變器的整體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 控制電路圖

前級(jí)升壓環(huán)節(jié)，必須滿(mǎn)足并網(wǎng)條件:直流母線(xiàn)電壓必須穩(wěn)定.采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，直流升壓輸出電壓經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的值為Vf，V*DC為直流輸出電壓360 V所對(duì)應(yīng)的一個(gè)數(shù)值，兩者作為輸入，經(jīng)模塊調(diào)節(jié)后的輸出量作為電流環(huán)中的給定量i*1，實(shí)際反饋i1和其通過(guò)滯環(huán)模塊產(chǎn)生信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷，穩(wěn)定輸出.

后級(jí)逆變并網(wǎng)環(huán)節(jié)，必須滿(mǎn)足逆變器輸出電流接近正弦波，并且保證并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓，達(dá)到單位功率逆變目的.鑒于此，為了達(dá)到并網(wǎng)電流的快速反應(yīng)能力提高的同時(shí)，減少電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，本文在網(wǎng)側(cè)采用加入電壓前饋補(bǔ)償?shù)碾娏鏖]環(huán)控制方式.首先通過(guò)SPLL模塊取得一個(gè)能跟蹤電網(wǎng)電壓的數(shù)值為1的正弦信號(hào)，此信號(hào)與指定的電流幅值i*L的乘積，作為逆變器輸出的交流電流指令值i*Lf，它與實(shí)際反饋的逆變器輸出電流iLf經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器模擬PI調(diào)節(jié)后，與引入的經(jīng)A/D采樣得到的電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償值相加，兩者之和作為調(diào)制波，再與設(shè)定的一定頻率的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制功率開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)，最終使由逆變器輸入到電網(wǎng)的電流緊跟電網(wǎng).

3 并網(wǎng)電流控制策略分析

并網(wǎng)逆變器的控制關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流在閉環(huán)控制的同時(shí)，不受電網(wǎng)電壓的影響下跟蹤其相位和頻率.傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.

圖3 傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

由圖3推導(dǎo)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

PI運(yùn)算傳遞函數(shù)為

其中:KP是比例系數(shù)，KI是積分系數(shù).

忽略各功率開(kāi)關(guān)器件因相關(guān)參數(shù)和死區(qū)時(shí)間不精準(zhǔn)而引起的非線(xiàn)性影響，采用PWM控制的全橋逆變電路可近似為一個(gè)線(xiàn)性比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為

其中:KPWM為逆變運(yùn)算放大倍數(shù).

濾波電感L2、L3和濾波電容C3的等效寄生電阻值很小，可忽略不計(jì).從而得到濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

其中:

L=L2+L3，α =L2/L.

由式(1)可以看出，逆變器輸出直流電流當(dāng)只有純粹的閉環(huán)控制時(shí)，其傳遞函數(shù)中存在一項(xiàng)跟電網(wǎng)相關(guān)的干擾量，為了消除這個(gè)影響，在電流環(huán)中加入電網(wǎng)前饋補(bǔ)償，如圖4所示.

圖4 加入電壓前饋的電流閉環(huán)控制圖

帶前饋控制的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其中:KF為電網(wǎng)電壓前饋系數(shù)

由式(5)可知，只要令KF=1/GPWM(s)，便可消除電網(wǎng)電壓對(duì)逆變器控制輸出的干擾項(xiàng)，其傳遞函數(shù)為

由式(6)可知，在電流環(huán)中加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償后，可將跟電網(wǎng)電壓的干擾完全抵消掉.

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了證明本文提出的控制方案的可行性，本文在Matlab/Simulink的仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真分析.將整個(gè)系統(tǒng)主要分為直流升壓環(huán)節(jié)和并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)兩部分進(jìn)行分析研究[8].

直流升壓環(huán)節(jié)的仿真系統(tǒng)框圖如圖5所示.風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電由三相交流電壓源模塊模擬，升壓電感L1選取值為6 mH，穩(wěn)壓濾波電容C2選取值為2 200 μF，其他器件參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況定.模塊作為電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，模塊作為電流內(nèi)環(huán)的滯環(huán)調(diào)節(jié)器.

利用上述直流升壓仿真系統(tǒng)框圖，對(duì)于風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出被整流后的電壓和升壓后的直流電壓的情況進(jìn)行仿真.圖6、7是風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓為70 V時(shí)，整流后的電壓波形和升壓后的直流電壓波形.

圖5 BOOST升壓電路仿真模型

圖6 70 V時(shí)的整流波形

圖7 70 V時(shí)的BOOST輸出電壓

圖8、9是當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電為交流電時(shí)，整流后的電壓波形和升壓后的直流電壓波形.

圖8 100 V時(shí)的整流后波形

圖9 100 V時(shí)的BOOST輸出電壓

從以上仿真波形可得，當(dāng)外界風(fēng)速變化，即風(fēng)機(jī)側(cè)發(fā)電量變化時(shí)，電路輸出基本穩(wěn)定在350 V左右，使得該系統(tǒng)在風(fēng)速變化時(shí)也能為后級(jí)的并網(wǎng)逆變提供很好的服務(wù).

后級(jí)并網(wǎng)逆變的仿真模型如圖10所示.用模塊來(lái)模擬逆變橋，功率器件選取，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置器件各參數(shù).濾波電感L2和 L3分別選取9、6 mH，濾波電容 C3選取30 μF.電網(wǎng)和同步鎖相分別由和兩個(gè)模塊來(lái)模擬實(shí)現(xiàn).電流閉環(huán)控制為控制方式，由模塊作為調(diào)節(jié)器.模塊用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)，其內(nèi)部三角載波頻率被設(shè)為20 kHz.

直流母線(xiàn)電壓為350 V，并網(wǎng)電流參考值分別選取10、20 A時(shí)的仿真波形如圖11、12所示.

圖10 并網(wǎng)逆變仿真模型

圖11 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流10 A的波形

圖12 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流20 A的波形

仿真波形表明，并網(wǎng)逆變器開(kāi)始工作后的0.1 s，電網(wǎng)電流就能迅速跟蹤上電網(wǎng)電壓，與其保持同頻同相，完全符合并網(wǎng)要求.

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成兩部分進(jìn)行了詳述，提出了單相逆變系統(tǒng)并入電網(wǎng)正常運(yùn)行的控制方案.同時(shí)用仿真軟件在不同風(fēng)速下，對(duì)直流升壓和逆變并網(wǎng)兩部分的控制策略進(jìn)行了模擬仿真，其結(jié)果具有很好的實(shí)用性，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單位功率輸出的并網(wǎng)運(yùn)行.

[1]田 德.國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].新能源產(chǎn)業(yè)，2007(1):51－57.

[2]王大中.21世紀(jì)中國(guó)能源科技發(fā)展展望[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007:415 －416.

[3]胡順全.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器裝置[C]//第九屆全國(guó)電技術(shù)節(jié)能學(xué)術(shù)會(huì)議，成都:中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2007:187－189.

[4]黃 俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[5]王全勝，宋建成.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究[J].煤礦機(jī)電，2008(6):38 －41.

[6]李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:246－249.

[7]許 頗，張 興，張崇巍，等.采用Z源變換器的小型風(fēng)力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(4):93 －97.

[8]洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.