謝 崢，馬相女，徐騰騰

（1.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000；2.青島卷煙廠，山東 青島 266000）

0 引 言

伴隨著科技發(fā)展和環(huán)境的不斷惡化，全球能源危機日益嚴重。風能作為一種廣泛分布的“可再生能源”，被認為是當前最具發(fā)展空間的新能源技術之一。近年來，風力發(fā)電得到了較快發(fā)展。在未來的發(fā)展中，風力發(fā)電將會主導著世界各國的發(fā)電行業(yè)，其中變速風力發(fā)電技術尤其是雙饋型變速恒頻（VSCF）風力發(fā)電技術以其獨特的優(yōu)勢而備受關注[1]。

目前，雙饋風力發(fā)電變流器多采用背靠背雙PWM電壓型變流器拓撲結構[2]，本文將只對網側變流器模型進行研究。

1 網側變流器數學模型

在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，網側PWM變流器通常采用三相電壓型PWM變流器，拓撲結構如圖1所示[3]。

圖中，ea、eb、ec分別為電網a、b、c三相電壓；ia、ib、ic分別為PWM變流器交流側a、b、c三相電流；R、L為濾波電抗器的電阻和電感；Sa、Sb、Sc為變流器開關函數；C為直流側電容；Udc為直流側電壓；idc為主電路開關直流輸出電流；iL為直流側負載電流?；赿、q坐標系下SVPWM變流器的數學模型為：

圖1 電壓型PWM變流器拓撲結構

其中，Sd、Sq為dq坐標系下變流器的開關函數；id、iq、ed、eq為dq坐標系下PWM變流器交流側電流和電網電壓在d軸、q軸上的分量。

2 混合型模糊PI控制器的設計

混合型模糊PI控制器[4]的結構如圖2所示。取e、ec為模糊控制器的輸入變量，其物理論域分別為 [-200，200]、[-1 615，1 615]；選取合適的量化因子，將其由物理論域定義到模糊論域，其范圍為[-6，6]；設計輸入變量e和ec的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}； 輸 出 Uf的 模 糊 論域為 [-1，1]，模糊子集為 {NVB，NB，NM，NS，NVS，NZ，ZO，PZ，PVS，PS，PM，PB，PVB}。經過多次試驗，隸屬度函數采用平滑的Gauss函數系統(tǒng)性能較好。

圖2 混合型模糊PI控制器結構

3 混合型模糊PI控制系統(tǒng)結構及原理

為了驗證混合型模糊PI控制器在風力發(fā)電網側變流器中的應用，將混合型模糊PI控制器引入控制系統(tǒng)?？紤]到單一因素影響原則，只將其引入電流內環(huán)控制，電壓外環(huán)用階躍響應代替。基于混合型模糊PI控制的網側SVPWM變流器的控制系統(tǒng)結構，如圖3所示。為了系統(tǒng)更清晰地了解網側變流器控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)在控制系統(tǒng)結構圖中先不用階躍響應代替，在仿真過程中代替即可。

通過給定指令電壓與直流側電容電壓Udc相比較的結果，經外環(huán)PI控制得到電流內環(huán)指令電流構成SVPWM變流器的電壓外環(huán)。電流內環(huán)將電壓外環(huán)輸出的電流指令與實際電流id相比較，經模糊PI調節(jié)及解耦控制，得到變流器輸入端電壓d、q軸分量Usd、Usq，再經旋轉-靜止坐標變換及SVPWM（空間矢量脈寬調制）調制，最終得到SVPWM變流器開關器件觸發(fā)脈沖信號Sa、Sb和Sc，其中交流側電感電流的q軸分量Iq=0。將混合型模糊PI控制器引入電流內環(huán)的控制策略，不僅較傳統(tǒng)PI控制策略響應速度更快、超調量更小，而且較常規(guī)修正PI參數的模糊控制策略動態(tài)性能也更優(yōu)化，且在不同工況下系統(tǒng)性能也很穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性能。

圖3 網側SVPWM變流器控制系統(tǒng)結構

4 系統(tǒng)仿真

根據圖3構建基于混合型模糊PI控制的SVPWM變流器控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真模型，模型中電壓外環(huán)用階躍響應代替。仿真模型參數為：直流電容參考電壓=1 050 V，電源線電壓有效值Um=690 V，直流側電容C=0.02 F，交流電感L=0.4 mH，開關頻率為2 kHz。交流側電感指令電流為給定的階躍響應為：

交流側電感實測電流的d軸分量id和q軸分量iq對比響應曲線分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4 混合模糊PI與傳統(tǒng)PI的id對比響應曲線

圖5 混合模糊PI與傳統(tǒng)PI的iq對比響應曲線

圖6 混合模糊PI與模糊PI的id對比響應曲線

圖7 混合模糊PI與模糊PI的iq對比響應曲線

通過仿真結果可知，當電網側PWM變流器啟動時，混合型模糊PI控制策略的調節(jié)時間為0.001 s，超調量為1.60%，上升時間為0.002 s；而在階躍響應狀態(tài)下，傳統(tǒng)PI控制策略的調節(jié)時間為0.004 s，超調量為4%，上升時間為0.004 s；常規(guī)修正參數的模糊PI控制策略的調節(jié)時間為0.003 s，超調量為3%，上升時間為0.003 s?？梢姡旌闲湍：齈I控制策略的響應速度更快，超調量更小，具有更加良好的動態(tài)性能。

為了驗證混合型模糊PI控制器在不同工況下依然能夠穩(wěn)定運行，且具有一定的抗干擾性能，給出了混合型模糊PI控制策略在不同工況下交流電感實測電流的d軸分量id和q軸分量iq在的仿真結果。

假設給定的階躍輸入為：

若其階躍響應下的id和iq的仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8 交流側電感電流id響應曲線

圖9 交流側電感電流iq響應曲線

若假設給定的階躍輸入為：

則其階躍響應下的id和iq的仿真結果如圖10和圖11所示。

由仿真結果可知：在給定不同階躍輸入時或者從一種階躍輸入跳變到另一種階躍輸入時，混合型模糊PI控制器對階躍響應跟蹤良好，性能穩(wěn)定，超調量小，響應速度快，充分說明混合型模糊PI控制具有一定的抗干擾性能。

5 結 論

圖11 交流側電感電流iq響應曲線

本文提出將混合型模糊PI控制器引入風力發(fā)電網側變流器系統(tǒng)的控制策略。在該混合模糊PI控制策略下，模糊控制規(guī)則較為簡單，計算量大為減少。研究結果表明，混合型模糊PI控制策略無論是較傳統(tǒng)PI控制策略還是較修正PI參數的模糊控制策略，其響應速度都更快，超調量更小，動態(tài)性能有明顯優(yōu)化。不同工況下的仿真驗證也表明，混合型模糊PI控制策略具有良好的抗干擾性能。

[1]阮春長，王宏華.基于模糊控制的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制[J].電力自動化設備，2012，32（5）：1-3.

[2] 范守婷，王 政.風力發(fā)電并網變流器同步技術研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（24）：1-2.

[3] SU Hong-sheng，JING Li-xue，YUAN Chao，et al.Research on Direct Power Control of SVPWM Rectifier Based on Fuzzy PI Control[J].Power Sources，2012，10（3）：2-4.

[4] 任碧瑩，同向前，孫向東.具有限定功率運行的永磁直驅風力發(fā)電并網控制設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（2）：1-2.