风电并网变换器直接功率控制策略

摘 要 ： 对 直 驱 型 永 磁 同步 风 力 发 电机 背 靠 背 驱 动 变 换 器 中 的 网 侧 变 换 器 ， 直 接 功 率 控 制 策 略 进 行 了研 究 。 针 对 相 对 于 常 规 矢 量 控 制 策 略 而 言 ， 入 直 接 功 率 控 制 策 略 不 仅 能 够 提 高 变 换 器 的 动 态 响 应 特 性 ． 且 对 参 数 变 引 而 化 具 有 较 好 的 鲁 棒 性 。 在 建 立 三 相 电压 型 并 网逆 变 器 静 止 坐 标 系 下 数 学 模 型 的基 础 上 ， 述 了 并 网 逆 变 器 直 阐
ｍａ ｃｅ ｏ ｉｅ ｏ ｒ ｃ ｎｒ ｌ ａ ３ ｋ ｉ ａ ｉｎ ａ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｌｐｌｔｏ ｓ ｏ ｓｒ ｃ ｅ ｎｄ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｐｏ ｄｉｇ ｘ－ ｎ ｆ ｄ ｒｃｔｐ ｗｅ ｏ ｔｏ ， Ｗ ｓｍｕｌｔｏ ｎｄ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ａ ａｆ ｒ ｉ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｄ ａ ｈ ｏ ｓ ｎ ｎ ｅ ｍ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｓｕｄ ｓ ｏ ｄ ｔｄ． ｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｙ ｉ ｃ ｎ ｕｃｅ Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ： ｏ ｅ ｅ ； ｇ ｙ ｄ ｃ ｎｖ ｒ ｒ ｎｄ— ｏ ｅ ｔｄ； ｗｉ ｗｅ ｎ ｒｔｏ ｔ ｃ ｎｎ ｃｅ ｎｄ ｐｏ ｒｇｅ ｅ ａｉｎ； ｄｉｅ ｔｐｏ ｒ ｃ ｎｔｏ ｒ ｃ ｗｅ ｏ ｒ ｌ
使 逆 变 器 输 出合 适 的 ｕ， Ｉ ０ 沿 ｅ ｕ 方 向变 化 ，使 （ ） － ，
得 到 的 Ｊ跟 踪 ，。 如 图 ４ ｂ所 示 ，设 ｅ在 ０ 区 域 。 ： 内 ， ，滞 后 并 小 于 ｒ， 时 Ｐ— Ｈ Ｑ 一 Ｈｏ 若 此 Ｐ＞ ， Ｑ＞ ，
由滞 环 特 性 得 ：ｅＳ＝ 。此 情 况 下 ， 使 ， ｅ Ｓ＝ 。 １ Ｕ可 沿 —
由并 网逆 变 器 的 数 学 模 型 可 得 电流 矢 量 为 ：
１ ｆ
计 算 瞬 时有 功 、 无功 功 率 Ｐ， 将 其 与给 定 功 率 ， Ｑ， Ｑ 比较 。偏 差 值 △ Ａ Ｐ， Ｑ通 过 滞 环 比较 器 得 到 开
关信 号 ． ， 。 结 合 空 间 电压 矢 量 位 置 查 询 开 关 表 ｓ ｜， ｓ 确 定 Ｊ ， ５。 系 统 结 构 如 图 ２所 示 【 。 ｓ Ｊ， ｓ ３ ＿
图 ２ 系统 结构 框 图
Ｆ ｕ ｄ ｔ ｎＰ ｏｅｔＳ ｐ ｏ ｅ ｙＮ ｔ ｎ ｌ ａ ｒｌ ｃ ｎｅＦ ｕ ｄｔ ｎｏ ｈ ａ Ｎ ．１ ７０ ４ ｏ ｎ ａｉ ｒｊｃ ：ｕｐ ｒ ｄｂ ａｉ ａ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ｏｎ ａ ｏ ｆ ｉ （ ｏ５ ０ ７ ３ ） ｏ ｔ ｏ ｕ ｅ ｉ Ｃ ｎ
ｖ ｒ ｒ ｗ ｉ ｈ ｉ ｕ ｅ ｏ ｈ ｉ ｃ ・ ｒ ｅ ｅｍａ ｅ ｔ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｗｉｄ ｐ ｗ ｒ ｇ ｎ ｒ ｔ ｎ ｙ ｔ ｍ． ｏ ａ ｅ ｉ ｏ － ｅ ｔ ｈ ｃ ｓ ｓ ｄ ｆｒ ｔ ｅ ｄ ｒ ｔｄ ｖ ｎ ｐ ｒ ｎ ｎ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｎ — ｏ ｅ ｅ ｅ ａｉ ｓ ｓｅ Ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｃ ｎ ｅ ｅ ｉ ｏ ｈ ｖ ｎ ｉｎ ｌ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔ ｌ ｓｒ ｔｇ ｔ ｅ ｄｒ ｃ ｏ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓｒ ｔｇ ｏ ｎ ｙ ｉ ｒ ｖ ｓ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｅ ｙ ａ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｅ ｔ ａ ｅ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒ ｔ ｅ ｙ，ｈ ｉ ｔ ｐ ｗｅ ｏ ｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｏ ｖ ｒ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｏ ａ ｅ ｏ ａ ｙ ｔ ｂ ｔａ ｓ ａ ｅｔ ｒ ｒ ｂ ｓ ｏ ａ ａ ｔｒ ｔａ ｓｏ ａｉｎ Ｏｎ ｔ ｅ ｂ ｓｓ ｏ ｓ ｂｉｈ ｎ ｔｅ ｔ ａ ｄ ｌｏ ｈ ｅ — ｈ ｓ ｕ ｌｏ ｈ ｓ ｂ ｔ ｏ ｕ ｔｆｒ ｐ ｒ ｍｅｅ ｒ ｎ ｆｒ ｔ ． ｈ ａ ｉ ｆ ｅ ｔ ｌ ｉ ｇ ｍａｈ ｍａｉ ｌ ｍｏ ｅ ｆ ｔｒ ｅ ｐ ａ ｅ ｅ ｍ ｏ ａ ｓ ｃ
（） １
作 者 简 介 ： 明 凤 （ ９ ７一） 女 ， 苏 宿 迁 人 ， 士 研 究 生 ． 金 １８ ， 江 硕
研 究方 向为风 力发 电变流技 术。 ６ ６
式 中 ： ， ， 分 别 为 ｅ， 在 ０， ｅ， ‰ ｆ 卢轴 的 分 量 ； 为 ，
在 ， 轴 的 分 量 ； 卢 电流 方 向 选 取 流 向功 率 管 为 正 方 向
（ ． ｆ ｉ ｎ ｅｓｙｏ ｅｈｏｏｙ ｅｅ ２ ０ ０ １ ｅ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｆＴ ｃｎｌ ，Ｈ ｆｉ ３０ ９，Ｃ ｉａ Ｈｅ ｖ ｉ ｇ ｈｎ ）
Ａ ｂ ｔａｃ Ｔｈ ｓ ｐａ ｅ ｏ ｕ ｅｓ ｎ ｈｅ ｉｅ ｔ ｏ ｒ ｏ ｔｏ ｏ ｓ ｒ ｔ： ｉ ｐ ｒ ｆ ｃ ｓ ｏ ｔ ｄ ｒｃ ｐ ｗｅ ｃ ｎ ｒｌ ｆ ｄ— ｏ ｎ ｃ ｅ ｃ ｎｖ ｒｅ ｎ ｈ ｂａ ｋ ｏ ｂａ ｋ ｄｒｖ ｃ ｎ— ｃ ｎ ｅ ｔ ｄ ｏ ｅｔ ｒ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｃ ｉ ｅ ｏ
ｖ ｒ ｒ ｉ ｌ ｂ ｒ ｔｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｒｃ ｓ ｆ ｉ ｉ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｔ ｓ ａ ｄ ｖ ｒｆ ｈ ｏ ｒｃ ｎ ｓ ｎ ｅ ｆｒ ｅ ｅ ｓ ｅａ ｏ ａｅ ｎ ｈ ｅ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｔ ｓ ｉｃ ｓｅ ．ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｅ ｔ ｎ ｅ ｙ ｔｅ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓ ａ ｄ ｐ ｒｏ — ｔ ｉ
Ｄｉ ｅ ｔ Ｐｏ ｒ Ｃｏ ｒ ｌｏ ｉ ｃ ｎ ｃ ｅ ｎ ｅ ห้องสมุดไป่ตู้ ｒ ｒ ｃ ｗｅ ｎｔ ｏ ｆ Ｇｒ ｄ— ｏ ｎｅ ｔ ｄ Ｃｏ ｖ ｒ ｅ Ｕｓ ｄ ｆ ｒ Ｗ ｉ ｐ ｗｅ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｅ ｏ ｎｄ． ｏ ｒ Ｇ ｎ ｒ ｔｏ
ＪＮ Ｍｉｇｆｎ ＨＡＯ Ｗ ｅ Ｉ ｎ — ｇ ，Ｚ ｅ ｉ，ＹＡＮ Ｓ ｕ ｙｎ ＨＡＮＧ ｎ Ｇ ｈ —ｉｇ ，Ｚ Ｘｉｇ
Ｎ
图 １ 三相 电压型 Ｐ ＷＭ 逆 变 器 并 网拓 扑 结 构
根 据 图 １ 得 三 相 电压 型 并 网逆 变 器 在 两相 可
静止 Ｏ 坐标 系下 的 数 学模 型 为 ： ／ ，
ｅ＝ ｄ ｄ＋ ｅ＝ ｄ ｄ＋ ａ ￣Ｌ ｉ ｔ ｕ， ｌ Ｌ ｉ ｔｕ ｄ ｊ ｆ ｌ
第４ ５卷 第 ８ 期
２ １年 ８ 月 ０１
电 力 电子技 术
Ｐｏ ｔＥｌｃ ｒ ｎｃｓ ｗｅ ｅ ｔｏ ｉ
Ｖ １ ５．Ｎｏ８ ｏ． ４ ． Ａｕ ｕ ｔ２ １ ｇ ｓ ０ １
风 电并 网变换 器直接功 率控制策略
金 明凤 。 ，赵 为 ，杨 淑 英 ，张 兴
（ ． 肥 工 业 大 学 ， 气 与 自动 化 工 程 学 院 ，安 徽 １合 电 ２阳 光 电源 股 份 有 限 公 司 。安 徽 ． 合肥 合肥 ２ ００ ； ３０ ９ ２０８ ） ３０ ８
１ 引 言
随着 电力 电子 技 术 和 永 磁 同步 电机 制 造 技 术
的发 展 ， 变 速 恒 频 风 力 发 电技 术 中 ， 用 Ｐ Ｍ 在 采 ＭＳ
的直 驱 系 统 能量 损 失少 。 维护 成 本 低 ． 为 变速 恒 成 频 风 力 发 电极 具潜 力 的主 流 技术 之 一 。 直 驱 永 磁 同步 风 力 发 电机 组 中 的驱 动 变 换 器
实 现对 功 率 的 直 接控 制 。 Ｐ Ｄ Ｃ系 统 算 法 简 单 ， 态 动 响应 快 ， 鲁棒 性 好 ， 有 良好 的开 发和 应 用 前 景【 具 ” 。
基 金 项 目 ： 家科 学 自然 基 金 （ １ ７ ０ ４） 国 ５０ ７ ３
定 稿 日 期 ： ０１ — ６ ５ ２ １ ０ —１
风 电 开 网 变 流 器 直 接 功 率 控 制 策 略
２２ 并 网逆 变 器 直 接 功 率控 制原 理 ．
响 不 同 ，需 选 择 合 适 的 电压 矢 量 对 Ｐ， 进 行 调 Ｑ
节 。 开 关 表 通 过 ｓ ，。 电 网 电压 矢 量 位 置 来 确 ＰＳ 及 定 Ｄ Ｃ控 制 所 需 的 开 关 状 态 ． ， 而 决 定 桥 臂 输 Ｐ ｓ 从
接功 率控制机 理 ，论 述 了并网逆变 器直接 功率 控制 的设计 过程 。搭建 ３ｋ 仿真和 实验 平 台进 行相 应实验研 Ｗ 究 ， 果验证 了直接功 率控制 设计 的正确性 。 结
关 键 词 ： 换 器 ；并 网 ；风 力 发 电 ；直 接 功 率 控 制 变
中图 分类 号 ：Ｍ ６ Ｔ ４ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ ＩＯ ２ １ ）８ ０ ６ — ２ １０ 一 Ｏ Ｘ（０ １０ —０ ６ ０
ｖ ｌ ｇ ｏ ｒ ｅ ｇ ｉ － ｏ ｎ ｃｅ ｎ ｅｔ ｒ ｉ ｔｔ ｏ ｒ ｉａ ｅ ｔ ｅ ｄ ｒ ｃ ｏ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ｍｅ ｈ ｎｓ ｏ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔ ｄ ｉ — ｏｔ ｅ ｓ ｕ ｃ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔｄ ｉ ｖ ｒ ｎ ｓａｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ，ｈ ｉ ｔ ｐ ｗｅ ｏ ｔ ｃ ａ ｉｍ ｆ ｇ － ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ａ ｄ ｅ ｃ ｅ ｏ
２ 并 网逆 变 器 直 接 功 率 控 制 系 统
２ １ 三 相 电压 型并 网逆 变 器 的 数 学模 型 ．
图 １示 出三 相 电压 型 Ｐ ＷＭ 并 网 逆 变 器 主 电
路拓 扑 结 构 。Ｓ 为逆 变器 开关 管 Ｖ 开关 函数 ， Ｓ的 ｋ ａ ｂ Ｃ 当 Ｓ＝ ＝ ， ， ， ｋ １时 ， 桥 臂 开 通 ， 桥 臂 关 断 ； 上 下 当 Ｓ＝ ｋ０时 ， 上桥 臂关断 ， 下桥 臂开通 【 ２ １ 。
出 电压 矢 量 ， 。
并 网逆 变 器 矢 量 控 制 策 略 中 ， 功 功 率 Ｐ、 有 无
功 功 率 Ｑ是 通 过 ｄ． ｑ坐 标 系 下 相 关 电流 的 闭 环
控 制 实现 的 。 获 得 功 率 的快 速 响应 ， 鉴 了 电机 为 借
控 制 中 Ｄ Ｃ 的 思路 ， Ｄ Ｃ 其 思路 为 ： 先检 测 Ｔ 即 Ｐ。 首
电
网
，Ｊ ０ ＋ 』 口 Ｕ）ｔ ＝ （ ） ÷ 一 ｄ （
Ｌ ｕ
（） １
式中： ｅ为 电 网 电压 矢 量 ；（ ） 初 始 时 刻 电 流 矢 量 。 ｆ０ 为
在 一 个采 样 周 期 ７ 内 一 不 变 ，而 此 时 参 考 ’ 电流 矢 量 为 ，， 由 ， 定 ， ｒ Ｑ确 则式 （ ） 改 写为 ： １可 Ｊ Ｊ ｏ ＋ （－ ＝ ＝ （ ） Ｔ ｅ ｕ） ｒ （） ２ 由上 式 可 知 ． 在 内为 了使 Ｊ跟 踪 Ｊ ， 必 须 ’则
， ｄ ｃ
通 常 采 用 网侧 变 换 器 和 机侧 变 换 器 组成 的背 靠 背 变 换器 ， 里对 网侧变 换器 的控制策 略展 开研 究。 这 类 似 于 直 接 转 矩 控 制 （ Ｔ ） 直 接 功 率 控 制 ＤＣ，
（ Ｐ 是 通 过 对 逆 变 器 输 出 有 功 、 功 进 行 观 测 Ｄ Ｃ） 无 计 算 ， 给 定 值 比较 后 选 择 适 当 的 空 间 电压 矢 量 ， 与