風力發電網側變流器控制策略研究-資料下載頁

　　

【正文】 阻尼法是通過直接加入電阻以增加系統阻尼，但是阻尼電阻的損耗使得系統效率降低，在高壓大功率場合阻尼電阻發熱嚴重，可能需要強制風冷。有源阻尼法是采用控制算法實現阻尼的作用，目前主要有虛擬電阻、超前滯后網絡等方法。虛擬電阻法提出以“虛擬電阻”替代實際電阻[33]，增大了系統阻尼且無功率損耗，有效的抑制的系統的諧振，但是這種方法需要增加電容電流傳感器。基于“超前滯后”的有源阻尼控制策略也是不需要采取電阻元件就可以抑制住諧振[34,35]，但是這種方法需要配置增益和零點、極點，有三個參數需要調節，設計過程比較復雜，不太適合工程設計，同時也需要增加電容電壓傳感器，增加了系統的造價。這兩種有源阻尼方案的另一不足是沒有直接控制網側電流。在風力發電系統中，為了能實現電網電壓不平衡跌落時的低電壓穿越，往往需要實現并網電流的對稱平衡控制，這就需要對并網電流進行直接控制。顯然，通過控制變流器側電流實現對網側電流的間接控制是不適當的。圖28 LCL濾波器網側變流器系統結構圖考察LCL濾波器的結構，Fainan [39]，獲得對稱平衡的網側電流。三環設計的參數調節比較容易，若選擇合適的參數，可以取得與其他有源阻尼法相當的效果，其優點是可以直接控制并網電流。然而除了需要增加必需的網側電流傳感器之外，還需要增加電容電壓傳感器，這樣不僅增加了系統造價，還對系統的穩定可靠性產生影響。文獻[44]采用基于狀態空間估計的方法對電容電壓進行估計，增加了設計的難度。本文摒棄了“虛擬電阻”和“超前滯后”的有源阻尼思想，提出了三環電流控制結構，實現網側電流的對稱平衡控制。同時，為了減少傳感器的數量，采用基于復功率理論的電壓估計方法，免去了使用電容電壓傳感器且實現簡單。圖28所示為系統結構圖，圖中標注了用于控制器的給定而需要檢測的量，以及一些必要的基本算法，其中鎖相環原理及其設計將在下一章詳細論述，本章將給出其中的控制器原理及其設計。 系統控制結構式即為LCL濾波器的變流器控制方程，由此設計圖28中的控制器，其結構如圖29所示，主要由電壓外環和電流內環組成。其中，外環為電壓控制環以穩定直流側電壓，產生交流側有功功率指令值，與網側無功功率指令一起參與電流環指令值的計算。根據控制方程式，電流內環設計為三環級聯型控制結構，外環控制器跟蹤電網電流參考矢量，其輸出為電容電壓的參考矢量，作為第二環控制器的參考值。第二環中電容電壓即使估計值與相比較，經過比例調節輸出為變流器側電流的參考值，送入第三環控制器。在第三環中，通過一個比例積分調節器使變流器側電流跟隨，進而產生參考電壓矢量，最終送入到PWM發生環節。圖29 基于dq坐標系的三相VSC控制系統結構控制器參數的選擇對系統的性能至關重要，不僅影響系統的穩定性還影響到系統的動態響應性能。由圖29不難看出系統共有四個調節器參數需要設計，其中電流環三個調節器，電壓環具有一個調節器。其中，電壓環的輸出經過經過一個“電流指令算法”產生電流環的輸入給定，以下將首先給出并網電流的指令算法，接著分別具體設計電流環和電壓環調節器。 并網電流指令算法由式、表示的LCLVSC數學模型可以看出，直流側電壓與交流側電流之間存在關系。為了控制VSC的直流側電壓，提高VSC的性能，需要正確計算電流環的指令電流。以下將根據瞬時功率理論計算參考電流指令。LCLVSC功率分布圖如圖210所示，圖中、分別為網側復功率、傳輸濾波器損耗功率、VSC交流側復功率、直流側有功功率。圖210 LCLVSC的功率分布圖根據瞬時功率理論，三相LCLVSC從電網吸收的復功率S2可以表示為 同理，三相LCLVSC從交流側傳到直流側的復功率S1可以表示為 穩態時，由式中可得 將式代入式，可得 式、寫成矩陣形式，即 式中，、分別為LCL濾波器消耗的有功功率和無功功率，且 忽略開關損耗，則直流側功率與VSC交流側有功功率應該相等，即有 將式代入式，當時，得 式中的即VSC從電網吸收的無功功率，因此可以寫為 在實際中一般需要控制并網電流的功率因數為1，即單位功率因數控制，從而。 電流控制器設計與穩定性校驗圖29所示的電流內環是由三個逐級利用的環節組成，其控制框圖如圖211所示。圖中，右虛線框種包含三個級聯型PI調節器、分別對應于圖29中的PIPIPI3；左虛線框中為LCL濾波器，由式(1)(3)知其中的三個傳遞函數分別為： 由圖211可知，原系統為一個三階系統，再加上三個PI調節器引入6個未知參數，若采用整體設計，將明顯增加了控制設計的難度。然而，若對三個級聯型PI調節器采用分層逐級設計，控制系統的設計將變得較為容易。圖211 電流環控制結構圖1) VSC交流側PI調節器設計考慮電流內環信號采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，已解耦的i1d，i1q（統記為i1）電流環最內環結構如圖212所示。在圖212中，Ts為電流內環采樣周期（即亦為PWM開關周期），KPWM為橋路PWM等效增益。為簡化分析，不考慮uC擾動，且將小時間常數Ts/2與Ts合并，得簡化的電流環最內環結構，如圖213所示。圖212 i1電流環最內環結構圖213 無uC擾動時i1電流環最內環控制框圖在圖213中，濾波器電感的時間常數可以認為是主導的。根據傳遞函數的形式，按照典型?型系統計算PI調節器參數。PI調節器的零點抵消電流控制對象傳遞函數的主導極點，校正后開環傳遞函數為 閉環傳遞函數為 當閉環阻尼時，調節器的參數為， 式為初步選定的調節器參數，根據系統需要，可以采用根軌跡法單位階躍響應結合的方法對參數進行校正，即通過改變KP1的值改變開環傳遞函數中的增益，以改變系統根軌跡的形狀，從而使系統實現所需的動態特性。為了使電流環具有較快的動態響應，可以考慮電流環的動態特新指標為：調整時間3ms，最大過調量百分比。根據系統的開環傳遞函數，以MATLAB仿真工具進行根軌跡仿真[黃忠霖．自動控制原理的MATLAB實現．北京：國防工業出版社，2007年2月．]，具體實驗參數見表21。圖214所示為增益未調整時的根軌跡及階躍響應圖。增益未調整時，由系統階躍響應圖得出，調整時間＝，不滿足快速跟蹤要求。因此可對參數進行適當調整，隨著比例系數的調節和不同階躍響應的整定，最終選擇，,。此時的根軌跡及階躍響應分別如圖215(a)和(b)所示。由圖215(b)的階躍響應得知，調整時間，最大過調量百分比,滿足系統要求。 (a) 電流環根軌跡圖 (b) 階躍響應圖214 未調整時的電流環最內環根軌跡及階躍響應圖 (a) 電流環根軌跡圖 (b) 階躍響應圖215 調整時的電流環最內環根軌跡及階躍響應圖圖216 電流環最內環的開環傳遞函數波特圖為了保證系統的穩定運行，必須對系統的穩定裕量進行檢驗，以符合穩定運行條件。其開環波特圖如圖216所示。由開環波特圖得知。根據穩定裕量特性，系統具有良好的穩定性。2) 濾波器電容電壓環調節器設計當開關頻率足夠高，即Ts足夠小時，式中的s2項系數遠小于s項系數，因此s2項可以忽略，則電流最內環傳遞函數可以化成 因此，濾波器電容電壓環控制結構如圖217所示，采用P調節器。從圖217得濾波器電容電壓環開環傳遞函數為圖217 濾波器電容電壓環控制框圖 閉環傳遞函數為 由式可解得調節器的參數表達式為 由式計算電容電壓環調節器參數，當閉環阻尼時，調節器的參數為KP2= ，控制系統根軌跡及階躍響應圖如圖218所示。由圖218得知，調整時間，最大過調量百分比，可以滿足動態要求。開環波特圖如圖219所示。由開環波特圖得知，系統穩定裕量符合要求。(a) 電流環根軌跡圖 (b)階躍響應圖218 電容電壓環根軌跡及階躍響應圖圖219 濾波器電容電壓環開環傳遞函數波特圖3) VSC網側電流環PI調節器設計當開關頻率足夠高，即Ts足夠小時，式中的s2項系數遠小于s項系數，因此s2項可以忽略，則電容電壓環傳遞函數可以化成 圖220 網側電流環控制框圖網側電流環控制結構如圖220所示，采用PI調節器。圖220與圖213傳遞函數類似，因此調節器設計過程參照交流側電流最內環的設計。閉環傳遞函數為 調節器的參數為， 圖4所示為頻率響應，由圖4可見隨著的增加，系統截止頻率后移，響應速度變快，但是出現了諧振峰值導致系統不穩定。為了抑制系統振蕩同時保證響應的快速性，需要折中選擇的值。，調節器的參數為， 圖221 網側電流環波特圖 直流電壓環控制器設計在風力發電系統中，直流側電壓往往不能認為是恒定的。因此必須進行調節以保證并網變流器的正確運行，使電力電子開關和直流側電容不致損壞。，三相VSC直流電壓的動態數學模型可以描述為 由式，可以采用PI調節器以調節外環直流側電壓使其恒定，其輸出即為直流側電流參考值，控制結構即圖29中的電壓環，若不考慮前饋的影響，直流電壓外環控制結構進一步可以簡化為圖222 直流側電壓外環控制框圖根據圖222可以求出電壓外環閉環傳遞函數為 由式，可以通過改變、來配置電壓外環的閉環極點，、與系統電壓外環的阻尼比以及自然諧振頻率的關系為 根據系統的設計要求，確定電壓外環的阻尼比以及自然諧振頻率后，再根據式就可以確定電壓外環PI調節器參數、。值得注意的是，由式可以看出，若三相VSC電壓外環PI調節器參數保持不變，則在動態過程中，系統的阻尼比以及自然諧振頻率將是變化的。當直流電壓在大范圍變化時，系統性能和穩定性不容易得到保證。為此在設計三相VSC電壓外環PI調節器參數時，可以根據式動態地計算調節器參數、從而確保保系統在動態過程中保存恒定的阻尼比以及自然諧振頻率，從而獲得三相VSC電壓外環的線性控制效果。 基于復功率理論的電容電壓估計在所提出的多環控制策略中，必須要對濾波電容的電壓量進行控制。為了降低系統成本同時提高系統可靠性，本文提出使用復功率理論以估計電容電壓[8]，相比文獻[7]提出的狀態空間估計法，這種方法簡單且易于設計。根據KVL定律，電容電壓的估計值可以通過電網電壓加上網側電感上的壓降得到，即： 而電感上的壓降可通過復功率理論計算得到。三相VSC輸出的瞬時有功（p）和無功（q）功率可由下式計算： 為避免開關噪聲對電流采樣的影響，在空間矢量調制（SVPWM）中，三相電壓源逆變器的電流是在零矢量狀態采樣的，即===0，此時（5）（6）兩式可化為： 因為p和q是直流值，所以可以通過使用一個簡單的數字低通濾波器降低電流微分對有功無功估算的影響。這就降低了噪聲對電壓估計的影響。電感上的電壓估算值為： 式中，、分別為網側電感上的電壓在靜止兩相坐標系中的值，、為流過網側電感的電流在靜止兩相坐標系中的值。最后，將式代入到式即可估算出電容電壓。 多環控制策略仿真與分析為了驗證上述理論與設計的正確性，在Matlab/Simulink環境下搭建的LCL濾波器變流器系統進行系統仿真。其中設計變流器的容量為15kVA，PWM開關頻率為2kHz，采樣頻率為4kHz。LCL濾波器參數的設計方法參見文獻[31,32,劉芳．LCLVSC的控制與設計[M]．合肥：合肥工業大學，2008年3月．]，具體數值見表21。根據第3節的理論分析設計調節器參數，最后設計結果見表22所示。表21 LCL濾波器仿真參數網側電感L1L1寄生電阻R1變流器側電感L21mHL2寄生電阻R2濾波電容C100uF表22 調節器參數Kp直流電壓環15橋臂側電流環濾波電容電壓環0網側電流環 電流環仿真在電流環設計中采用逐層設計的思路，先內層后外層。此處已經設計好了三個調節器的參數，為了校驗調節器設計的正確性，給定指令為網側無功電流為零，。圖223所示為電流環各調節器輸出仿真結果及輸出電流波形。其中(a)、(b)為最內環橋臂側的有功、無功電流，其快速性完全滿足要求；(c)、(d)所示為第二環濾波電容電壓環，盡管指令有一些脈沖，但是其輸出比較穩定，基本上無任何脈動；(e)、(f)為最外環網側電流環響應，響應較快且對比(a)、(b)橋臂側電流可見濾波效果較明顯。 (a) 橋臂側有功電流響應 (b) 橋臂側無功電流階躍 (c) 電容有功電壓響應 (d) 電容無功電壓響應 (e) 網側有功電流響應 (f) 網側無功電流響應圖223 電流環階躍響應圖224所示為穩態時橋臂側和網側電流波形及頻譜對比圖，對比不難看出，經過LCL濾波器之后諧波衰減量增加，濾波效率比較顯著，%，符合并網相關國際標準。因此電流環設計能夠滿足并網電流的要求。 (a) 橋臂側電流 (b) 網側電流波形 (c) 橋臂側電流頻譜 (b) 網側電流頻譜圖224 電流環穩態波形及頻譜圖圖225所示為a相并網電流與電網電勢波形圖。由圖可見，直接控制網側電流，比通過控制VSC交流側電流從而間接控制網側電流較為容易的實現了單位功率因數控制。圖225 單位功率因數控制 電壓環仿真電壓環是能量傳遞的重要環節，圖6為直流側電壓階躍響應波形，，穩態誤差為零，可見電壓環設計合理。圖226 直流側電壓階躍響應 總結建立了三相LCLVSC數學模型為多環控制策略打下基礎。基于三環電流結構的LCL濾波器設計實現簡單，易于工程實現，可以實現對風力發電變流器并網電流的直接控制，有效的濾除諧波，消除諧振對控制的影響。基于復功率理論的電容電壓估計方法可減少電壓傳感器的數量，降低成本投入。這為LCL濾波器在風力發電變流器中