摘要：近几年，新能源控制技术得到了广泛进步，风电相关研究领先于其它新能源领域，我国风电并网容量远大于世界各国。风电装机容量的增加，风电会改变电力系统的电能质量，例如：电压、频率、电网谐波等。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）变流器网侧输出电压为正弦波，并且具有较快的动态控制响应，能够降低风电并网给电网带去的不良作用。伴随风速的持续变化，风机的桨叶会由于惯性产生改变，在直接功率手段基础上，设计了基于Smith预估自适应PI策略，对变流器控制策略有进一步提升，增强风电系统的稳定程度。
关键词：变流器； 滑模控制； 模糊自适应； PSCAD
1 变流器的控制策略
研究PWM变流器控制方法已经上升为当今风力发电领域的热点，相继有新理论提出：直接电流法、直接功率法等。
1.1 机侧变流器的数学模型
双馈风力发电机稳定运行，其定子的电压对应的频率稳定为50Hz。电网的电压频率不发生变化，并网后定子的电动势为恒值，只有定子电流可控，因此，并网条件下发电机功率就能转化为对定子电流的控制。
对机侧变流器开展研究，需要考虑发电机等效模型，忽略定子电阻影响，可得发电机定子瞬时功率为：
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式中：L′为定转子间的互感，ω1为同步角速度。
双馈电机并网后，只有定子内部的电流大小可受控制，转换定子和转子电流，通过影响转子的电流能够实现控制发电机输出功率。结合双馈电机模型，就能得到转子电压、电流两者的式子为：
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式中：σ为漏抗因子，im为定义的子磁化电流。
把上诉原理与模糊PI策略相结合，把功率误差及其变化作为系统输入量，功率增量作为输出量，则变流控制器流程图如图1。
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图1 机侧变流器控制框图
1.2 自适应模糊PI控制
自适应模糊PI控制，就是以传统PI控制为基础，对PI策略的配置进行优化实现系统的最优控制，如图2所示。
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图2 自适应模糊控制系统框图
以有功功率为例，将有功功率误差E的子集设置如下：
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其误差改变CE与增量CU子集设置如下：
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根据变流器运行过程中的实际情况以及专家经验，可得变流器的控制策略如表1-1所示。
表1-1
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借助于MATLAB的数学逻辑运算策略，开展自适应模糊PI策略的编译。使用mamdani模糊计算手段，把误差E的范围定在[-6,6]，如图3所示。
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图3 MATLAB中隶属度函数的编译
使用自适应模糊PI算法，使用能够得出线性推理结果的代数积-加法-重心法，其公式如下所示：
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式中C′代表结论，A、B分别为模糊子集。
重心公式为：
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1.3 Smith预估模型
由于模糊控制本身波动恢复能力较差，对于系统滞后性的作用效果不强，通过引入Smith模型，用于解决系统纯滞后问题，Smith模型的流程框图如图4所示。
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图4 Smith预估控制基本结构
由图4得，如果完全补偿滞后项，需要Smith模型满足对应条件：
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此时被控模拟对象相对应的函数中不会包含滞后项，其影响得以消除。
Smith控制可很大程度的消除纯滞后。其控制手段即在PID调节器上并联Smith预估器，让该控制方法成为带Smith预估器的调节器。
Smith模型预估描述表达式如式7。
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将Smith模型外界与自适应模糊PI算法相匹配，如图5所示。
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图5 系统框图
本文并没有使用模糊PI控制中的微分部分，使系统不引进Smith预估模型时，可以提高系统的抗干扰能力。
2 PSCAD软件模型仿真
利用PSCAD软件搭建风电系统模型,其算法在MATLAB中编译，利用PSCAD中Fortran、DS-DYN文件进行数据交换。模型主要分为三个部分：风况模型、变流器模型以及双馈风力发电系统整体模型。
以风向不影响结果为前提，构建风模型，原始风速是7 m/s，当时间为5秒、10秒的时候，风的速度维持1 s的区间变化，其变化曲线如图6，分别为发电机电压曲线、功率曲线、转矩曲线和频率曲线。
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图6 系统仿真结果
由图6（a）可知，风机网侧电压实际测量值和额定值两者之间比值维持在1左右，表明发电机工作情况稳定，且当风力速度在5秒、10秒时出现约1秒的大幅度变化。图（d）表明，双馈电机电磁转矩图形变化是负数，表明发电机处于发电状态，当发电机刚运行以及风力变化较大时，电机转矩产生了明显波动。发电机频率如图6（f）所示，满足电能质量对于频率的要求，能够实现并网。
由上可知，添加含有Smith模型的PI策略，可以实现对变流器更为优化的控制，确保双馈风力发电保持优良的稳定特征，进一步提高电力系统电能质量。
3 结论
当风速出现变化时，对双馈风力发电系统中变流器的控制策略进行分析，提出一个添加有Smith模型的PI策略的逻辑控制器，避免了非线性被控对象线性化过程中的不准确，提高了系统的鲁棒性，并在PSCAD软件平台上进行模型搭建与仿真，仿真结果表明：变流器在这种运行模式时，能够保证双馈风力发电机正常工作，保证风机输出的电能可以达到系统所要求的电能质量，进行并网。
参考文献
[1]张崇巍，张兴. PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社，2003.
[2]刘中亮.双馈变速恒频风力发电机P-Q解耦控制技术研究[D].沈阳:沈阳工业大学，2011.
[3]贺子倩.变速恒频双馈风机发电系统改进直流功率控制策略[D].杭州:浙江大学，2012.
论文作者:张晓斌
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：变流器论文; 模型论文; 定子论文; 系统论文; 模糊论文; 策略论文; 发电机论文; 《电力设备》2019年第19期论文;