摘 要： 通過風電系統變流器的模型，提出在機側和網側采用PWM控制。機側采用速度外環和電流內環的雙閉環控制策略；網側采用直流電壓外環和電流內環的雙閉環控制策略。對PI控制器的參數進行整定，通過ITAE尋找最優參數，使得系統實現優化控制及單位功率因數傳遞電能。仿真和實驗表明，整定的PI控制器參數可使系統達到很好的控制效果。
關鍵詞： 風力發電；PI控制器；最優控制；解耦控制
直驅型風力發電系統是一種新型的風力發電系統，它采用風輪直接驅動多極低速永磁同步發電機發電， 通過功率變換電路將電能轉換后并入電網，省去了傳統雙饋式風力發電系統中的齒輪箱，系統效率大為提高，有效抑制了噪聲干擾[1]。
目前風力發電系統通常采用不控整流或二電平PWM整流電路，導致交流側電壓電流波形較差，功率因數不高，尤其對于交流側發電機的穩定正常運行極為不利。因此，本文介紹了采用雙PWM控制，機側和網側都采用雙閉環的控制策略，并對內環和外環的PI控制器進行設計，通過ITAE尋找最優的比例系數和積分系數，使得系統達到很好的解耦效果，實現了高功率因數傳遞。
1 直驅風力發電系統電壓源型基本結構
電壓源型的永磁電機直驅風力發電系統的電路拓撲結構[2]，采用大功率的電力電子器件絕緣雙極型晶體管(IGBT)，是一種結合大功率晶體管及功率場效應晶體管兩者特點的復合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅動功率小的優點，又兼有大功率晶體管的電流大，導通壓降低的優點。因此在系統中采用基于IGBT的整流器和逆變器，其拓撲結構為普通的三相橋式結構。直流環節并聯大電容，可維持電壓恒定。電網側串聯電感可用于濾波。通過系統的控制，將永磁電機發出的變頻變幅值電壓轉化為可用的恒頻電壓，達到了俘獲最大風能的目的。
從式(5)可以看出kP、Ki的確定非常重要。因此PI控制器的參數采用最優控制器設計程序來選擇控制器參數。該程序可以用OCD同時設計串級控制器的內環和外環，在Simulink中建立仿真模型，在該模型中定義內環的兩個參數和外環的兩個參數，并定義了誤差的ITAE指標。啟動OCD，在編輯框中寫入四個參數，在時間欄寫入終止時間2，然后生成目標函數Matlab文件，點擊優化按鈕，則可以得出ITAE最優化設計參數：機側的內環ITAE最優設計參數為Kp=1.007 9，Ki=3.962 7，外環為Kp=0.863 52，Ki=0.471 6。網側的內環ITAE最優設計參數為Kp=10.848 9，Ki=0.959 1。外環為Kp=0.363 6，Ki=0.004 2，這樣即使是控制大時間延遲系統，也可以得到較好的效果。
3 機側和網側的控制策略
風力發電系統采用雙PWM變流器形式的控制器，它由網側變流器和機側變流器組成[6]。機側采用速度外環和電流內環的雙閉環控制策略；而網側采用直流電壓外環和電流內環的雙閉環控制策略。
3.1 機側PWM的控制策略
根據永磁電機的矢量控制原理，通過轉子磁場定向控制，將定子電流的合成矢量定向在永磁同步電機dq坐標系下的q軸上，使得id=0，從而實現發電機的有效控制。其中速度外環的參考轉速ω*由最大功率追蹤算法(MPPT)給出，根據發電機實際轉速和輸出有功功率變化得出一個最優ω*，與實際電機轉速相比較，經過比例積分調節器得到有功電流的參考值i*q，無功參考電流i*d設為零，發電機的電磁轉矩Te為：
3.2 網側控制策略
對電網的控制目標有兩個：(1)保持恒定的直流電壓；(2)單位功率因數并網。為了實現上述控制目標，網側控制策略為外環直流電壓和無功電流iq的給定值，內環為電流環的雙閉環控制策略。網側輸入有功功率和無功功率分別為：
各電流、電壓的輸出值與指令值作差，通過PI調節后，在經過旋轉地兩相坐標變成靜止的兩相坐標，進入SVPWM形成各自的PWM控制信號。由于采用了SVPWM提高了直流電壓的利用率。
4 仿真和實驗結果
利用前述的電壓型背靠背變流器的數學模型和機側、網側的控制策略，很容易建立仿真模型，仿真模塊主要有風力機和主回路負載模塊、機側變流器控制模塊、網側變流器控制模塊、電壓電流采樣模塊、坐標變換模塊、電壓電流PI調節模塊和PWM波發生模塊。
在交直交變頻器運行時，由于給定直流母線電壓為400 V，從圖2可以看出，在風速變化時，電壓都基本上能較好地穩定在400 V，保持了直流連接電壓為恒定值。由于采用了直流電壓PI調節，克服負載擾動，實現了穩態無靜差，系統響應速度快。圖3為機側三相交流電流波形，機側三相交流電流基本上是正弦波。圖4為機側dq軸電流波形，可以看出機側id基本維持在零附近，從而驗證了id=0的控制策略，而iq隨指令值的變化而變化。圖5為網側dq軸電流波形，網側iq基本為零，從而驗證了iq=0的控制策略，而id隨指令值的變化而變化。圖6為網側a相電壓電流波形，可以看出電壓與電流頻率為50 Hz，與電網頻率完全同步，且它們的相位正好相差180°，且電流為正弦波形，由此可以得出系統向電網輸送功率，實現了單位功率因數。
在仿真研究的基礎上，對系統的控制進行了實驗驗證。發電機三相交流電源經濾波電感送到整流器的三相橋臂，整流器的直流輸出就是逆變器的直流側輸入電源，逆變器的交流側直接接入電網，光電編碼器實時檢測永磁同步電機的轉速。整流器和逆變器分別由DSP芯片TMS320F2S12(1)與TMS320F2812(2)控制，電壓、電流傳感器測出所需各部分的電壓、電流值，送入DSP芯片，實現系統的控制策略。用兩臺上位機分別與兩塊DSP芯片進行通信，主要控制系統的啟、停、監控，負責實時數據的接收、顯示等任務，它是人機交互的中介。
采用主電路和控制策略進行實驗，實驗參數設置如下：直流電容C為470×10-6 F，直流母線電壓參考值設置為400 V，網側電感L0=4．8×10-3 H，電阻R0=0．5 ?贅，機側電感L=0.6×10-6 H。三相交流輸入電壓為100 V，采樣頻率f=2.5 kHz，由此得出的直流母線實驗波形和仿真的直流母線電壓的波形一致。而電網側a相電壓與逆變器a相電流波形也一致，都是反相，這就證明了系統運行單位功率因數，通過諧波電流分析電流THD為4.1%。
本文采用電壓源型背靠背變流器結構，仿真和實驗結果表明，采用雙PWM控制策略和優化的PI參數能夠很好地控制網側和機側電流，同時有效地控制直流母線電壓，使得輸出電壓紋波小、響應速度快。實驗也表明控制策略和控制電路正確有效，能實現能量的雙向傳遞，因此可運用于兆瓦級變頻器的變流器控制研究。
參考文獻
[1] 溫春雪，張利宏，李建林，等.三電平PWM整流器用于直驅風力發電系統[J].高電壓技術，2008(4)：191-195.
[2] 張子皿.直驅型風力發電系統變流控制技術的研究[D].北京：華北電力大學，2010.
[3] 梁英.風力發電系統中變流技術的研究[D].湖南：湖南大學，2009.
[4] 李正軍.計算機控制系統[M].北京：機械工業出版社，2005.
[5] 張雪群，曾岳南，梁錦澤.高功率因數PWM整流器PI調節器的仿真研究[J].計算機仿真，2008，25(1).
[6] 李建林，許洪華.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2008.