文/張宇森 田濤 蒲家蓉

（華北電力大學(xué) 北京市 102206）

1 前言

近年來(lái)，在國(guó)家政策的大力扶持下，風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入了黃金期，大量的應(yīng)用促進(jìn)了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累，尤其是在國(guó)內(nèi)的能源供需矛盾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重和電力需求上升的情況下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。雙饋風(fēng)力機(jī)在風(fēng)電行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛，本文在電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，加入模糊控制算法對(duì)PI 參數(shù)進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器控制效果的優(yōu)化。

2 DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型與控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的電路圖如圖1 所示，ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)三相電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic為網(wǎng)側(cè)三相電流，R、L 為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電阻和電感，C為直流母線電容，Udc、idc為直流母線電壓及電流，iload為負(fù)載電流。

網(wǎng)側(cè)變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為[1]：

其中：id、iq分別為交流側(cè)電流的d、q 軸分量；ud、uq分別為電網(wǎng)電壓的d、q 軸分量；Sd、Sq分別為開關(guān)狀態(tài)的d、q 軸分量。

3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

3.1 模糊控制算法

模糊控制算法的核心部分是模糊控制器，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和清晰化三部分。本文采用對(duì)誤差信號(hào)e 求導(dǎo)并引出ec 的方法，并以誤差e 和誤差變化率ec 作為模糊控制器的參數(shù)信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化、構(gòu)建隸屬度及模糊規(guī)則、論域整定等步驟設(shè)置合適的模糊控制器參數(shù)，并以ΔKp、ΔKi 為模糊控制量的輸出，作為整定參數(shù)傳遞給PI 控制器調(diào)節(jié)參數(shù)以進(jìn)行選擇合適的Kp、Ki 參數(shù)[2]。

在輸入量的模糊化過(guò)程中，本文設(shè)定模糊規(guī)則的子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，且e、ec 和Kp、Ki 的具有相同的模糊子集，這些輸入輸出變量分別對(duì)應(yīng)的模糊名稱為負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。然后LabVIEW 中調(diào)用模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器設(shè)置輸入輸出的隸屬度函數(shù)均是高斯函數(shù)，如圖2 所示。

由于在PI 控制器中Kp、Ki 的作用是不同的：當(dāng)e 較大，為加快響應(yīng)速度并防止開始時(shí)偏差e 瞬間變大，取較大的Kp，同時(shí)為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)去掉積分作用，即Ki=0；當(dāng)e 和ec 為中等大小，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少，Kp 和Ki 都不能太大，大小要適中從而保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)e 較小，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大Kp 和Ki 的值。然后依據(jù)上述原則和仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立ΔKp、ΔKi 的模糊規(guī)則如表1。

圖1：網(wǎng)側(cè)變流器電路圖

最后依據(jù)圖2 所示的隸屬函數(shù)和表1 所示的模糊控制表，得到”IF…THEN…”規(guī)則在LabVIEW 中如圖3 所示。

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

基于網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)式（1）可知電流id和iq受電壓ud和uq影響，同時(shí)模型中存在交叉耦合現(xiàn)象，因此采用外環(huán)電壓控制-內(nèi)環(huán)電流控制的雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)外環(huán)均采用模糊PI控制器，最終實(shí)現(xiàn)控制直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，確保交流側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為1 的目的。如圖4 所示。

4 仿真與結(jié)果分析

表1：模糊規(guī)則表

圖3：“IF…THEN…”規(guī)則

圖4：網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

圖5：網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)

圖6：直流環(huán)節(jié)電壓控制

圖7：網(wǎng)側(cè)三相電流曲線

LabVIEW 擁有良好的人機(jī)交互界面，使用圖形化的編程語(yǔ)言和模塊化的子VI 更有利于建模分析[3]。本文利用LabVIEW 搭建了如圖5 所示的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)，設(shè)置電網(wǎng)相電壓220V，頻率50Hz；電壓外環(huán)PI 控制器參數(shù)Kp=5，Ki=500；電流內(nèi)環(huán)PI 控制器參數(shù)Kp=0.5，Ki=50。

實(shí)驗(yàn)中直流環(huán)節(jié)母線電壓如圖6 所示，一直維持在1100V 左右，無(wú)大幅波動(dòng)，滿足電網(wǎng)要求；網(wǎng)側(cè)三相電流如圖7 所示，呈正弦波形，符合預(yù)期。

5 總結(jié)

本文采用模糊PI 控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的雙閉環(huán)串級(jí)控制策略，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制效果良好，外環(huán)電壓控制能夠有效控制直流電壓穩(wěn)定以保證變頻器傳輸功率穩(wěn)定；內(nèi)環(huán)電流跟蹤設(shè)定值，保持功率因數(shù)穩(wěn)定可控，共同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的功能。