李春亚 王文超

摘 要：在传统的矢量控制策略下，当风速发生阶跃变化时变流器直流母线电压会产生剧烈波动，从而影響整个风电系统的稳定运行。针对该问题，文章对直驱风电系统网侧变流器控制策略进行改进，提出了基于模糊理论的自整定PI控制策略。为了验证该控制策略的有效性，在Matlab/Simulink环境下建立了容量为2MW的直驱风电系统模型，在阶跃风速情况下进行系统仿真，结果表明模糊PI控制策略能够有效的减小直流侧母线电压的波动。

关键词：逆变器；控制策略；模糊控制

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0019-02

Abstract： Under the traditional vector control strategy， when the wind speed changes step by step， the DC bus voltage of the converter will fluctuate violently， which will affect the stable operation of the whole wind power system. In order to solve this problem， this paper improves the control strategy of grid-side converter in direct-drive wind power system， and proposes a self-tuning PI control strategy based on fuzzy theory. In order to verify the effectiveness of the control strategy， a model of direct-drive wind power system with capacity of 2MW is established under Matlab/Simulink environment， and the system simulation is carried out under the condition of step wind speed. The results show that the fuzzy PI control strategy can effectively reduce the DC side voltage fluctuations.

Keywords： inverter； control strategy； fuzzy control

引言

近年来，随着环境污染的加重及能源紧缺问题的凸显，作为清洁能源的风电产业发展势头迅猛，风能的开发利用及风电机组的控制成为各国学者的研究热点。目前，兆瓦级风电机组的主流机型为直驱式和双馈式两种[1]。随着电力电子技术的发展，永磁直驱风电机组将成为风电技术领域的重要发展方向。风电机组单台容量的增加，这对并网也提出的更高的要求，并网技术的研究成为风电控制技术研究的重点。无论是哪种机组，发出电能都需要通过网侧变流器逆变并网。

本文主要是以直驱风电机组为研究对象，在分析网侧变流器运行原理及数学模型的基础上，设计了基于电网电压定向的矢量控制系统。在阶跃风速下，保证并网电能的质量，针对直流侧电压的稳定和有无功功率的解耦控制这两个目标进行仿真验证。

1 逆变器数学模型

在两相旋转dq坐标系下的数学模型为：

（1）

式中，ugd、ugq为交流侧电压d轴和q轴分量；igd、igq为交流侧电流d轴和q轴分量；ed、eq为电网电压d轴和q轴分量；？棕g为电网同步电角速度。

2 网侧变流器控制策略分析

网侧变流器作为风电机组重要部件，其主要作用是在保证并网电能质量的基础上实现直流侧电压稳定的控制。本文采用基于电网电压定向的矢量控制，采用双闭环控制，原理如图1所示[2]。

由于采用电网电压定向，则ugq=0，电网电压有无功功率可表示为：

通过上式可以得到对dq轴电流单独控制，就能实现有无功功率的解耦控制的目的。

由于dq轴的耦合关系，通过内环PI输出增加前馈补偿项-ωgLgigq+Vgd和-ωgLgigd，实现dq轴的解耦控制。

3 控制策略的改进

由于风电系统的强耦合性，风速的不稳定性等原因，固定的PI参数无法适应系统的运行要求。当风速突变时，会导致超调过大。针对这些问题，本文提出外环控制器将模糊控制与PI控制器相结合的策略，内环仍采用PI控制，以实现风电系统的良好控制性能。

3.1 输入输出变量的选取

将参考电压Udcref和实侧电压Udc的偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，外环PI参数变化量ΔKp和ΔKi作为输出，则外环PI控制器参数修正为：

其中，Kp′和Ki′为原PI参数，Kp和Ki为整定后的PI参数。

3.2 模糊控制规则的制定

根据仿真结果可以得到直流侧参考电压和实测电压偏差的基本论域为[-500，500]，单位是V，电压偏差变化率的基本论域为[-2000，2000]，输出ΔKp的基本论域为[-2，2]，ΔKi的基本论域为[-20，20]。对应的模糊子集均为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，NB采用Z型隶属函数，PB采用S型隶属函数，其他均为三角形隶属函数。采用“if…then…”语句描述模糊控制规则。模糊控制规则表如表1所示。

4 仿真结果分析

4.1 PI控制仿真结果分析

仿真时间设定为2s，在1s时风速由8m/s突变成额定风速12m/s，仿真结果如下所示。

图2-4为网侧变流器控制仿真曲线。图2和图3表明基于电网电压定向的矢量控制策略实现有无功功率的解耦控制，当风速达到额定风速时，有功功率输出达到额定功率2MW，无功功率维持在零附近。当风电机组启动及风速发生阶跃时，经过一段时间调节直流侧电压能恢复到1500V，并网电流谐波THD=1.22%，满足国标《电能质量公用电网谐波》中规定THD值小于5%的要求。仿真结果表明基于电网电压定向的矢量控制策略的可行性。

4.2 模糊PI控制效果分析

风电机组启动时，直流侧电压超调量由44.4%下降到24.1%；风速突变为12m/s时，超调由17.7%下降到15.3%，调整时间减小了0.005s；风能利用系数控制效果也优于PI控制器，仿真结果证实了模糊PI控制策略的有效性，增强了机组抗干扰能力。

5 结束语

本文介绍了直驱风电机组网侧变流器数学模型及控制原理，针对由于数学模型的非线性及风电机组工作环境的不稳定性，固定的PI参数无法很好的适应工况变化。因此，本文将模糊控制与PI控制相结合，根据输入变化实时整定PI参数。仿真结果表明，在风速发生阶跃跳变时，模糊PI控制器稳定性和响应速度优于PI控制，克服了传统PI控制器的缺点，控制效果良好。

参考文献：

[1]姚兴佳，郭飞，郭永库.基于模糊PID双馈风电系统网侧变流器综合控制研究[J].可再生能源，2013，31（12）：30-34.

[2]刘军，吴琼.永磁直驱风电系统网侧变流器控制策略研究[J].控制工程，2015，22（01）：20-24.